(57)【要約】【課題】小さい振幅の入力信号に対しては、飽和増幅部が有するＤＣオフセットをキャンセルし、大きい振幅の入力信号に対しては、オフセットの帰還量を制限して飽和増幅出力の品質低下を抑制することが可能な飽和増幅回路を提供する。【解決手段】ＤＣオフセットをキャンセルするためのオフセットキャンセル回路を備えた多段の差動増幅器からなる飽和増幅回路であって、オフセットキャンセル回路１２は、所定量以上の帰還が生じないように設定されたクランプ回路１５を備えている。また、差動増幅器への入力信号の振幅を判定するレベル判定回路１６を有し、該レベル判定回路によりクランプ回路１５のクランプレベルを設定するようにしてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣオフセットをキャンセルするためのオフセットキャンセル回路を備えた多段の差動増幅器からなる飽和増幅回路であって、
前記オフセットキャンセル回路は、所定量以上の帰還が生じないように設定されたクランプ回路を備えていることを特徴とする飽和増幅回路。
【請求項２】
前記差動増幅器への入力信号の振幅を判定するレベル判定回路を有し、該レベル判定回路により前記クランプ回路のクランプレベルが設定されることを特徴とする請求項１に記載の飽和増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣオフセットをキャンセルするためのオフセットキャンセル回路を備えた差動増幅器からなる飽和増幅回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信に用いられる光受信装置において、フォトダイオード等で受光した光信号は、トランスインピーダンス型の前置増幅器（ＴＩＡ）を経て、差動（電圧）信号という形で出力される。この差動信号は、さらに、差動増幅器を用いた高利得の飽和増幅器（リミティングアンプとも言う）で増幅して所定の出力とされる。差動信号を増幅する場合、入力段部分でのミスマッチや製造上のバラツキ等によるＤＣ電圧のずれ（ＤＣオフセット）が生じる。
【０００３】
飽和増幅器は、数１０ｍＶの入力振幅であっても、出力振幅が飽和（リミット）するように高い利得で使用されるように設計されている。このため、小さなＤＣオフセットがあっても、飽和により正常な増幅ができなくなるので、通常は、ＤＣオフセットをキャンセルする自動オフセットキャンセル回路（Ａｕｔｏ  Ｏｆｆｓｅｔ  Ｃａｎｓｅｌｌｅｒ：以下ＡＯＣという）を備えている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。ＡＯＣ回路は、飽和増幅部の利得と帰還部の利得を含む一巡伝達利得（ループゲイン）によって、ループ内のオフセットをループゲイン分の１程度にすることができる。このため、一般的には、ループゲインは高い方が望ましいとされる。
【０００４】
図７（Ａ）は、特許文献１に開示の光受信装置の一例を示し、信号光をフォトダイオード１０１で受光して電流信号に変換し、この電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ１０２と、この電圧信号を増幅する前置増幅器（バッファアンプ）１０３とを備えている。後段の飽和増幅部１０６とは、容量素子１０４ａ，１０４ｂと入力インピーダンスを規定する抵抗素子１０５を介して結合される。飽和増幅部１０６は、複数の差動増幅器を多段に配してなり、受信信号監視回路１０７およびＤＣオフセットを除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０８を備えている。
【０００５】
受信信号監視回路１０７は、例えば、ピーク検出部１０７ａ，１０７ｃ、閾値電圧発生部１０７ｂ、コンパレータ１０７ｄからなり、受信信号レベルが所定値以下となったときにアラーム信号を出力するものである。
ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０８は、飽和増幅部１０６を構成する複数の差動増幅器の途中から取り出した増幅出力のうち、ＤＣオフセット成分のみを飽和増幅部１０６の入力側に帰還させるもので、増幅経路中に生じるＤＣオフセット成分を除去する。
【０００６】
また、図７（Ｂ）は、特許文献２に開示のＤＣオフセットの除去回路を示し、入力端子Ａ，Ｂに入力された信号は、入力部１１０を経て差動増幅器からなるリミット増幅器１１１に入力される。リミット増幅器１１１で増幅された信号は、出力端子Ｃ，Ｄから出力されると共に、オフセット検出器１１２を介して電流帰還を含む入力部１１０に帰還させている。オフセット検出器１１２には、増幅器１１４と、抵抗１１５，１１６および帰還キャパシタ１１７，１１８からなるミラー積分回路とを備えた帰還増幅回路を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−６０１１９号公報
【特許文献２】米国特許第５７９８６６４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記文献１，２に開示のＤＣオフセット除去（ＡＯＣ）回路は、いずれも数ｍＶ程度の小さい入力信号に対しては飽和増幅部が線形動作をするため、ＤＣオフセットを補正し、波形歪や伝送特性劣化を改善する。しかし、数１０ｍＶ程度の大きい入力信号に対しては、飽和増幅部は飽和し始め利得が低下してくると、ＤＣオフセットの抑圧性能が低下する。特に低ビットレートでは、遷移時間がビット長に比べて短くなるため、ＤＣオフセットが検出しにくくなる。
【０００９】
この結果、本来キャンセルすべきＤＣオフセットの除去能力が低下し、帰還部の入力にオフセットがあると、本来飽和増幅部の入力側に帰還させるオフセット量よりも、大きな意図しないオフセット量が帰還されることがある。このような意図しないオフセットがあると、飽和増幅器の出力波形のクロス点がシフトしたりして、伝送特性を悪化させると言う問題があった。
【００１０】
図６は、上述したＤＣオフセット抑圧の原理を説明する模式図で、飽和増幅器１２１は利得ＧＦを有し入力にオフセットＶｏ１を持ち、帰還増幅器１２２は利得ＧＢを有し入力にＶｏ２を持っている。入力信号をＶｉｎ、出力信号をＶｏｕｔとすると、この場合の状態を数式で表わすと以下のようになる。
Ｖｏｕｔ＝ＧＦ（Ｖｉｎ＋Ｖｏ１−Ｖｏ２・ＧＢ）／（１＋ＧＢ・ＧＦ）
ここで、入力信号がなく（Ｖｉｎ＝０）、オフセットのみがあると想定すると、
Ｖｏｕｔ＝ＧＦ（Ｖｏ１−Ｖｏ２・ＧＢ）／（１＋ＧＢ・ＧＦ）
＝Ｖｏ１・ＧＦ／（１＋ＧＢ・ＧＦ）−Ｖｏ２・ＧＢ・ＧＦ／（１＋ＧＢ・ＧＦ）
となる。
【００１１】
そして、飽和増幅器１２１の入力オフセットＶｏ１＝０とし、飽和増幅器１２１の利得ＧＦと帰還増幅器１２２の利得ＧＢが十分大きいとすれば、
Ｖｏｕｔ≒−Ｖｏ２
となる。これを、入力オフセットＶin offsetに換算すると、Ｖｏｕｔの「１／ＧＦ」となるので、
Ｖin offset＝−Ｖｏ２／ＧＦ
で表わすことができる。
【００１２】
ここで、飽和増幅器１２１の利得ＧＦが、大きな振幅の信号入力により飽和して小さくなり、仮に「ＧＦ＝１」になったとすると、上記の説明から帰還増幅器１２２に入力されるオフセットＶｏ２が、そのまま飽和増幅器１２１の入力に現れるようになる。後述するように、特に伝送速度の低い信号を飽和増幅する場合、ビット長のほとんどが飽和状態（ＤＣ利得がなくなる）となっているため、飽和増幅器１２１の利得ＧＦがより低下することとなり、伝送速度による依存性が生じるようになる。
【００１３】
この結果、飽和増幅器１２１の利得ＧＦの低下により、少なくともオフセットＶｏ２が入力側に印加され、正しいオフセットキャンセルが行なわれなくなる。特にＣＭＯＳ回路を用いた集積回路では、帰還増幅器１２２自身でのオフセットが数１０ｍＶになることがあり、条件によっては、飽和増幅器１２１に入力されるオフセットＶｏ１以上のＤＣオフセットを発生して帰還することがある。この場合は、飽和増幅器１２１の入力に過大のオフセットが加わって、信号伝送特性を悪化させる。
【００１４】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、小さい振幅の入力信号に対しては、飽和増幅部が有するＤＣオフセットをキャンセルし、大きい振幅の入力信号に対しては、オフセットの帰還量を制限して飽和増幅出力の品質低下を抑制することが可能な飽和増幅回路の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明による飽和増幅回路は、ＤＣオフセットをキャンセルするためのオフセットキャンセル回路を備えた多段の差動増幅器からなる飽和増幅回路であって、オフセットキャンセル回路は、所定量以上の帰還が生じないように設定されたクランプ回路を備えていることを特徴とする。
また、差動増幅器への入力信号の振幅を判定するレベル判定回路を有し、該レベル判定回路によりクランプ回路のクランプレベルを設定するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、飽和増幅部への入力信号が小さいときは、飽和増幅部におけるＤＣオフセットを完全にキャンセルして高利得で高品質の出力波形を出力させることができる。飽和増幅部への入力信号が大きいときは、オフセットキャンセル回路の帰還量を制限することで、飽和増幅部に過大なＤＣオフセットが加えられるのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態の一例を説明する図である。
【図２】本発明による作用効果を説明する図である。
【図３】飽和増幅の出力オフセットと伝送速度との関係を説明する図である。
【図４】クランプ回路有り、無し、による出力波形の状態を示す図である。
【図５】クランプ回路有り、無し、による符号誤り率を示す図である。
【図６】本発明の課題を説明する図である。
【図７】従来技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１により本発明の概略を説明する。図中、１０は入力終端部、１１は飽和増幅部、１２はオフセットキャンセル（ＡＯＣ）部、１３は帰還増幅器、１４は積分器、１５はクランプ回路、１６は入力レベル判定部を示す。
【００１９】
本発明による飽和増幅回路は、例えば、図７（Ａ）で説明したような光受信装置に用いることができる。入力端子ＩＮＰ，ＩＮＮには、光受信装置のフォトダイオードで受光した光信号を電流信号に変換し、この電流信号をトランスインピーダンスアンプからなる前置増幅回路で電圧信号に変換し、結合コンデンサ等を経て、その差動信号が入力される。入力端子ＩＮＰ，ＩＮＮに入力された入力信号は、入力終端部１０を経て、次段の飽和増幅部１１で増幅され、出力端子ＯＵＴＰ，ＯＵＴＮから外部回路に出力される。
【００２０】
入力終端部１０は、入力インピーダンスを規定する抵抗素子、オフセットキャンッセル部からの信号成分を入力信号に合算する減算器等を配して構成される。入力終端部１０からの出力信号は、多段に配された差動増幅器１１ａ〜１１ｎからなる飽和増幅部１１で飽和増幅される。終端側の任意の差動増幅器（例えば、ｍ段目）から増幅出力が取り出され、オフセットキャンセル部（以下、ＡＯＣ部）１２の帰還増幅器１３に入力される。
【００２１】
ＡＯＣ部１２は、例えば、差動増幅器を用いた帰還増幅器１３，積分器１４およびクランプ回路１５とからなる。帰還増幅器１３には、飽和増幅部１１の任意の位置から出力された出力オフセットＶｏ２が入力され、所定の利得で増幅される。積分器１４は、ローパスフィルタを形成し、帰還増幅器１３から出力を平均化して直流成分（ＤＣ成分）のみを透過させる。積分器１４を透過した帰還用のオフセット成分は、クランプ回路１５により所定値以下に制限される。なお、クランプ回路１５は、ダイオードによるクランプ回路でもよく、差動増幅器のスイッチ特性を用いたものであってもよい。
【００２２】
上記のＡＯＣ部１２では、飽和増幅部１１の出力信号から信号中に含まれるＤＣオフセット成分をキャンセルするオフセット成分を増幅生成し、そのＤＣ成分を所定値以下に制限して出力する。この出力は入力終端部１０に帰還して入力され、入力端子ＩＮＰ，ＩＮＮに入力された入力信号と合算（減算）される。
【００２３】
入力端子ＩＮＰ，ＩＮＮに入力される信号の振幅が比較的に小さい小信号入力時には、飽和増幅部１１が飽和せず線形動作し、ＡＯＣ部１２で増幅生成されたキャンセル用のオフセットは、飽和増幅部の入力側にそのまま負帰還される。この結果、飽和増幅部１１等の伝送経路中で生じたＤＣオフセット成分は、負帰還されたキャンセル用のオフセットによりキャンセルないしは抑制されて、入力信号を高利得、高品質で増幅し、安定した出力波形で伝送することができる。
【００２４】
一方、入力端子ＩＮＰ，ＩＮＮに入力される信号の振幅が大きい大信号入力時（少信号入力時以外）には、ＡＯＣ部１２のクランプ回路１５により、所定値以上のキャンセル用のオフセットが帰還されないように制限される。すなわち、上記の小信号入力時のＤＣオフセット程度はキャンセルするが、それ以上のＤＣオフセットはキャンセルされない。この結果、所定値以上のＤＣオフセットが飽和増幅部１１に入力されることもなくなる。
【００２５】
なお、クランプ回路１５のクランプレベルは、通常、飽和増幅器に備えられている入力レベル判定回路１６を用いて設定するようにしてもよい。これにより、クランプ回路のクランプレベルを変更、選択することも可能となる。入力レベル判定部１６は、種々の形態で構成することができ、例えば、図７（Ａ）に示したような、増幅信号のピーク値を検出し、予め設定された閾値とコンパレータで比較する受信信号監視回路を用いることができる。入力信号レベルが所定値以上となったときにアラーム信号を出力し、該アラーム信号を用いてクランプ回路を制御すればよい。
【００２６】
上記のように飽和増幅回路を構成することにより、振幅の小さい入力信号に対しては、ＡＯＣ部１２により、ＤＣオフセットを効果的にキャンセルないしは抑制して、高利得で安定した増幅信号を出力することができる。そして、飽和増幅部の利得低下が生じるような振幅の大きい入力信号に対しては、ＡＯＣ部１２のクランプ回路１５により、所定値以上のオフセット量が飽和増幅部１１の入力側に帰還するのを抑制し、飽和増幅部の入力側に意図しない大きなオフセットが帰還されないようにすることができる。
【００２７】
図２は、上述した本発明による飽和増幅回路の評価結果を説明する図で、入力信号の振幅の大きさを変えた時のオフセット（ｍＶ）と伝送速度（周波数ＧＨｚ）との関係で示している。図の上段から順に、入力信号Ｖｉｎの振幅を「１０ｍＶｐｐｄ」、「３０ｍＶｐｐｄ」、「６０ｍＶｐｐｄ」と変え、左列の図は図６で説明した飽和増幅器に印加される入力オフセット（Ｖｏ１）と伝送速度の関係を示すものであり、右列の図は同増幅器から出力され帰還増幅器に入力される出力オフセット（Ｖｏ２）と伝送速度との関係を示すものである。また、ラインＹは、クランプ回路無しのときのオフセット特性を示し、ラインＸはクランプ回路有りのときのオフセット特性を示す。なお、この測定値は、図６の帰還増幅器が持つオフセットＶｏ２を−１０ｍＶ、飽和増幅部が持つ入力オフセットＶｏ１を−１ｍＶとした場合に相当するものである。
【００２８】
まず、上段の小信号入力振幅が「１０ｍＶｐｐｄ」の場合は、入力側のオフセットは小さく、飽和増幅部は飽和しておらず十分な利得を持っているので、クランプ回路無しの場合は入力オフセットＶｏ１が完全にキャンセルされる。また、出力オフセットＶｏ２は、入力オフセットＶｏ１が完全にキャンセルされているので、クランプ回路無しのときは−１０ｍＶ程度で伝送速度に関係なく一定となる。しかし、クランプ回路有りとすると、入力オフセットＶｏ１は、クランプ回路無しの場合と同様に一定であるが、出力オフセットＶｏ２は、所定値以上のオフセットは帰還されず、飽和増幅部の利得により増幅され大きくなる。また、伝送速度依存性が表れる。
【００２９】
信号入力振幅が「３０ｍＶｐｐｄ」と、多少大きくなると、飽和増幅部の利得が飽和により低下し始める。クランプ回路無しのときは、高い伝送速度では利得が高く飽和していないため、入力オフセットＶｏ１はキャンセルされゼロに近いが、伝送速度を低下させると後述するようにＤＣオフセットの検出が不正確となり、帰還されるオフセット量が大きくなって、入力オフセットＶｏ１が大きくなる。出力オフセットＶｏ２は、Ｖｏ２相当の−１０ｍＶに収束している。
【００３０】
一方、クランプ回路有りでは、入力オフセットＶｏ１が完全にはキャンセル制御されないので、伝送速度に依らずほぼ一定となっている。また、飽和増幅部は、信号入力振幅の増加で飽和状態近くになっているので、相対的にオフセット成分が無視し得る程度に低下し、クランプ回路によりＡＯＣが実質的には機能していないので、出力オフセットＶｏ２は伝送速度に依らず、ほぼ０ｍＶとなっている。
【００３１】
信号入力振幅が「６０ｍＶｐｐｄ」と、さらに大きくなると、クランプ回路無しの場合は、伝送速度が低い状態では入力オフセットＶｏ１が、「３０ｍＶｐｐｄ」の場合と比べて、さらに大きくなるが、出力オフセットＶｏ２は、同様にＶｏ２相当の−１０ｍＶ位に収束している。
【００３２】
一方、クランプ回路有りとした場合は、入力オフセットＶｏ１が所定値以上はキャンセル制御されないので、伝送速度に依らずほぼ一定となっている。また、飽和増幅部は、信号入力振幅の増加で飽和状態となり、オフセット成分の比率は相対的に小さくなって無視することができ、ＡＯＣを必要としない状態となる。したがって、クランプ回路により実質的にＡＯＣ無効としても、入力オフセットＶｏ１は伝送速度に依らず一定とされ、また、出力オフセットＶｏ２もゼロ近くで伝送速度に依らず、ほぼ一定とすることができる。
【００３３】
図３は、上述した入力信号の伝送速度と飽和増幅部との関係を説明する図で、出力オフセットＶｏ２と、アイパターンおよびデューティ比の関係を示している。飽和増幅器の出力波形の立上がりと立下りは同じで、その遷移時間をΔｔとし、１ビットの時間をＴ、飽和増幅器の出力振幅をＶｏｕｔ、出力波形のデューティ比をＤとすると、出力オフセットＶｏ２との関係は、
Ｖｏ２＝（Δｔ／Ｔ）×（１／２−Ｄ）×Ｖｏｕｔ
で表すことができる。
【００３４】
この結果、Ｖｏ２を一定とすると、伝送速度が遅いほど、つまり、１ビットの時間Ｔが大きいほど、出力波形のデューティ比Ｄがずれてしまう。言い換えると、出力波形のデューティ比Ｄを５０％からずらすには入力オフセットを与える必要がある。このため、特に伝送速度が低く、遷移時間Δｔと１ビット時間Ｔとの比が大きくなった場合に、ＡＯＣ部が入力側に不必要なオフセットを印加し、信号伝送特性を悪化させてしまうことになる。
【００３５】
次に、クランプ回路無しとクランプ回路有りとする制御の効果を、図４に示すアイパターンと、図５に示すＢＥＲ（伝送誤り率）特性で確認してみる。図４（Ａ）は、クランプ回路無しとしたときの出力波形（アイパターン）の信号伝送速度依存性を示し、伝送速度１０Ｇｂ／ｓで光入力レベルＰｉｎ＝−２０ｄＢｍの場合、飽和増幅器の出力はノイジーであるが、「０」と「１」レベル側のノイズ量はほぼ同じとなっている。一方、伝送速度が１Ｇｂ／ｓの場合は、「１」レベル側の雑音が増加している。これは、出力オフセットＶｏ２が、飽和増幅器の利得低下により、入力側に帰還増幅する際に、「０」レベルと「１」レベルのセンターを中心に増幅できなくなることによる。
【００３６】
これに対し、図４（Ｂ）は、クランプ回路有りとしたときの出力波形（アイパターン）を示し、伝送速度１Ｇｂ／ｓにおける雑音は観測されなくなり、「０」レベルと「１」レベルのノイズ量はほぼ同じとなる。Ｐｉｎ＝−１０ｄＢｍの場合、飽和増幅器の出力のクロス点は、クランプ回路無しの場合、両レートとも上昇している。一方、クランプ回路有りにすると、クロス点は、両レート共にほぼセンター付近に位置することとなる。
【００３７】
図５は、図４と同じサンプルによるＢＥＲ（伝送誤り率）特性を示したもので、図５（Ａ）は１０Ｇｂ／ｓにおける特性、図５（Ｂ）は１Ｇｂ／ｓにおける特性である。ラインＹがクランプ回路無しの場合で、ラインＸがクランプ回路有りの場合を示している。図５（Ａ）に示す１０Ｇｂ／ｓの場合は、感度差は０.３ｄＢ位であるが、クランプ回路無しの方が良好な最小受信感度が得られている。一方、図５（Ｂ）に示す１Ｇｂ／ｓの場合は、クランプ回路無しとすると伝送特性が悪化している。これは、図４（Ａ）で示したノイズの影響である。
【００３８】
他方、クランプ回路有りとすることで、１０Ｇｂ／ｓの場合と逆に伝送特性がよくなっている。したがって、図１で説明したように、振幅の大きい入力信号のときはクランプ回路により、伝送速度が低い信号の飽和増幅に対しては利得低下による伝送特性の低下が抑えられ、伝送速度依存性をなくすことができる。この結果、低速伝送から高速伝送まで伝送特性が悪化しない光通信用の飽和増幅器を実現することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０…入力終端部、１１…飽和増幅部、１２…オフセットキャンセル（ＡＯＣ）部、１３…帰還増幅器、１４…積分器、１５…クランプ回路、１６…入力レベル判定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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