(57)【要約】【課題】利得周波数特性が広帯域で高速動作が可能であり、チップサイズの小さなトランスインピーダンスアンプを提供する。【解決手段】光信号電流を受信し電圧信号を出力するトランスインピーダンスアンプにおいて、ソース接地増幅回路１と、ソースフォロワ回路２と、負帰還抵抗ＲL２１と、誘導結合性を有する少なくとも２つのインダクタとを備えた。【選択図】図１
2011029872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号から変換された電流信号を受信し電圧信号を出力するトランスインピーダンスアンプにおいて、
ソース接地増幅回路と、ソースフォロワ回路と、負帰還抵抗と、誘導結合性を有する少なくとも２つのインダクタとを備える
ことを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
【請求項２】
前記インダクタは、前記ソース接地増幅回路の負荷インピーダンスを構成する第１のインダクタと、前記負帰還抵抗と直列に接続された第２のインダクタである
ことを特徴とする請求項１に記載のトランスインピーダンスアンプ。
【請求項３】
前記インダクタは、前記ソース接地増幅回路の負荷インピーダンスを構成する第１のインダクタと、前記ソース接地増幅回路の出力端子と前記ソースフォロワ回路の入力端子とを接続する第２のインダクタである
ことを特徴とする請求項１に記載のトランスインピーダンスアンプ。
【請求項４】
前記第１のインダクタと前記第２のインダクタをスパイラル型インダクタで構成し、該第１のインダクタと該第２のインダクタを重ね合わせることにより誘導結合させる
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のトランスインピーダンスアンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランスインピーダンスアンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信技術の進展とともに伝送されるデータ量が飛躍的に増大しており、伝送装置の大容量化が求められている。この大容量化を実現するために、光受信器の高速化が求められている。
【０００３】
図９は、一般的な光通信における光電変換を行う光受信器の構成を示した模式図である。
図９に示すように、一般的に光受信器は、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）１００と、フォトディテクタ（ＰＤ）１０３と、入力寄生容量１０４とにより構成されている。そして、トランスインピーダンスアンプ１００は、負帰還抵抗ＲF１０１と、第１の増幅回路１０２とにより構成されている。
【０００４】
この従来の光受信器は、光信号Ｌinをフォトディテクタ１０３で受信し、光信号Ｌinを電流信号Ｉinに変換し、さらにトランスインピーダンスアンプ１０１はこの電流信号Ｉinを受信及び増幅し、後段の回路が受信可能な振幅の電圧信号Ｖoutに変換するものである。そして、トランスインピーダンスアンプ１００において受信可能なデータの高速化を実現するためには、利得周波数特性の広帯域化が必須である。
【０００５】
ところで、トランスインピーダンスアンプ１００の帯域を制限する要因は、第１にフォトディテクタ１０３等の入力寄生容量１０４とトランスインピーダンスアンプ１００の入力インピーダンスによる入力回路の周波数特性に起因するもの、第２にトランスインピーダンスアンプ１００を構成する構成回路の周波数特性に起因するもの、その他に、トランスインピーダンスアンプ１００の出力回路の周波数特性に起因するものとがある。
【０００６】
はじめに、第１の要因である入力回路の周波数特性に起因する帯域制限について説明する。
トランスインピーダンスアンプ１００のインピーダンス変換利得Ｚtは、下記式（１）のように与えられる。
【数１】
2011029872.tif 000003
ここで、ＲFは負帰還抵抗、Ｃinはフォトディテクタ１０３等の入力寄生容量１０４、Ａoは増幅回路のオープンループ利得である。
【０００７】
上記式（１）から、Ｚtが１／√２になる３ｄＢ帯域ｆ3dBは、下記式（２）のように求められる。
【数２】
2011029872.tif 000004
【０００８】
次に、第２の要因であるトランスインピーダンスアンプ１００を構成する構成回路の周波数特性に起因する帯域制限について説明する。
図１０は、第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
図１０に示すように、第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプ１００は、負荷抵抗ＲL１０６とトランジスタＭ1１０７とソース抵抗ＲS１１０とからなるソース接地増幅回路（ｃｏｍｍｏｎ‐ｓｏｕｒｃｅ  ａｍｐ．）１０５と、負帰還抵抗ＲF１０１と、トランジスタＭ2１０８とトランジスタＭ3１０９とからなるソースフォロワ回路（Ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｌｌｏｗｅｒ）１０６とにより構成されている。なお、図１０中において、Ｉinは電流信号、Ｖoutは電圧信号、ＶＤＤはドレイン側電源、ＶＳＳはソース側電源、ＶCSはコンスタントソース電圧を示している。
【０００９】
このように、第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプ１００は、主にソース接地増幅回路１０５と、ソースフォロワ回路１０６とにより構成されるが、入力寄生容量Ｃin１０４及び帰還抵抗ＲF１０１により帯域が制限される。そして、高速動作においては、この入力寄生容量Ｃin１０４による帯域制限を無視できなくなるため、周波数特性を改善することが困難であった。ここで、図１０に示す第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプ１００における周波数特性の例を図１１に示す。
【００１０】
そこで、従来、トランスインピーダンスアンプ１００の帯域を改善する手段としてインダクタを挿入するインダクティブピーキングが用いられている。
図１２は、第２の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
図１２に示すように、第２の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプは、負荷抵抗ＲL１０６に直列にインダクタＬL１２０を接続することにより構成されている。なお、第２の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプは上述した構成以外は第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプと同様の構成である。
【００１１】
また、図１３は、第３の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
図１３に示すように、第３の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプは、負荷抵抗ＲL１０６に直列に第１のインダクタＬL１２０を接続し、さらにソース接地増幅回路の出力端子とソースフォロワ回路の入力端子との間に第２のインダクタＬS１３０を接続することにより構成されている。なお、第３の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプは上述した構成以外は第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプと同様の構成である。
【００１２】
図１２，１３に示すように、負荷抵抗ＲL１０６に直列にインダクタＬL１２０を接続することにより、高周波での負荷インピーダンスを補うとともに、寄生容量による帯域劣化を補い、図１０に示した第１の従来例に係る従来のトランスインピーダンスアンプ１００に対して、２倍程度の帯域改善が可能である。
【００１３】
図１４は、第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプと第２の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプにおける周波数特性の例を示した図である。なお、図１４中において、破線は第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプの周波数特性の例を示し、実線は第２の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプの周波数特性の例を示す。
【００１４】
図１４より、第２の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプは、インダクティブピーキングを用いることにより、第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプに比べ、２倍程度の広帯域化が可能であることが分かる。
【００１５】
しかしながら、インダクティブピーキングに用いられるインダクタの大きさは、トランジスタの大きさに比べ面積が極めて大きく、一つのインダクタの面積がトランジスタの面積のおよそ５０倍以上の面積を占めてしまうという問題がある。特に、インダクタを２個以上用いるようなインダクティブピーキングにおいて、この問題は顕著である。ここで、従来の２つのインダクタの物理的なレイアウト例を示した模式図を図１５に示す。なお、図１５においては、２つのスパイラル型インダクタ１４０がトランスインピーダンスアンプのコア１４１と接続されている。
【００１６】
また、インダクタと比べてトランジスタや抵抗の大きさが極端に異なることから、トランジスタや抵抗で構成される回路部分とインダクタとをつなぐ配線が長くなり、配線に起因する寄生容量や寄生抵抗や寄生インダクタによる悪影響も問題となる。
【００１７】
すなわち、トランジスタや抵抗からなる第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプや、第２，３の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプでは、更なる広帯域化が困難であるという問題があった。
【００１８】
さらに、インダクタの素子サイズはトランジスタや抵抗に比べ、極めて大きいため、特に、従来の複数のインダクタによるインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプでは、インダクタの素子サイズが大きくなってしまいコスト高になるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００４−２７４４６３号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Ｃｈａｏ‐Ｙｕｎｇ  Ｗａｎｇ、外２名、“Ａｎ  １８‐ｍＷ  Ｔｗｏ‐Ｓｔａｇｅ  ＣＭＯＳ  Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｆｏｒ  １０  Ｇｂ／ｓ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ”、ＩＥＥＥ  Ａｓｉａｎ  Ｓｏｌｉｄ‐Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２００７年１１月１２−１４日、ｐ．４１２−４１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上述したように、第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプや第２，３の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプでは、広帯域化が困難であるという問題があった。さらに、従来の複数のインダクタによるインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプでは、チップサイズが大きくなってしまうという問題があった。
【００２２】
以上のことから、本発明は、利得周波数特性が広帯域で高速動作が可能であり、チップサイズの小さなトランスインピーダンスアンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の課題を解決する第１の発明に係るトランスインピーダンスアンプは、
光信号から変換された電流信号を受信し電圧信号を出力するトランスインピーダンスアンプにおいて、
ソース接地増幅回路と、ソースフォロワ回路と、負帰還抵抗と、誘導結合性を有する少なくとも２つのインダクタとを備える
ことを特徴とする。
【００２４】
上記の課題を解決する第２の発明に係るトランスインピーダンスアンプは、第１の発明に係るトランスインピーダンスアンプにおいて、
前記インダクタは、前記ソース接地増幅回路の負荷インピーダンスを構成する第１のインダクタと、前記負帰還抵抗と直列に接続された第２のインダクタである
ことを特徴とする。
【００２５】
上記の課題を解決する第３の発明に係るトランスインピーダンスアンプは、第１の発明に係るトランスインピーダンスアンプにおいて、
前記インダクタは、前記ソース接地増幅回路の負荷インピーダンスを構成する第１のインダクタと、前記ソース接地増幅回路の出力端子と前記ソースフォロワ回路の入力端子とを接続する第２のインダクタである
ことを特徴とする。
【００２６】
上記の課題を解決する第４の発明に係るトランスインピーダンスアンプは、第２の発明又は第３の発明に係るトランスインピーダンスアンプにおいて、
前記第１のインダクタと前記第２のインダクタをスパイラル型インダクタで構成し、該第１のインダクタと該第２のインダクタを重ね合わせることにより誘導結合させる
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、利得周波数特性が広帯域で高速動作が可能であり、チップサイズの小さなトランスインピーダンスアンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
【図２】２つのインダクタの物理的なレイアウト例を示した模式図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係るトランスインピーダンスアンプにおけるインピーダンス変換利得の周波数特性を示した図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの他の構成を示した模式図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの他の構成を示した模式図である。
【図８】ＭＯＳＦＥＴのゲート端子にインダクタを接続した回路を示した模式図である。
【図９】一般的な光通信における光電変換を行う光受信器の構成を示した模式図である。
【図１０】第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
【図１１】第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプにおける周波数特性の例を示した図である。
【図１２】第２の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
【図１３】第３の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
【図１４】第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプと第２，３の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプにおける周波数特性の例を示した図である。
【図１５】従来の２つのインダクタの物理的なレイアウト例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明に係るトランスインピーダンスアンプを実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
はじめに、本発明に係るトランスインピーダンスアンプの動作原理について説明する。
本発明に係るトランスインピーダンスアンプは、光信号から変換された電流信号を受信し電圧信号を出力するトランスインピーダンスアンプにおいて、ソース接地回路と、ソースフォロワ回路と、負帰還抵抗からトランスインピーダンスアンプを構成し、誘導結合性を有する２つのインダクタ、又は２つ以上のインダクタを備えることにより、利得周波数特性の広帯域化を可能とした。
【００３１】
また、上記トランスインピーダンスアンプにおいて、ソース接地回路の負荷インピーダンスを構成する第１のインダクタと、負帰還抵抗と直列に接続された第２のインダクタを備え、第１のインダクタと第２のインダクタが誘導結合性を備える構成とした。
【００３２】
さらに、上記ソース接地回路の負荷インピーダンスを構成する第１のインダクタと、ソース接地回路の出力端子とソースフォロワ回路の入力端子を接続する第２のインダクタを備え、第１のインダクタと第２のインダクタが誘導結合性を備える構成とした。
【００３３】
したがって、本発明に係るトランスインピーダンスアンプによれば、上記誘導結合性を有する２つのインダクタにより、チップサイズの増加を最小限に抑え利得周波数特性を広帯域化することができる。
【００３４】
上述したように、光受信器は、フォトディテクタに入力した光信号をフォトディテクタにおいて電流信号に変換したのち、トランスインピーダンスアンプは電圧信号に対してインピーダンス変換を行う。トランスインピーダンスアンプの帯域は上述したように、主に入力回路の周波数特性により制限され、下記式（３）のように表すことができる。
【数３】
2011029872.tif 000005
ここで、ＲFは負帰還抵抗、Ｃinはフォトディテクタ等の入力寄生容量、Ａoは増幅回路のオープンループ利得である。
上記式（３）より、トランスインピーダンスアンプのオープンループ利得Ａoを大きくすると、３ｄＢダウンの周波数帯域ｆ3dBも大きくすることができることが分かる。
【００３５】
また、オープンループ利得Ａoは、トランジスタのトランスコンダクタンスｇmと、負荷インピーダンスＺLにより簡易的に、下記式（４）のように表すことができる。
【数４】
2011029872.tif 000006
【００３６】
ここで、負荷を抵抗ＲLとインダクタＬLとにより構成するインダクティブピーキングの場合、下記式（５）のように表すことができる。
【数５】
2011029872.tif 000007
トランジスタのトランスコンダクタンスｇmは周波数特性を持つため、高周波で劣化し帯域に制限がかかるが、上記式（５）のようにインダクタＬLを追加することにより、インダクティブピーキングでは高周波でこの劣化を補うことが可能である。
【００３７】
さらに、複数のインダクタを用いたインダクティブピーキングにおいて、各々のインダクタを誘導結合することにより、誘導電流が流れそれぞれのインダクタの動作電流を補助する役割を果たし、それぞれのインダクタが独立している従来のインダクティブピーキングよりも高い帯域改善の効果を得ることができる。
【００３８】
次に、誘導結合性を有するインダクタを用いたトランスインピーダンスアンプにおける広帯域化について説明する。
インダクタは巻線から形成され、巻線に流れる電流が変化すると、巻線を貫く磁束が変化し、その磁束によって磁束の変化を打ち消す方向に誘導起電力が発生する。Ｌを自己インダクタンス、Ｉをインダクタに流れる電流とすると、誘導起電力ｅの大きさは、下記式（６）のようになる。
【数６】
2011029872.tif 000008
磁気的に結合された２つの巻線の一方の電流Ｉ1を変化させると、もう一方の巻線に誘導起電力が生じる。その大きさｅ2は、下記式（７）のようになる。
【数７】
2011029872.tif 000009
【００３９】
ここで、相互インダクタンスＭは、下記式（８）で表される。
【数８】
2011029872.tif 000010
ここで、ｋは結合係数、Ｌ1は第１のインダクタの自己インダクタンス、Ｌ2は第２のインダクタの自己インダクタンスである。そして、上述した誘導結合性を有するインダクタを用いることにより、以下に示すようにトランスインピーダンスアンプの周波数特性を改善できる。
【００４０】
第１に、トランスインピーダンスアンプにおいて、ソース接地回路の負荷に誘導結合性を有するインダクタを用いることにより、以下に示すように開ループ利得Ａoを高周波で改善することができる。
【００４１】
誘導結合性を有するインダクタがない従来のトランスインピーダンスアンプでは、開ループ利得Ａoは上述したように、下記式（９）のように与えられる。
【数９】
2011029872.tif 000011
【００４２】
一方、相互インダクタンスＭを用いた本発明に係るトランスインピーダンスアンプでは、開ループ利得Ａoは、下記式（１０）のようになる。
【数１０】
2011029872.tif 000012
上記式（１０）に示すように、インダクタＬLにｋＭが加算されるため高周波で開ループ利得Ａoは大きくなる。先に示したようにトランスインピーダンスアンプにおいて、開ループ利得Ａoが大きいと入力インピーダンスが低減さるため、トランスインピーダンスアンプの帯域向上効果が得られる。
【００４３】
第２に、負帰還抵抗ＲFに誘導結合性を有するインダクタを用いることにより、以下に示すようにトランスインピーダンスアンプの広帯域化が可能である。
インダクタを負帰還ループに接続したトランスインピーダンスアンプのインピーダンス変換利得Ｚtは、下記式（１１）のように表される。
【数１１】
2011029872.tif 000013
ここで、αは周波数帯域を決める極である。一方、相互インダクタンスＭを用いた本発明に係るトランスインピーダンスアンプにおいては、Ｚtは、下記式（１２）のように表される。
【数１２】
2011029872.tif 000014
すなわち、負帰還ループ部のインダクタＬfにｋＭが加算されるため、利得が低下する高周波で負帰還抵抗ＲFが大きくなり、トランスインピーダンスアンプの帯域向上効果が得られる。
【００４４】
第３に、ソース接地回路とソースフォロワ回路を接続する第３のインダクタに誘導結合性を有するインダクタを用いることにより、以下に示すようにトランスインピーダンスの広帯域化が可能である。
【００４５】
大入力信号を受信するトランスインピーダンスアンプでは、大きな信号電流を流すためにソースフォロワ回路においてサイズの大きなトランジスタを用いるが、サイズが大きいと寄生容量による帯域劣化の影響を受ける。ソース接地回路の出力端子とソースフォロワ回路の入力端子間にスプリット・インダクタを接続することにより、寄生容量による帯域劣化を改善することができる。
【００４６】
図８は、ＭＯＳＦＥＴのゲート端子にインダクタを接続した回路を示した模式図である。なお、図８（ａ）はトランジスタのゲート−ソース間の寄生容量Ｃgsとゲート−ドレイン間の寄生容量Ｃgdを示した図、図８（ｂ）はトランジスタの等価入力抵抗Ｒin、上記寄生容量からなる等価入力容量Ｃinとし、トランジスタのゲート端子にインダクタＬSが接続された等価回路を示した図である。
【００４７】
ソースフォロワ回路の入力インピーダンスＺinは簡易的に、下記式（１３）のように表される。
【数１３】
2011029872.tif 000015
すなわち、トランジスタの寄生容量により高周波では、ソースフォロワ回路の入力インピーダンスが小さくなってしまい信号伝達帯域が劣化する。
【００４８】
一方、上記式（１３）において、入力にインダクタを直列接続することにより、下記式（１４）のように表すことができる。
【数１４】
2011029872.tif 000016
すなわち、ソースフォロワ回路の入力インピーダンスＺinの高周波での劣化を改善することができ、トランスインピーダンスアンプの帯域向上効果が得られる。
【００４９】
さらに、誘導結合性を有するインダクタは従来のインダクタ１個分の面積内に複数のインダクタを構成することができるため、面積も従来のトランスインピーダンスアンプの半分以下にすることができる。
【００５０】
したがって、本発明に係るトランスインピーダンスアンプによれば、従来のトランスインピーダンスアンプではトランジスタの性能により制限され改善することができなかった利得周波数特性を大きく改善することができる。
【００５１】
さらに、複数のインダクタを用いた場合であってもチップ面積をほぼ同等とすることができる。これにより、低コストで高速動作可能なトランスインピーダンスアンプを提供することができる。
【実施例１】
【００５２】
以下、本発明に係るトランスインピーダンスアンプの第１の実施例について説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。なお、図１（ａ）は本発明の第１の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの回路構成図、図１（ｂ）は本発明の第１の実施例に係るトランスインピーダンスアンプにおけるインピーダンス素子の構成例を示した図、図１（ｃ）は本発明の第１の実施例に係るトランスインピーダンスアンプにおける複数のインダクタが誘導結合した構成例を示した図である。
【００５３】
図１（ａ）に示すように、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプは、負荷となる第１のインピーダンスＺL１０と第１のトランジスタＭ1１３とソース抵抗ＲS１６とからなるソース接地増幅回路１と、第２のトランジスタＭ2１４と第３のトランジスタＭ3１５とからなるソースフォロワ回路２と、ソース接地増幅回路１の入力端子とソースフォロワ回路２の出力端子をつなぐ負帰還ループに負帰還の第２のインピーダンスＺF１１と、ソース接地増幅回路の出力端子とソースフォロワ回路２の入力端子とを接続する第３のインピーダンスＺS１２とにより構成されている。なお、図１（ａ）中において、Ｉinは電流信号、Ｖoutは電圧信号、ＶＤＤはドレイン側電源、ＶＳＳはソース側電源、ＶCSはコンスタントソース電圧を示している。
【００５４】
また、図１（ｂ）に示すように、第１のインピーダンスＺL１０、第２のインピーダンスＺF１１及び第３のインピーダンスＺS１２はそれぞれ抵抗Ｒ１７とインダクタＬ１８とにより構成されている。
【００５５】
さらに、これら第１のインピーダンスＺL１０、第２のインピーダンスＺF１１及び第３のインピーダンスＺS１２を構成するインダクタＬのうち、少なくとも２つ以上のインダクタＬが誘導結合されている。なお、図１（ｃ）においては、２つのインダクタＬを誘導結合した場合の構成例を示している。
【００５６】
図２は、２つのインダクタの物理的なレイアウト例を示した模式図である。なお、図２（ａ）は従来の誘導結合のない２つのインダクタの物理的なレイアウト例を示した図、図２（ｂ）は本発明に係る誘導結合のある２つのインダクタの物理的なレイアウト例を示した図である。また、図２（ｂ）中においては判別がしやすいように、第１のインダクタを実線で、第２のインダクタを破線で示している。
【００５７】
図２（ｂ）に示すように、２つのスパイラル型インダクタを巻き込みレイアウトすることにより、一方のインダクタに流れる電流が変化することにより磁束が変化し、もう一方のインダクタに誘導起電力が生じる。この誘導起電力による相互インダクタンスＭにより、トランスインピーダンスアンプの高周波特性を改善することができる。
【００５８】
また、トランスインピーダンスアンプに用いられているトランジスタのサイズは数ミクロン四方程度であるのに対し、インダクタは数百ミクロン四方程度と大きいため、２つのスパイラル型インダクタを結合させる本発明によれば、従来の２つのインダクタを用いる構成に対しほぼ面積を半分にすることができる。
【００５９】
なお、上述したスパイラル型インダクタは伝送線路を折り曲げたメアンダ型インダクタであってもよく、この場合はメアンダ型インダクタを近接することにより同様に誘導結合性を有するインダクタを得ることができる。
【００６０】
また、上述のトランスインピーダンスアンプを構成するトランジスタとして、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いた例を示したが、バイポーラトランジスタを用いても同じ効果を得ることができる。
【実施例２】
【００６１】
以下、本発明に係るトランスインピーダンスアンプの第２の実施例について説明する。
図３は、本発明の第２の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
【００６２】
図３に示すように、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプは、負荷抵抗ＲL２１と第１のトランジスタＭ1１３とソース抵抗ＲS１６とからなるソース接地増幅回路１と、第２のトランジスタＭ2１４と第３のトランジスタＭ3１５とからなるソースフォロワ回路２からなるトランスインピーダンスアンプにおいて、ソース接地増幅回路１の負荷抵抗ＲL２１と直列に第１のインダクタＬL２０が接続され、ソース接地増幅回路１の入力端子とソースフォロワ回路２の出力端子をつなぐ負帰還ループに負帰還抵抗ＲF２３と直列に第２のインダクタＬF２２が接続され、さらに、第１のインダクタＬL２０と第２のインダクタＬF２２が相互インダクタンスＭにより誘導結合されることにより構成されている。なお、図３中において、Ｉinは電流信号、Ｖoutは電圧信号、ＶＤＤはドレイン側電源、ＶＳＳはソース側電源、ＶCSはコンスタントソース電圧を示している。
【００６３】
ここで、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの動作例について説明する。
図４は、本発明の第２の実施例に係るトランスインピーダンスアンプにおけるインピーダンス変換利得の周波数特性を示した図である。なお、図４中において、実線は本実施例に係るトランスインピーダンスアンプのシミュレーション結果を示し、破線は図１０に示す第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプのシミュレーション結果を示し、一点鎖線は図１２に示す第２の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプのシミュレーション結果を示す。また、解析データは、Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社の回路シミュレータ“ＨＳＰＩＣＥ”によるシミュレーションにより取得したものである。
【００６４】
図４より、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプによれば、第１の従来例に係るトランスインピーダンスアンプに比べおよそ２倍、第２の従来例に係るインダクティブピーキングを用いたトランスインピーダンスアンプに比べおよそ１．５倍の広帯域な特性が得られていることが分かる。
【００６５】
上述したように、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプにおいては、トランスインピーダンスアンプ初段の負荷に負荷抵抗ＲL２１と第１のインダクタＬL２０を直列に接続し、負帰還ループに負帰還抵抗ＲF２３と直列に第２のインダクタＬF２２を接続し、この第１のインダクタＬL２０と第２のインダクタＬF２２を誘導結合している。
【００６６】
本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成により、トランスインピーダンスアンプに信号電流が入力されると、第２のインダクタＬF２２に電流が流れることにより、これに応じて誘導結合した第１のインダクタＬL２０に誘導起電力が発生し高周波で等価的に高インピーダンスとなる。
【００６７】
一方、第１のインダクタＬL２０に電流が流れることにより、これに応じて誘導結導した第２のインダクタＬF２２に誘導起電力が発生し高周波で等価的に負帰還抵抗ＲF２３が大きくなる。したがって、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成によれば、これらの相乗効果で周波数特性を改善することができる。
【００６８】
特に、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成においては、トランスインピーダンスアンプにおいて特有の利得帯域特性を決める要因である負荷インピーダンス部と負帰還インピーダンス部それぞれにインダクタを用い、これら２つのインダクタに誘導結合性を持たせたことを特徴としており、トランスインピーダンスアンプにおいて初めて有効な構成である。
【００６９】
なお、図３に示した本実施例における負荷抵抗ＲL２１と第１のインダクタＬL２０のドレイン側電源ＶＤＤと第１のトランジスタＭ1１３のドレイン端子との間においての接続順は、図５に示すように逆でもかまわないし、負帰還抵抗ＲF２３と第２のインダクタＬF２２の接続順も逆であってもかまわない。
【実施例３】
【００７０】
以下、本発明に係るトランスインピーダンスアンプの第３の実施例について説明する。
図６は、本発明の第３の実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成を示した模式図である。
【００７１】
図６に示すように、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプは、負荷抵抗ＲL２１と第１のトランジスタＭ1１３とソース抵抗ＲS１６とからなるソース接地増幅回路１と、第２のトランジスタＭ2１４と第３のトランジスタＭ3１５とからなるソースフォロワ回路２からなるトランスインピーダンスアンプにおいて、ソース接地増幅回路１の負荷抵抗ＲL２１に直列に第１インダクタＬL２０が接続され、ソース接地増幅回路１の入力端子とソースフォロワ回路２の出力端子をつなぐ負帰還ループに負帰還抵抗ＲF２３が接続され、ソース接地増幅回路１の出力端子とソースフォロワ回路２の入力端子間に第３のインダクタＬS３０が接続され、さらに、第１インダクタＬL２０と第３のインダクタＬS３０が誘導結合されることにより構成されている。なお、図６中において、ＶＤＤはドレイン側電源、ＶＳＳはソース側電源、ＶCSはコンスタントソース電圧を示している。
【００７２】
上述したように、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプにおいては、トランスインピーダンスアンプ初段のソース接地増幅回路１の負荷インピーダンスに負荷抵抗ＲL２１と第１インダクタＬL２０を直列に接続し、ソース接地増幅回路１の出力端子と後段のソースフォロワ回路２の入力端子を接続する第３のインダクタＬS３０を誘導結合している。
【００７３】
本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成により、トランスインピーダンスアンプ回路に信号電流が入力されると、第３のインダクタＬS３０に電流が流れ、これに応じて誘導結合した第１インダクタＬL２０に誘導起電力が発生し高周波で等価的に高インピーダンスとなる。
【００７４】
一方、第１インダクタＬL２０に電流が流れることにより、これに応じて誘導結導した第３のインダクタＬS３０に誘導起電力が発生し誘導結合インダクタにより高周波でトランジスタの寄生容量による帯域劣化を補償することができる。したがって、本実施例に係るトランスインピーダンスアンプの構成によれば、これらの相乗効果で周波数特性を改善することができる。
【００７５】
なお、図６に示した本実施例における負荷抵抗ＲL２１と第１インダクタＬL２０のドレイン側電源ＶＤＤと第１のトランジスタＭ1１３のドレイン端子との間においての接続順は、図７に示すように逆でもかまわない。
【００７６】
以上説明したように、本発明に係るトランスインピーダンスアンプによれば、光信号を光電変換により変換して光電電流を得て、この光電電流を電圧信号に変換増幅するトランスインピーダンスアンプにおいて、利得周波数特性の広帯域化が可能となる。すなわち、高速動作可能なトランスインピーダンスを提供することができる。
【００７７】
特に、相互インダクタンスＭの効果により、それぞれのインダクタの値を大きくしなくても同等の効果が得られるため、チップサイズを大きくすることなく帯域を改善することができるという効果をえることができる。さらに、本発明によれば、複数のチップインダクタを用いる従来の広帯域化技術を使った場合、チップサイズが大きくなるのに対しチップサイズをほぼ同じとできるため、コストを抑え高速動作化に有効である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、例えば、光伝送方式の光電変換を行う光受信回路において、信号等化を行うトランスインピーダンスアンプに利用することができ、特に、高速動作可能な広帯域な利得周波数特性をもつトランスインピーダンスアンプに利用することができる。
【００７９】
具体的には、光基幹伝送システム、光アクセスシステム、光インターコネクション等の各種光伝送システムに用いられる光受信用ＩＣ、及びこれを用いた高速光受信モジュール、光送受信トランシーバなどに光受信回路等に利用することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１  ソース接地増幅回路
２  ソースフォロワ回路
１０  第１のインピーダンスＺL
１１  第２のインピーダンスＺF
１２  第３のインピーダンスＺS
１３  第１のトランジスタＭ1
１４  第２のトランジスタＭ2
１５  第３のトランジスタＭ3
１６  ソース抵抗ＲS
１７  抵抗Ｒ
１８  インダクタＬ
２０  第１のインダクタＬL
２１  負荷抵抗ＲL
２２  第２のインダクタＬF
２３  負帰還抵抗ＲF
３０  第３のインダクタＬS
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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