(57)【要約】【課題】トランスインピーダンスアンプ回路の帯域延伸を実現する。【解決手段】トランスインピーダンスアンプ回路は、入力信号を増幅するベース接地型増幅器１と、ベース接地型増幅器１の出力を入力とするエミッタフォロア回路２と、ベース接地型増幅器１に一定電流を供給する定電流源３と、エミッタフォロア回路２に一定電流を供給する定電流源４と、定電流源３，４を構成するトランジスタＱ２，Ｑ４のエミッタ間を容量結合するコンデンサＣ１，Ｃ２とを備える。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を増幅するベース接地型増幅器と、
このベース接地型増幅器の出力を入力とするエミッタフォロア回路と、
前記ベース接地型増幅器に一定電流を供給する第１の定電流源と、
前記エミッタフォロア回路に一定電流を供給する第２の定電流源と、
前記第１、第２の定電流源を構成する第１、第２のトランジスタのエミッタ間を容量結合する第１のコンデンサ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回路。
【請求項２】
請求項１記載のトランスインピーダンスアンプ回路において、
さらに、前記第１の定電流源を構成する第１のトランジスタのコレクターエミッタ間を容量結合する第２のコンデンサ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回路。
【請求項３】
請求項１または２記載のトランスインピーダンスアンプ回路において、
前記ベース接地型増幅器は、ベースに第１のバイアス電圧が与えられ、エミッタがトランスインピーダンスアンプ回路の信号入力端子に接続された第３のトランジスタと、一端が電源電位に接続され他端が前記第３のトランジスタのコレクタに接続された第１のコレクタ抵抗とから構成され、
前記エミッタフォロア回路は、ベースが前記第３のトランジスタのコレクタに接続され、エミッタがトランスインピーダンスアンプ回路の信号出力端子に接続された第４のトランジスタと、一端が前記電源電位に接続され他端が前記第４のトランジスタのコレクタに接続された第２のコレクタ抵抗とから構成され、
前記第１の定電流源は、ベースに第２のバイアス電圧が与えられ、コレクタが前記第３のトランジスタのエミッタに接続された前記第１のトランジスタと、一端が前記第１のトランジスタのエミッタに接続され、他端が接地された第１のエミッタ抵抗とから構成され、
前記第２の定電流源は、ベースに前記第２のバイアス電圧が与えられ、コレクタが前記第４のトランジスタのエミッタに接続された前記第２のトランジスタと、一端が前記第２のトランジスタのエミッタに接続され、他端が接地された第２のエミッタ抵抗とから構成されることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速光通信用のトランスインピーダンスアンプ回路に関し、特に帯域延伸技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速なトランスインピーダンスアンプ回路を実現するため、入力形式をベース接地型増幅器としたものが知られている。ベース接地型増幅器は高周波特性が良い一方、出力インピーダンスが高い。そこで、図１５に示すように、次段への電流供給能力を持ち、出力インピーダンスの低い回路であるエミッタフォロア回路と組み合わせて使うことが考えられる（非特許文献１参照）。図１５のベース接地型増幅器は、バイポーラトランジスタＱ１と、コレクタ抵抗Ｒ１と、エミッタ抵抗Ｒ２とから構成され、エミッタフォロア回路は、バイポーラトランジスタＱ３と、コレクタ抵抗Ｒ３と、エミッタ抵抗Ｒ４とから構成される。図１５におけるＶｉｎは入力信号、Ｖｏｕｔは出力信号、ＣＩはバイポーラトランジスタＱ１のベースに与えるバイアス電圧である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Kevin W. Kobayashi，“An InP HBT common-base amplifier with tunable transimpedance for 40 Gb/s Applications”，Gallium Arsenide Integrated Circuit (GaAs IC) Symposium，2002.24th，Annual Technical Digest，p.155-158
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ベース接地型増幅器とエミッタフォロア回路とを組み合わせた従来のトランスインピーダンスアンプ回路の構成では、ベース接地型増幅器からエミッタフォロア回路までの信号の伝送経路は、ベース接地型増幅器のバイポーラトランジスタＱ１のコレクタ側とエミッタフォロア回路のバイポーラトランジスタＱ３のベース側とを結ぶ１つのみである。これら二つの回路を合わせての周波数特性は、それぞれの回路の周波数特性を加算したものでしかなく、周波数帯域が狭いという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来よりも広い周波数帯域を有するトランスインピーダンスアンプ回路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】
【０００６】
本発明のトランスインピーダンスアンプ回路は、入力信号を増幅するベース接地型増幅器と、このベース接地型増幅器の出力を入力とするエミッタフォロア回路と、前記ベース接地型増幅器に一定電流を供給する第１の定電流源と、前記エミッタフォロア回路に一定電流を供給する第２の定電流源と、前記第１、第２の定電流源を構成する第１、第２のトランジスタのエミッタ間を容量結合する第１のコンデンサとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明のトランスインピーダンスアンプ回路の１構成例は、さらに、前記第１の定電流源を構成する第１のトランジスタのコレクターエミッタ間を容量結合する第２のコンデンサを備えることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明のトランスインピーダンスアンプ回路の１構成例において、前記ベース接地型増幅器は、ベースに第１のバイアス電圧が与えられ、エミッタがトランスインピーダンスアンプ回路の信号入力端子に接続された第３のトランジスタと、一端が電源電位に接続され他端が前記第３のトランジスタのコレクタに接続された第１のコレクタ抵抗とから構成され、前記エミッタフォロア回路は、ベースが前記第３のトランジスタのコレクタに接続され、エミッタがトランスインピーダンスアンプ回路の信号出力端子に接続された第４のトランジスタと、一端が前記電源電位に接続され他端が前記第４のトランジスタのコレクタに接続された第２のコレクタ抵抗とから構成され、前記第１の定電流源は、ベースに第２のバイアス電圧が与えられ、コレクタが前記第３のトランジスタのエミッタに接続された前記第１のトランジスタと、一端が前記第１のトランジスタのエミッタに接続され、他端が接地された第１のエミッタ抵抗とから構成され、前記第２の定電流源は、ベースに前記第２のバイアス電圧が与えられ、コレクタが前記第４のトランジスタのエミッタに接続された前記第２のトランジスタと、一端が前記第２のトランジスタのエミッタに接続され、他端が接地された第２のエミッタ抵抗とから構成されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ベース接地型増幅器とエミッタフォロア回路のそれぞれの定電流源を構成する第１、第２のトランジスタのエミッタ間を容量結合することにより、高周波成分が伝わる経路を形成することができ、主信号の高周波成分を強調することができる。その結果、本発明では、従来よりも広い周波数帯域を有するトランスインピーダンスアンプ回路を実現することができる。
【０００９】
また、本発明では、ベース接地型増幅器の定電流源を構成する第１のトランジスタのコレクターエミッタ間を容量結合することにより、さらなる帯域延伸の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来のトランスインピーダンスアンプ回路の構成例を示す回路図である。
【図２】フォトディテクタの等価回路を示す図である。
【図３】図１のベース接地型増幅器の入力信号の変化の１例を示す図である。
【図４】図１のトランスインピーダンスアンプ回路をベース接地型増幅器の定電流源トランジスタのコレクタ・ベース接合容量およびベース・エミッタ接合容量を含めて記載した回路図である。
【図５】図１のベース接地型増幅器の定電流源トランジスタのエミッタ電位およびエミッタ電流の変化の１例を示す図である。
【図６】図１のエミッタフォロア回路の定電流源トランジスタのエミッタ電位およびエミッタ電流の変化の１例を示す図である。
【図７】図１のトランスインピーダンスアンプ回路の入力信号、ベース接地型増幅器の出力電位、およびトランスインピーダンスアンプ回路の出力信号の変化の１例を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るトランスインピーダンスアンプ回路の構成を示す回路図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係るベース接地型増幅器の定電流源トランジスタのエミッタ電流およびエミッタ電位の変化の１例を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係るエミッタフォロア回路の定電流源トランジスタのエミッタ電流およびエミッタ電位の変化の１例を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態および従来のトランスインピーダンスアンプ回路の出力信号の変化の１例を示す図である。
【図１２】容量結合に用いるコンデンサの容量値と本発明の第１の実施の形態に係るトランスインピーダンスアンプ回路のカットオフ周波数での利得との関係を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係るトランスインピーダンスアンプ回路の構成を示す回路図である。
【図１４】ベース接地型増幅器の定電流源トランジスタのコレクターエミッタ間に設けるコンデンサの容量値と本発明の第２の実施の形態に係るトランスインピーダンスアンプ回路のカットオフ周波数での利得との関係を示す図である。
【図１５】従来のトランスインピーダンスアンプ回路の構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［発明の原理］
図１に示すように、ベース接地型増幅器のエミッタ側およびエミッタフォロア回路のエミッタ側を、バイポーラトランジスタとエミッタ抵抗で構成した定電流源に接続する。ベース接地型増幅器に接続される定電流源は、バイポーラトランジスタＱ２と、エミッタ抵抗Ｒ２とから構成される。エミッタフォロア回路に接続される定電流源は、バイポーラトランジスタＱ４と、エミッタ抵抗Ｒ４とから構成される。図１におけるＶｃｓはバイポーラトランジスタＱ２，Ｑ４のベースに与えるバイアス電圧である。
【００１２】
ベース接地型増幅器の入力端子（バイポーラトランジスタＱ１のエミッタ）はフォトディテクタ（ＰＤ）と接続される。ＰＤは、等価回路として、電流源Ｉｐ、ダイオードＤ１、並列抵抗Ｒｊ、並列容量Ｃｊ、直列抵抗Ｒｓで表される（図２）。直流抵抗Ｒｓはワイヤボンドとコンタクト抵抗に由来するものであり、数Ω〜数十Ω程度である。デジタルコヒーレント光伝送や１００Ｇイーサネット（Ethernet、登録商標）といった超高速光通信における電流源Ｉｐの電流振幅は数十μＡから数ｍＡである。
したがって、ベース接地型増幅器の入力信号Ｖｉｎは、ＰＤからの入力電流の変化に合わせて、図３のように数ｍＶ程度の振幅ではあるが変化することとなる。図３の縦軸は電圧、横軸は時間である。
【００１３】
バイポーラトランジスタＱ２は理想的な定電流源であれば、バイポーラトランジスタＱ２のコレクタ電位（入力信号Ｖｉｎ）の変化に関わらず、一定のＤＣ電流を流し続けるが、実際は、入力信号Ｖｉｎの変化に伴って、エミッタ電位ｅ２が変化し、電流量も変化する。図１の回路をバイポーラトランジスタＱ２のコレクタ・ベース接合容量ＣCBおよびベース・エミッタ接合容量ＣBEを含めて描き直すと図４のようになる。バイポーラトランジスタＱ２のエミッタ電位ｅ２の変化は、入力信号Ｖｉｎの変化がバイポーラトランジスタＱ２のコレクタベース接合容量ＣCBおよびベースエミッタ接合容量ＣBEを通して伝わったものである。エミッタ電位ｅ２の変化は、入力信号Ｖｉｎに対する微分波形、もしくは容量ＣCBおよびＣBEと抵抗Ｒ２とからなるハイパスフィルタを通過した波形となる（図５（Ａ））。図５（Ｂ）のＩ２はバイポーラトランジスタＱ２のエミッタ電流を示している。
【００１４】
同様に、エミッタフォロア回路側の定電流源に注目すると、バイポーラトランジスタＱ４のコレクタ電位ｃ４は、ベース接地型増幅器で増幅されたＶｉｎがエミッタフォロア回路を通じて出力されるＶｏｕｔである。エミッタ電位ｅ４の変化は、出力信号ＶｏｕｔがバイポーラトランジスタＱ４のコレクタベース接合容量ＣCBおよびベースエミッタ接合容量ＣBEを通して伝わったものとなる（図６（Ａ））。図６（Ｂ）のＩ４はバイポーラトランジスタＱ４のエミッタ電流を示している。
【００１５】
図７（Ａ）は入力信号Ｖｉｎの変化の１例を示す図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の入力信号Ｖｉｎに応じたベース接地型増幅器の出力電位（コレクタ電位ｂ３）の変化の１例を示す図、図７（Ｃ）は図７（Ａ）の入力信号Ｖｉｎに応じた出力信号Ｖｏｕｔの変化の１例を示す図である。図７（Ａ）〜図７（Ｃ）に示すように入力信号Ｖｉｎとベース接地型増幅器の出力電位ｂ３と出力信号Ｖｏｕｔとの間には、一定量の遅延が存在する。したがって、エミッタ電位ｅ２，ｅ４は、同じような変化をするが、その間には一定の遅延が存在する。
【００１６】
そこで、本発明では、バイポーラトランジスタＱ２，Ｑ４のエミッタ間を容量結合する。これにより、高周波成分が伝わる経路を形成し、主信号の高周波成分を強調することができる。
【００１７】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図８は本発明の第１の実施の形態に係るトランスインピーダンスアンプ回路の構成を示す回路図である。本実施の形態のトランスインピーダンスアンプ回路は、入力信号Ｖｉｎを増幅するベース接地型増幅器１と、ベース接地型増幅器１の出力を入力とするエミッタフォロア回路２と、ベース接地型増幅器１に一定電流を供給する定電流源３と、エミッタフォロア回路２に一定電流を供給する定電流源４と、定電流源３，４を構成する２つのバイポーラトランジスタのエミッタ間に挿入されたコンデンサＣ１，Ｃ２とから構成される。
【００１８】
ベース接地型増幅器１は、ベースにバイアス電圧ＣＩが与えられ、エミッタが信号入力端子に接続されたバイポーラトランジスタＱ１と、一端が電源電位に接続され他端がバイポーラトランジスタＱ１のコレクタに接続されたコレクタ抵抗Ｒ１とから構成される。信号入力端子には入力信号Ｖｉｎが入力される。
エミッタフォロア回路２は、ベースがバイポーラトランジスタＱ１のコレクタに接続され、エミッタが信号出力端子に接続されたバイポーラトランジスタＱ３と、一端が電源電位に接続され他端がバイポーラトランジスタＱ３のコレクタに接続されたコレクタ抵抗Ｒ３とから構成される。信号出力端子からは出力信号Ｖｏｕｔが出力される。
【００１９】
定電流源３は、ベースにバイアス電圧Ｖｃｓが与えられ、コレクタがバイポーラトランジスタＱ１のエミッタに接続されたバイポーラトランジスタＱ２と、一端がバイポーラトランジスタＱ２のエミッタに接続され、他端が接地されたエミッタ抵抗Ｒ２とから構成される。
定電流源４は、ベースにバイアス電圧Ｖｃｓが与えられ、コレクタがバイポーラトランジスタＱ３のエミッタに接続されたバイポーラトランジスタＱ４と、一端がバイポーラトランジスタＱ４のエミッタに接続され、他端が接地されたエミッタ抵抗Ｒ４とから構成される。
【００２０】
バイアス電圧Ｖｃｓは、ベース接地型増幅器１およびエミッタフォロア回路２に流す所望の電流量に応じて設定される。バイアス電圧ＣＩ（ＣＩ＞Ｖｃｓ）は、例えばバイポーラトランジスタＱ１が飽和しない程度の値に設定すればよい。
【００２１】
本実施の形態では、バイポーラトランジスタＱ２のエミッタとバイポーラトランジスタＱ４のエミッタとを容量結合するコンデンサとして、対称性を持たせるため、２つのコンデンサＣ１，Ｃ２を用いたが、もちろん１つのコンデンサを用いても良い。
【００２２】
先に示したように、バイポーラトランジスタＱ２，Ｑ４のエミッタ電位ｅ２，ｅ４およびエミッタ電流Ｉ２，Ｉ４は、入力信号Ｖｉｎに由来する高周波成分を持つ。エミッタ電位ｅ２，ｅ４が全くの同相であればコンデンサＣ１，Ｃ２の影響は受けないが、上記の理由により、エミッタ電位ｅ２とｅ４の間に一定の遅延があるため、エミッタ電位ｅ２，ｅ４の高周波成分はコンデンサＣ１，Ｃ２を介して伝わり、足し合わされる。
【００２３】
図９（Ａ）、図９（Ｂ）は定電流源３のバイポーラトランジスタＱ２のエミッタ電流Ｉ２、エミッタ電位ｅ２の変化の１例を示す図、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は定電流源４のバイポーラトランジスタＱ４のエミッタ電流Ｉ４、エミッタ電位ｅ４の変化の１例を示す図である。バイポーラトランジスタＱ２のエミッタとバイポーラトランジスタＱ４のエミッタとを容量結合することにより、エミッタ電位ｅ２の交流成分とｅ４の交流成分（エミッタ電流Ｉ２の交流成分とＩ４の交流成分）は図９（Ｂ）、図１０（Ｂ）に示すようにほぼ逆相の関係となり、容量結合が無いときに比べ、高周波成分が強められる。
【００２４】
これにより、トランスインピーダンスアンプ回路の出力信号Ｖｏｕｔはわずかであるが高周波成分が強調され、振幅が増加し、その結果、帯域延伸の効果が得られる（図１１）。図１１では、図１に示した従来のトランスインピーダンスアンプ回路の出力信号をＶｏｕｔ０、本実施の形態のトランスインピーダンスアンプ回路の出力信号をＶｏｕｔ１としている。
【００２５】
なお、容量結合に用いるコンデンサＣ１，Ｃ２の容量は、大き過ぎるとその充放電に時間を要し、主信号の強調に向かなくなるため、適切な値を選択する必要がある（図１２）。図１２はコンデンサＣ１，Ｃ２の直列接続の容量値と本実施の形態のトランスインピーダンスアンプ回路のカットオフ周波数での利得Ｇとの関係を示す図である。図１２によれば、コンデンサＣ１，Ｃ２の直列接続の容量値が２２０ｆＦ付近で最も良い周波数特性が得られることが分かる。
【００２６】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１３は本発明の第２の実施の形態に係るトランスインピーダンスアンプ回路の構成を示す回路図であり、図８と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、第１の実施の形態のトランスインピーダンスアンプ回路に対し、入力信号ＶｉｎからバイポーラトランジスタＱ２のエミッタ電位ｅ２に伝わる信号の高周波成分を大きくするために、バイポーラトランジスタＱ２のコレクターエミッタ間にコンデンサＣ３を追加したものである。これにより、本実施の形態では、さらなる帯域延伸の効果を得ることができる。
【００２７】
コンデンサＣ３の容量が大き過ぎると、入力に対する負荷として主信号の妨げとなるため、適切な値を選択する必要がある（図１４）。図１４はコンデンサＣ３の容量値と本実施の形態のトランスインピーダンスアンプ回路のカットオフ周波数での利得Ｇとの関係を示す図である。図１４によれば、コンデンサＣ３の容量値が８０ｆＦ付近で最も良い周波数特性が得られることが分かる。なお、図１４では、容量結合に用いたコンデンサＣ１，Ｃ２の直列接続の容量値は図１２において最も良い周波数特性の得られた２２０ｆＦとした。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、トランスインピーダンスアンプ回路に適用することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１…ベース接地型増幅器、２…エミッタフォロア回路、３，４…定電流源、Ｑ１〜Ｑ４…バイポーラトランジスタ、Ｒ１〜Ｒ４…抵抗、Ｃ１〜Ｃ３…コンデンサ。
【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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