(57)【要約】【課題】高感度、高利得、かつ広帯域、広ダイナミックレンジの特性を実現する帰還増幅器を得る。【解決手段】分離回路部２０２により増幅信号経路２０３と帰還信号経路２０４が分離され、増幅回路部２１０は、抵抗負荷のソース接地型のＦＥＴと、レベル調整用ダイオード並びにソースフォロワ回路から構成される。分離回路部２０２はソースフォロワ回路にて構成され、この出力部に抵抗からなる帰還回路部２０１が接続され、増幅回路部２１０の入力端子への帰還信号経路２０４が形成される。信号分離回路により増幅信号経路と帰還信号経路が分離され、それぞれ信号経路の負荷が低減する。このため、増幅信号経路２０３と帰還信号経路２０４の負荷が低減される。また、分離回路部２０２で加わる遅延時間を調整し、負帰還から正帰還に変化する周波数領域を、負帰還増幅部の利得低下の周波数領域と一致させることで、利得の広帯域化が実現できる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅器の出力信号の一部を入力端子に戻す帰還増幅器において、
前記帰還増幅器は、増幅回路部、帰還回路部、信号分離回路部、出力回路部を備え、
前記増幅回路部は、入力信号の増幅を行うトランジスタ部と抵抗素子、並びに増幅信号を次段の回路部へ接続するためのレベル調整回路から成り、
前記増幅回路部のレベル調整回路の出力信号が、次段の出力回路部と信号分離回路部に接続され、
前記信号分離回路部の出力が前記帰還回路部に接続され、該帰還回路部の出力が前記増幅回路部のトランジスタに接続され構成されていることを特徴とする帰還増幅器。
【請求項２】
電流帰還型の帰還増幅器となっていることを特徴とする請求項１記載の帰還増幅器。
【請求項３】
前記帰還増幅器の信号分離回路部が、レベルシフト回路、もしくはトランジスタ部と抵抗素子、及びレベルシフト回路からなる多段構成となっており、該信号分離回路部の少なくとも２つ以上の信号出力部が前記帰還回路部に接続され、さらに少なくとも２つの該帰還回路部の出力が、前記増幅回路部のトランジスタに接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の帰還増幅器。
【請求項４】
前記信号分離回路部の少なくとも２つ以上の信号出力部に接続された帰還回路部の少なくとも１つにダイオードが挿入されていることを特徴とする請求項３記載の帰還増幅器。
【請求項５】
前記信号分離回路部は、少なくとも１つ以上のレベルシフト回路からなることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の帰還増幅器。
【請求項６】
前記信号分離回路部に設けた制御端子により、帰還信号を制御することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の帰還増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、帰還増幅器に関し、例えば、フォトダイオード等から出力された電流信号を電圧信号に変換し、増幅する電流帰還型の増幅器等を対象とする帰還増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、帰還増幅器は一般に、入力信号を帰還増幅する帰還型の増幅器として適用される。帰還増幅器とは、入力信号を増幅し、その出力信号の一部を入力端子に戻して、元の信号と重ね合せることにより、増幅器の電気特性を改善した回路のことである。ここでは、近年情報通信の高度化に伴い、開発の進展が著しい光通信システムに用いられる電流帰還型増幅器（前置増幅器）を従来技術例として取り上げ、その詳細を以下に説明する。
【０００３】
光通信システムの受信器では、光ファイバーを介した光信号は、光電気変換素子であるフォトダイオード等により微弱な電流信号に変換される。この電流信号を、電流−電圧変換し、増幅するのが前置増幅器であり、その特性は高感度、高利得、かつ広帯域、さらに広いダイナミックレンジという特性が要求される。このような要求を満たすため、従来の技術では、トランスインピーダンス型前置増幅器と呼ばれる電流帰還型増幅器を用いるのが最も一般的である。
【０００４】
図１２は、この帰還増幅器の従来例として、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を用いたトランスインピーダンス型増幅器の構成例を示している。本図１２から判るように、入力端子には光電気変換素子からの入力電流４０５が入力され、前置増幅器はこの入力電流信号を電圧信号にインピーダンス変換し、信号の増幅（４０３の増幅信号経路）を行う。ここで、トランスインピーダンス型増幅器に入力する入力電流４０５と、トランスインピーダンス型前置増幅器の増幅回路部４１０の出力電圧との間には、帰還抵抗４０１の抵抗値と、入力電流４０５との積に比例する関係がある。従って本従来技術では、この前置増幅器の帰還抵抗４０１の値を大きくし、高利得特性とすることで、微小な入力電流に対する高い感度特性を実現している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来回路では、利得と帯域はトレードオフの関係に有り、高感度すなわち高利得を実現するために帰還抵抗値を増加させると、帯域が低下するという問題がある。さらに、利得向上のために帰還抵抗値を増加させると、この抵抗を流れる入力電流による電圧振幅が大きくなり、出力振幅が飽和し、出力波形が歪んだり、不良動作を引き起こすという問題がある。
【０００６】
本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであり、高感度、高利得、かつ広帯域、広ダイナミックレンジの特性を実現する帰還増幅器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明の帰還増幅器では、上記課題を解決するため、帰還増幅器を、増幅回路部、帰還回路部、信号分離回路部、出力回路部から構成し、増幅回路部は、入力信号の増幅を行うトランジスタ部と抵抗素子、並びに増幅信号を次段の回路部へ接続するためのレベル調整回路からなり、増幅回路部のレベル調整回路の出力信号が、次段の出力回路部と信号分離回路部に接続され、さらに、この信号分離回路部の出力が帰還回路部に接続され、帰還回路部の出力が増幅回路部のトランジスタに入力されていることを特徴とする回路構成となっている。
【０００８】
また、第２の発明では、上記課題を解決するため、帰還増幅器を、増幅回路部、帰還回路部、信号分離回路部、出力回路部から構成し、増幅回路部は、入力信号の増幅を行うトランジスタ部と抵抗素子、並びに増幅信号を次段の回路部へ接続するためのレベル調整回路からなり、増幅回路部のレベル調整回路の出力信号が、次段の出力回路部と信号分離回路部に接続されており、さらに、この信号分離回路部の出力が帰還回路部に接続され、帰還回路部の出力が増幅回路部のトランジスタに入力されることで、電流帰還型の帰還増幅器を構成していることを特徴としている。
【０００９】
また、第３の発明では、上記課題を解決するため、帰還増幅器を、増幅回路部、帰還回路部、信号分離回路部、出力回路部から構成し、増幅回路部は、入力信号の増幅を行うトランジスタ部と抵抗素子、並びに増幅信号を次段の回路部へ接続するためのレベル調整回路からなり、増幅回路部のレベル調整回路の出力信号が、次段の出力回路部と、レベルシフト回路、もしくはトランジスタ部と抵抗素子とレベルシフト回路からなる多段構成の信号分離回路部に接続され、さらに、この信号分離回路の少なくとも２つ以上の信号出力部が帰還回路部に接続され、さらにこの少なくとも２つ以上の帰還回路部の出力が、増幅回路部のトランジスタに入力されていることを特徴とする回路構成としている。
【００１０】
また、第４の発明では、上記課題を解決するため、帰還増幅器を、増幅回路部、帰還回路部、信号分離回路部、出力回路部から構成し、増幅回路部は、入力信号の増幅を行うトランジスタ部と抵抗素子、並びに増幅信号を次段の回路部へ接続するためのレベル調整回路からなり、増幅回路部のレベル調整回路の出力信号が、次段の出力回路部と、レベルシフト回路、もしくはトランジスタ部と抵抗素子とレベルシフト回路からなる多段構成の信号分離回路部に接続され、さらに、この信号分離回路部の少なくとも２つ以上の信号出力部が、少なくとも１つ以上のダイオードが含まれる帰還回路部に接続され、この出力が増幅回路部のトランジスタに入力されていることを特徴とする回路構成としている。
【００１１】
また、第５の発明では、上記課題を解決するため、第１〜第４の発明における信号分離回路部が、少なくとも１つ以上のレベルシフト回路からなることを特徴とする回路構成としている。
【００１２】
さらに、第６の発明では、上記課題を解決するため、第１〜第５の発明における信号分離回路部に制御端子を設け、これにより帰還信号を制御することを特徴とする回路構成としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明による帰還増幅器の実施の形態を詳細に説明する。図１から図１１を参照すると、本発明の帰還増幅器の一実施形態が示されている。以下、本発明に係る帰還増幅器に関して、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を使用して回路を構成する場合について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、第１、第２、第５の発明に係る帰還増幅器の、第１の実施形態の回路図である。図１の帰還増幅器は、入力電流２０５を増幅する増幅回路部２１０、増幅回路部２１０の出力部に接続された分離回路部２０２と出力回路部２１１、並びに分離回路部２０２の出力部と入力端子に接続された帰還回路部２０１から構成されており、分離回路部２０２により増幅信号経路２０３と帰還信号経路２０４が分離されていることを特徴とする。なお、本実施例の増幅回路部２１０は、抵抗負荷のソース接地型のＦＥＴと、レベル調整用ダイオード並びにソースフォロワ回路から構成される。また、分離回路部２０２は、ソースフォロワ回路にて構成され、この出力部に抵抗からなる帰還回路部２０１が接続され、増幅回路部２１０の入力端子への帰還信号経路２０４が形成されている。
【００１５】
本実施例では分離回路部２０２により、増幅信号経路２０３と帰還信号経路２０４が分離されている。このため、図１２に示した従来回路と比べ、増幅信号経路２０３と帰還信号経路２０４のそれぞれにおける負荷が低減され、広帯域特性が実現できる。また、分離回路部２０２で加わる遅延時間を調整し、負帰還から正帰還に変化する周波数領域を、負帰還増幅部の利得低下の周波数領域と一致させることで、更なる利得の広帯域化が実現できる。
【００１６】
また、入力電流２０５による電圧変動（帰還抵抗２０１と入力電流２０５の積）が、増幅信号経路２０３と分離されている。このため、高電流入力による出力波形の歪みや不良動作が抑制でき、広ダイナミックレンジ特性が実現できる。図５は、本実施例１の回路と図１２の従来回路に、フォトダイオードのモデルとして入力容量２５０ｆＦ（フェムト・ファラッド／１×１０−１５Ｆ）、入力抵抗２０Ωを付加し、その利得の周波数特性を比較したものである。本実施例により、従来回路と比べ利得及び帯域特性の両方が改善できる。またダイナミックレンジ特性に関しても、最大許容入力電流が従来回路よりも５％以上向上させることができる。
【００１７】
このように第１の実施形態は、上記回路構成をとることで、従来回路と比べて高感度、高利得、かつ広帯域、広ダイナミックレンジの特性を実現することが出来る。
【００１８】
（第２の実施形態）
図２は、第１〜第３、第５、第６の発明に係る帰還増幅器の第２の実施形態の回路図である。図２の帰還増幅器は、入力電流３０５を増幅する増幅回路部３１０、増幅回路部３１０の出力部に接続された分離回路部３０２と出力回路部３１１、並びに分離回路部３０２の出力部と入力端子に接続された帰還回路部３０１ａ、３０１ｂから構成されており、分離回路部３０２により増幅信号経路３０３と帰還信号経路３０４が分離されていることを特徴とする。
【００１９】
なお、本実施例の増幅回路部３１０は、抵抗負荷のソース接地型のＦＥＴと、レベル調整用ダイオード並びにソースフォロワ回路から構成される。また分離回路部３０２は、カスケード接続されたソースフォロワ回路にて構成され、この２つの出力部に抵抗からなる帰還回路部１（３０１ａ）と帰還回路部２（３０１ｂ）が接続され、増幅回路部３１０の入力端子への２つの帰還信号経路３０４が形成されている。
【００２０】
本実施例では、分離回路部３０２により、増幅信号経路３０３と帰還信号経路３０４が分離されている。このため、図１２に示した従来回路と比べ、増幅信号経路３０３と帰還信号経路３０４のそれぞれにおける負荷が低減され、広帯域特性が実現できる。また、分離回路部３０２で加わる遅延時間を調整することで、負帰還から正帰還に変化する周波数領域を、負帰還増幅部の利得低下の周波数領域と一致させ、更なる利得の広帯域化が実現できる。
【００２１】
また、入力電流３０５による電圧変動（帰還抵抗３０１ａ／３０１ｂと入力電流３０５の積）が、増幅信号経路３０３と分離されている上、２つの帰還抵抗で分散されている。このため、高電流入力による出力波形の歪みや不良動作が抑制でき、広ダイナミックレンジ特性が実現できる。さらに、分離回路部３０２に設けた制御端子３０８により、端子３０９の電位を変化させ、入力電流３０５による帰還抵抗３０１ａ、３０１ｂにおける電圧変動量、及び負帰還から正帰還に変化する周波数特性を可変することができる。
【００２２】
本実施例により、従来回路と比べ利得及び帯域特性の両方が５％以上改善できる。またダイナミックレンジ特性に関しても、最大許容入力電流が従来回路よりも１０％以上向上させることができる。さらに制御端子により、特性の異なる受光素子に対して、利得と帯域特性を調整し、均一な出力特性を持つ受信回路を構成することができる。
【００２３】
（第３の実施形態）
図３は、第１〜第６の発明に係る帰還増幅器の第３の実施形態の回路図である。図３の帰還増幅器は、入力電流１０５を増幅する増幅回路部１１０、増幅回路部１１０の出力部に接続された分離回路部１０２と出力回路部１１１、並びに分離回路部１０２の出力部と入力端子に接続された帰還回路部１０１ａ、１０１ｂから構成されており、分離回路部１０２により増幅信号経路１０３と帰還信号経路１０４が分離されていることを特徴とする。
【００２４】
なお、本実施例の増幅回路部１１０は、抵抗負荷のソース接地型のＦＥＴと、レベル調整用ダイオード並びにソースフォロワ回路から構成される。また分離回路部１０２は、カスケード接続されたソースフォロワ回路にて構成され、この２つの出力部に抵抗からなる帰還回路部１（１０１ａ）と、ダイオードと抵抗からなる帰還回路部２（１０７／１０１ｂ）が接続され、増幅回路部１１０の入力端子への２つの帰還信号経路１０４が形成されている。
【００２５】
本実施例では、分離回路部１０２により、増幅信号経路１０３と帰還信号経路１０４が分離されている。このため図１２に示した従来回路と比べ、増幅信号経路１０３と帰還信号経路１０４のそれぞれにおける負荷が低減され、広帯域特性が実現できる。また、分離回路部１０２で加わる遅延時間を調整することで、負帰還から正帰還に変化する周波数領域を、負帰還増幅部の利得低下の周波数領域と一致させ、更なる利得の広帯域化が実現できる。また、入力電流１０５による電圧変動（帰還抵抗１０１ａと入力電流１０５の積）が、増幅信号経路１０３と分離されているため、高電流入力による出力波形の歪みや不良動作が抑制でき、ダイナミックレンジを広くすることができる。
【００２６】
さらに、ダイオード１０７のターンオフ領域では、主に帰還抵抗１０１ａによる利得、ダイオード１０７のターンオン領域では、帰還抵抗１０１ａと１０１ｂによる利得と、入力電流の量により帰還量が自動的に切り替わることで、入力電流の増加に対して動作余裕のある特性を実現できる。また、分離回路部１０２に設けた制御端子１０８により、端子１０９の電位を変化させ、帰還回路部２のダイオード１０７のターンオンする入力電流１０５を調整することができる。
【００２７】
図６は、本実施例３の回路と図１２の従来回路に、フォトダイオードのモデルとして入力容量２８０ｆＦ、入力抵抗２０Ωを付加した場合の利得の周波数特性を比較したものである。また図７及び図８は、本実施例３の回路と図１２の従来回路に、上記フォトダイオードモデルを付加し、入力電流１０５をそれぞれ３ｍＡ、４ｍＡ流した場合の利得の周波数特性を比較したものである。
【００２８】
この図６から判るように、本実施例では従来回路と比べ、低周波側の利得とその周波数に対する平坦正が改善できるうえ、帯域も１０％以上向上させることができる。また、図７と図８から判るように、入力電流が３ｍＡ、４ｍＡの場合でも、利得の周波数特性劣化は殆ど見られず、極めて広いダイナミックレンジ特性が実現できる。さらに、制御端子１０８を用いて端子１０９の電位を制御し、ダイオードがターンオンする入力電流、及び利得と帯域特性を、受光素子に合せて調整することができる。従って、より均一な出力特性を持つ受信回路システムを構築することができる。
【００２９】
（第４の実施形態）
図４は、第１〜第６の発明に係る帰還増幅器の第４の実施形態の回路図である。図１２の帰還増幅器は、入力電流５０５を増幅する増幅回路部５１０、増幅回路部５０の出力部に接続された分離回路部５０２と出力回路部５１１、並びに分離回路５０２の出力部と入力端子に接続された帰還回路部５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃから構成されており、分離回路部５０２により増幅信号経路と帰還信号経路が分離されていることを特徴とする。
【００３０】
なお、本実施例の増幅回路部５１０は、抵抗負荷のソース接地型のＦＥＴと、レベル調整用ダイオード並びにソースフォロワ回路から構成される。また分離回路部５０２は、カスケード接続されたソースフォロワ回路にて構成され、この３つの出力部に、抵抗からなる帰還回路部１（５０１ａ）と、ダイオードと抵抗からなる帰還回路部２（５０１ｂ）及び帰還回路部３（５０１ｃ）が接続され、増幅回路部５１０の入力端子への３つの帰還信号経路が形成されている。
【００３１】
本実施例では分離回路５０２により、増幅信号経路と帰還信号経路が分離されている。このため図１２に示した従来回路と比べ、増幅信号経路と帰還信号経路のそれぞれにおける負荷が低減され、広帯域特性が実現できる。また、分離回路部５０２で加わる遅延時間を各々調整することで、負帰還から正帰還に変化する周波数帯を、負帰還増幅部の利得低下の周波数帯と一致させ、更なる利得の広帯域化が実現できる。また、入力電流５０５による電圧変動（帰還抵抗と入力電流５０５の積）が、増幅信号経路５０３と分離されている。このため、高電流入力による出力波形の歪みや不良動作が抑制でき、ダイナミックレンジを広くすることができる。
【００３２】
さらに、入力電流の量により、帰還回路部５０１ｂ、５０１ｃのダイオードのターンオフとターンオンが自動的に切り替わり、帰還回路部５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃの帰還量も自動的に変化する。また、分離回路部５０２に設けた制御端子５０８により、端子５０９の電位を変化させ、帰還回路部３（５０１ｃ）のダイオードのターンオンする入力電流５０５の量を細かく調整することができる。このような回路構成により、入力電流の増加に対して動作余裕のある特性が実現できると共に、その利得・帯域特性と最大許容入力電流が制御端子５０８で制御可能となる。
【００３３】
図９は、本実施例４の回路と図１２の従来回路に、フォトダイオードのモデルとして入力容量２７０ｆＦ、入力抵抗３０Ωを付加した場合の利得の周波数特性を比較したものである。また図１０及び図１１は、本実施例４の回路と図１２の従来回路に、上記フォトダイオードモデルを付加し、入力電流５０５をそれぞれ３ｍＡ、４ｍＡ流した場合の利得の周波数特性を比較したものである。
【００３４】
この図９から判るように、本実施例では従来回路と比べ、帯域が５％以上向上する。また、図１０と図１１から判るように、入力電流が３ｍＡ、４ｍＡの場合でも、利得の周波数特性の劣化は殆ど見られず、極めて広いダイナミックレンジ特性が実現できる。さらに、制御端子５０８を用いて端子５０９の電位を制御し、ダイオードがターンオンする入力電流、及び利得と帯域特性を、受光素子に合せてより広い範囲で調整することができる。従って、より均一な出力特性を持つ受信回路システムを構築することが可能となる。
【００３５】
なお実施例１〜４では、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を使用した場合の回路を示したが、本発明の帰還増幅器の回路構成素子は、バイポーラトランジスタ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタの何れでも構わない。
また本実施例では、分離回路部としてソースフォロワ回路を示したが、この分離回路部はソースフォロワ回路、及び負荷とトランジスタからなる増幅器の複数の組み合わせで構成することもできる。
【００３６】
なお、上述の実施形態は、本発明の好適な実施の一例である。ただし、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明の帰還増幅器によれば、分離回路部により、増幅信号経路と帰還信号経路が分離されるため、従来回路と比べ、増幅信号経路と帰還信号経路のそれぞれにおける負荷が低減され、広帯域特性が実現できる。
【００３８】
また、分離回路部で加わる遅延時間を調整し、負帰還から正帰還に変化する周波数領域を、負帰還増幅部の利得低下の周波数領域と一致させることで、利得の広帯域化が実現できる。また、入力電流による電圧変動（帰還抵抗と入力電流の積）が、増幅信号経路と分離されているため、高電流入力による出力波形の歪みや不良動作が抑制でき、ダイナミックレンジを広くすることができる。また、ダイオードを含む帰還回路部を構成することで、入力電流による帰還量を自動的に切り替え、より広いダイナミックレンジ特性を実現することができる。
【００３９】
さらに、分離回路部に設けた制御端子により、受光素子の特性に合わせて増幅器特性を調整し、均一な出力特性を持つ受信回路を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の回路図である。
【図２】本発明に係る第２の実施形態の回路図である。
【図３】本発明の帰還増幅器に係る第３の実施形態の回路図である。
【図４】本発明に係る第４の実施形態の回路図である。
【図５】第１の実施形態の回路と従来回路における利得の周波数特性を示す図である。
【図６】第３の実施形態の回路と従来回路における利得の周波数特性を示す図（入力電流１０μＡ）である。
【図７】第３の実施形態の回路と従来回路における利得の周波数特性を示す図（入力電流３ｍＡ）である。
【図８】第３の実施形態の回路と従来回路における利得の周波数特性を示す図（入力電流４ｍＡ）である。
【図９】第４の実施形態の回路と従来回路における利得の周波数特性を示す図（入力電流１０μＡ）である。
【図１０】第４の実施形態の回路と従来回路における利得の周波数特性を示す図（入力電流３ｍＡ）である。
【図１１】第４の実施形態の回路と従来回路における利得の周波数特性を示す図（入力電流４ｍＡ）である。
【図１２】
従来の電流帰還型増幅器の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１０１ａ、３０１ａ　帰還回路部１の帰還抵抗
１０１ｂ、３０１ｂ　帰還回路部２の帰還抵抗
１０２、２０２、３０２　分離回路部
１０３、２０３、３０３、４０３　増幅信号経路
１０４、２０４、３０４、４０４　帰還信号経路
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５　入力電流
１０６ａ、１０６ｂ、３０６ａ、３０６ｂ　ソースフォロワ回路
１０７　ダイオード
１０８、３０８、５０８　制御端子
１０９、３０９、５０９　端子
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０　増幅回路部
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１　出力回路部
２０１　帰還抵抗
４０１　帰還回路部の帰還抵抗
５０１ａ　帰還回路部１の帰還抵抗
５０１ｂ　帰還回路部２のダイオード／帰還抵抗
５０１ｃ　帰還回路部３のダイオード／帰還抵抗
５０２　分離回路部
【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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【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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