(57)【要約】【課題】回路規模が小さく、低消費電力でありながら、従来と同様の効果を実現できるようにした差動増幅回路を提供すること。【解決手段】この差動増幅回路は、差動対を構成するＮ型のＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２を備え、ＭＯＳトランジスタＱ１に入力電圧が供給されるようになっている。ＭＯＳトランジスタＱ１のドレインは逆相信号出力端子１に接続され、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインは正相信号出力端子２に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレインとＭＯＳトランジスタＱ２のドレインとの間に、誘導性素子であるコイルＬ１が接続されている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の差動増幅を行う差動増幅手段を備え、
前記差動増幅手段の正相信号出力端子と逆相信号出力端子との間に、所定の誘導性素子を接続するようにしたことを特徴とする差動増幅回路。
【請求項２】
入力信号の差動増幅を行う差動増幅手段を備え、
前記差動増幅手段の正相信号出力端子と逆相信号出力端子との間に、誘導性素子と容量性素子とからなる所定の誘導性回路を接続するようにしたことを特徴とする差動増幅回路。
【請求項３】
前記誘導性素子は少なくとも２つからなり、これらの誘導性素子を前記差動増幅手段の正相信号出力端子と逆相信号出力端子との間に直列に接続するようにし、かつ、前記容量性素子は、前記誘導性素子の共通接続部とアースとの間に接続するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の差動増幅回路。
【請求項４】
入力信号の差動増幅を行う差動増幅手段を備え、
前記差動増幅手段の正相信号出力端子と逆相信号出力端子との間に、マイクロストリップラインを接続し、そのマイクロストリップラインの任意の点を容量性素子を介して接地するようにしたことを特徴とする差動増幅回路。
【請求項５】
入力信号の差動増幅を行う差動増幅手段を備え、
前記差動増幅手段の正相信号出力端子と逆相信号出力端子との間に、ストリップラインを接続し、そのストリップラインの任意の点を容量性素子を介して接地するようにしたことを特徴とする差動増幅回路。
【請求項６】
前記差動増幅手段は、電流信号を電圧信号に変換する差動入出力型の差動増幅手段、電圧信号を増幅する差動入出力型の差動増幅手段、電流信号を増幅する差動入出力型の差動増幅手段、および電力信号を増幅する差動入出力型の差動増幅手段のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の差動増幅回路。
【請求項７】
前記差動増幅手段は、逆相信号入力端子を容量性素子を介して接地するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちのいずれかに記載の差動増幅回路。
【請求項８】
前記差動増幅手段は、正相信号入力端子と逆相信号出力端子とを第１の帰還回路で接続し、逆相信号入力端子と正相信号出力端子とを第２の帰還回路で接続するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちのいずれかに記載の差動増幅回路。
【請求項９】
前記差動増幅手段は、差動対のトランジスタからなることを特徴とする請求項１乃至請求項８のうちのいずれかに記載の差動増幅回路。
【請求項１０】
前記差動対のトランジスタは、電界効果トランジスタ、およびバイポーラトランジスタのうちのいずれかであることを特徴とする請求項９に記載の差動増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力信号を差動増幅する差動増幅回路に関し、光通信において光信号を変換した電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器などに好適な差動増幅回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の差動増幅回路としては、特開２０００−３５７９２９号公報に記載の前置増幅回路、「ＩＳＳＣＣ　２００１／ＳＥＳＳＩＯＮ　１４／ＧＩＧＡＢＩＴ　ＯＰＴＩＣＡＬ　ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ　ＩＩ／１４．３（２００１　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）」に発表の「１４．３　Ａ　Ｓｉ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ　Ｄｒｉｖｅｒ／Ｒｅｃｅｉｖｅｒ　Ｃｈｉｐ　Ｓｅｔ　ｆｏｒ　４−Ｃｈａｎｎｅｌ　５Ｇｂ／ｓ　ＰａｒａｌｌｅｌＯｐｔｉｃａｌ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ」に記載されている光受信器などが知られている。
【０００３】
上記の前置増幅器は、差動増幅器の正相出力および逆相出力の中点電位を発生させる中点電位発生回路を備え、この中点電位発生回路が発生させた中点電位を、帰還回路により差動増幅器の逆相入力端子にしきい値電圧として帰還するようになっている。このため、この前置増幅器では、電源、温度の変動や、プロセスのばらつき（素子のばらつき）による影響がキャンセルされ、しきい値電圧と入力信号の０レベルの差を減少することができるので、差動増幅回路の線形領域の使用可能範囲の拡大、大信号特性の改善、パルス幅劣化などの歪特性を低減できる。
【０００４】
一方、上記の光受信器は、差動増幅器の差動の各出力のしきい値電圧を制御するために、加算器や増幅器などからなる制御回路を備え、その制御回路が、フィードフォワードにより、そのしきい値電圧を制御することができるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の前置増幅器や光受信器では、差動増幅器の差動の各出力を調整または制御する回路の規模が大きく、その回路の消費電力も増大するという不都合があった。
そこで、本発明の目的は、回路規模が小さく、低消費電力でありながら、従来と同様の効果を実現できるようにした差動増幅回路を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、請求項１〜請求項１０に記載の発明は、以下のように構成した。
すなわち、請求項１に記載の発明は、入力信号の差動増幅を行う差動増幅手段を備え、前記差動増幅手段の正相信号出力端子と逆相信号出力端子との間に、所定の誘導性素子を接続するようにしたことを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、入力信号の差動増幅を行う差動増幅手段を備え、前記差動増幅手段の正相信号出力端子と逆相信号出力端子との間に、誘導性素子と容量性素子とからなる所定の誘導性回路を接続するようにしたことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の差動増幅回路において、前記誘導性素子は少なくとも２つからなり、これらの誘導性素子を前記差動増幅手段の正相信号出力端子と逆相信号出力端子との間に直列に接続するようにし、かつ、前記容量性素子は、前記誘導性素子の共通接続部とアースとの間に接続するようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、入力信号の差動増幅を行う差動増幅手段を備え、
前記差動増幅手段の正相信号出力端子と逆相信号出力端子との間に、マイクロストリップラインを接続し、そのマイクロストリップラインの任意の点を容量性素子を介して接地するようにしたことを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、入力信号の差動増幅を行う差動増幅手段を備え、
前記差動増幅手段の正相信号出力端子と逆相信号出力端子との間に、ストリップラインを接続し、そのストリップラインの任意の点を容量性素子を介して接地するようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の差動増幅回路において、前記差動増幅手段は、電流信号を電圧信号に変換する差動入出力型の差動増幅手段、電圧信号を増幅する差動入出力型の差動増幅手段、電流信号を増幅する差動入出力型の差動増幅手段、および電力信号を増幅する差動入出力型の差動増幅手段のうちのいずれかであることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のうちのいずれかに記載の差動増幅回路において、前記差動増幅手段は、逆相信号入力端子を容量性素子を介して接地するようにしたことを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項７のうちのいずれかに記載の差動増幅回路において、前記差動増幅手段は、正相信号入力端子と逆相信号出力端子とを第１の帰還回路で接続し、逆相信号入力端子と正相信号出力端子とを第２の帰還回路で接続するようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至請求項８のうちのいずれかに記載の差動増幅回路において、前記差動増幅手段は、差動対のトランジスタからなることを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の差動増幅回路において、前記差動対のトランジスタは、電界効果トランジスタ、およびバイポーラトランジスタのうちのいずれかであることを特徴とするものである。
【００１２】
このように、本発明では、差動増幅手段の正相出力端子と逆相出力端子との間に、誘導性素子などにより、差動増幅手段の正相信号出力と逆相信号出力の中点電位を発生する手段を設けるようにした。
その誘導性素子は、差動増幅手段の入力信号に対してインピーダンスとして作用する。
【００１３】
このため、入力信号が直流から周波数が低い帯域の場合には、インピーダンスはほぼ零になって差動増幅手段の正相信号出力端子と逆相信号出力端子との間は、短絡状態になり、差動増幅手段は差動増幅の機能がなくなる。このため、差動増幅手段の正相出力信号と逆相出力信号は合成されて打ち消しあうので、正相出力信号と逆相出力信号としては、その合成された中点電位（オフセット電圧）のみが出力される。
【００１４】
一方、入力信号が周波数の高い帯域の場合には、インピーダンスはほぼ無限大となって差動増幅手段の正相出力端子と逆相出力端子との間は、開放状態になり、差動増幅手段は差動増幅の機能を持つ。このため、差動増幅手段の正相出力信号と逆相出力信号は、差動信号を出力することになる。このとき、誘導性素子は直流的には短絡状態にあるので、正相出力信号と逆相出力信号の中点電位は等しくなる。従って、正相出力信号と逆相出力信号は、中点電位が共通になり、かつ、高周波成分が互いに逆相の差動信号となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の差動増幅回路の第１実施形態の構成について、図１を参照して説明する。
この第１実施形態に係る差動増幅回路は、光通信において使用される前置増幅器に適用したものであり、光信号を変換した電流信号を電圧信号に変換する差動入出力型のものである。
【００１６】
このために、この差動増幅回路は、図１に示すように、差動対を構成するＮ型のＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２を備えている。ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２の各ソースは共通接続され、その共通接続部は定電流源として機能する抵抗Ｒ１を介して接地されている。ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２の各ドレインは、負荷抵抗Ｒ２、Ｒ３を介して電源ＶＣＣにそれぞれ接続されている。
【００１７】
ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートとドレインの間に、帰還手段である抵抗Ｒ４が接続されている。また、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートと電源ＶＣＣとの間にフォトダイオードＰＤが接続されている。
ＭＯＳトランジスタＱ２のゲートとドレインの間に、帰還手段である抵抗Ｒ５が接続されている。また、ＭＯＳトランジスタＱ２のゲートは、コンデンサＣ１を介して接地されている。このように、そのゲートを高周波的に接地させると、差動増幅動作をより安定にできる。
【００１８】
ＭＯＳトランジスタＱ１のドレインは逆相信号出力端子１に接続され、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインは正相信号出力端子２に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレインとＭＯＳトランジスタＱ２のドレインとの間に、誘導性素子であるコイル（インダクタ）Ｌ１が接続されている。
ここで、コイルＬ１は、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧とＭＯＳトランジスタＱ２のドレイン電圧との中点電位を発生する中点電位発生回路を構成する。
【００１９】
負荷抵抗Ｒ２、Ｒ３と電源ＶＣＣとを接続する電源ラインが、コンデンサＣ２を介して接地されている。これにより、電源ＶＣＣの雑音を除去するとともに、負荷抵抗Ｒ２，Ｒ３を高周波的に接地し、回路のアイソレーションを維持するようにしている。
このように構成される差動増幅回路では、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートが正相信号入力端子として機能し、そのドレインが逆相信号出力端子として機能することになる。また、ＭＯＳトランジスタＱ２のゲートが逆相信号入力端子として機能し、そのドレインが正相信号出力端子として機能することになる。
【００２０】
次に、上記の構成からなる第１実施形態の動作の概要について説明する。
いま、受光素子ＰＤに光信号が入力されると、光信号が電流信号に変換される。電流信号は、ＭＯＳトランジスタＱ１と抵抗Ｒ４との共通接続部に流れ込み、抵抗Ｒ４により電圧信号に変換される。この変換された電圧信号はＭＯＳトランジスタＱ１の入力電圧Ｖｉｎとなり（図３（Ａ）参照）、ＭＯＳトランジスタＱ１で増幅される。
【００２１】
一方、ＭＯＳトランジスタＱ２は、そのゲートがコンデンサＣ１により高周波的に接地され、かつＭＯＳトランジスタＱ１と共通の電流源である抵抗Ｒ１に接続されている。このため、ＭＯＳトランジスタＱ２は、ＭＯＳトランジスタＱ１とは逆相の入力信号が入力されたものと同等の動作をするので、ＭＯＳトランジスタＱ１に対して反転動作をする。
【００２２】
この結果、逆相信号出力端子１と正相信号出力端子２には、それぞれ出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２が発生するが、その出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２は互いに逆位相となる（図３（Ｂ）参照）。
次に、第１実施形態における入出力動作の詳細について説明する。
この第１実施形態は、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレインとＭＯＳトランジスタＱ２のドレインとの間に、誘導性素子であるコイルＬ１を接続したことに特徴がある。
【００２３】
そこで、コイルＬ１を接続した場合の動作と比較するために、コイルＬ１を接続しない場合の入出力動作について、図２を参照して説明する。
この場合には、ＭＯＳトランジスタＱ１の入力電圧はＶｉｎは、例えば図２（Ａ）に示すようになる。また、逆相信号出力端子１の出力電圧Ｖｏｕｔ１と正相信号出力端子２の出力電圧Ｖｏｕｔ２とは、図２（Ｂ）に示すように、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のドレイン電圧を中心にそれぞれ存在する。このため、出力電圧Ｖｏｕｔ１および出力電圧Ｖｏｕｔ２は、図３（Ｂ）に示すように、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧とＭＯＳトランジスタＱ２のドレイン電圧との中点電位と交差することはない。
【００２４】
次に、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレインとＭＯＳトランジスタＱ２のドレインとの間に、コイルＬ１が接続されている場合について説明する。
このようにコイルＬ１が接続されていると、コイルＬ１は、図３（Ａ）に示す入力電圧Ｖｉｎに対してインピーダンスＺとして作用することになる。そのインピーダンスＺの値は、コイルＬ１のインダクタンスをＬ１、入力電圧Ｖｉｎの周波数をｆとすると、次式で表すことができる。
【００２５】
Ｚ＝２πｆ×Ｌ１・・・・（１）
この結果、入力電圧Ｖｉｎが直流から周波数が低い帯域（領域）の場合には、インピーダンスＺはほぼ零になってＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のドレイン間はコイルＬ１により短絡状態になり、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２は差動増幅の機能がなくなる。このため、差動対のＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２の各出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２は合成されて打ち消しあうので、出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２としては、その合成された中点電位（オフセット電圧）のみが出力される。
【００２６】
一方、入力電圧Ｖｉｎが周波数が高い帯域の場合には、インピーダンスＺはほぼ無限大となってＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のドレイン間は開放状態になり、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２は差動増幅の機能を持つことになる。このため、差動対のＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２の各出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２は、差動信号を出力することになる。このとき、コイルＬ１は直流的には短絡状態にあるので、出力電圧Ｖｏｕｔ１と出力電圧Ｖｏｕｔ２の中点電位（オフセット電圧を含む直流電圧）は等しくなる。従って、出力電圧Ｖｏｕｔ１と出力電圧Ｖｏｕｔ２は、図３（Ｂ）に示すように、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電位とＭＯＳトランジスタＱ２のドレイン電位の中点電位が共通になり、かつ、高周波成分が互いに逆相の差動信号となる。
【００２７】
以上説明したように、第１実施形態によればＭＯＳトランジスタＱ１のドレインとＭＯＳトランジスタＱ２のドレインとの間に、コイルＬ１を接続するようにした。このため、回路規模が小さく、かつ回路が低消費電力でありながら、従来と同様の効果（差動増幅回路の線形領域の使用可能範囲の拡大、大信号特性の改善、パルス幅劣化などの歪特性の低減など）を実現できる。
【００２８】
また、第１実施形態では、従来に比べて構成素子数を大幅に低減できる。このため、入力信号が高周波帯域の信号（高ビットレートの信号）に、その入力信号への影響を抑制でき、高周波帯域の入力信号に適用できる。
次に、本発明の差動増幅回路の第２実施形態の構成について、図４を参照して説明する。
【００２９】
図１に示す第１実施形態では、誘導性素子としてコイルＬ１を使用するようにした。しかし、コイルＬ１の高周波特性が劣化している場合（Ｑ値が小さい場合）には、コイルＬ１１は誘導性素子としての機能と果たすことができず、高周波帯域でのインピーダンは低下してＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２は差動増幅ができなくなるおそれがある。
【００３０】
そこで、この第２実施形態では、図１に示すコイルＬ１を、図４に示すように誘導性回路３に置き換えるようにした。なお、第２実施形態の他の部分の構成は、第１実施形態の構成と基本的に同様であるので、同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、誘導性回路３についてのみ説明する。
誘導性回路３は、図４に示すように、誘導性素子であるコイルＬ１１〜Ｌ１３と容量性素子であるコンデンサＣ１１、Ｃ１２とを組み合わせた回路である。
【００３１】
さらに詳述すると、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレインとＭＯＳトランジスタＱ２のドレインの間に、コイルＬ１１〜Ｌ１３を直列に接続するようにした。そして、コイルＬ１１とコイルＬ１２の共通接続部をコンデンサＣ１１を介して接地し、コイルＬ１２とコイルＬ１３の共通接続部をコンデンサＣ１２を介して接地するようにした。
【００３２】
ここで、コイルＬ１１、Ｌ１３は、高周波特性（Ｑ値）が優れたものを使用するのが好ましい。このようにすると、入力電圧が高周波帯域の場合に、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレインではコイルＬ１１とコンデンサＣ１１によりアイソレーション（電気的絶縁）が確保され、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインではコイルＬ１３とコンデンサＣ１２によりアイソレーションが確保される。この結果、高周波帯域において良好な差動出力信号が得られる。
【００３３】
また、低周波帯域では、コンデンサＣ１１、Ｃ１２のインピーダンスは大きいため、第１実施形態同様、出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２は同電位となる。
以上説明したように、この第２実施形態によれば、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレインとＭＯＳトランジスタＱ２のドレインとの間に、誘導性回路３を設けるようにした。このため、第１実施形態と同様な効果を奏することができる。
【００３４】
なお、上記の実施形態では、誘導性素子としてコイルＬ１、または誘導性回路３としてコイルＬ１１〜Ｌ１３とコンデンサＣ１１、Ｃ１２とを組み合わせた回路から形成するようにした。
しかし、本発明では、これらに代えてマイクロストリップラインまたはストリップラインを使用し、その任意の点を容量性素子（コンデンサ）を介して接地するようにしても良い。
【００３５】
ここで、マイクロストリップラインとは、マイクロ波集積回路の中の分布定数回路の１つであり、誘電体基板の下面に接地導体を、その上面に中心導体を配置した構造からなるものである。
また、ストリップラインも、マイクロストリップラインの構造と基本的に同様な構造からなるものである。
【００３６】
なおまた、上記の実施形態の差動増幅回路は、光通信において使用される前置増幅器に適用したものであって、光信号を変換した電流信号を電圧信号に変換する差動入出力型のものとした。
しかし、本発明の差動増幅回路は、上記の他に、電圧信号を増幅する差動入出力型の差動増幅回路、電流信号を増幅する差動入出力型の差動増幅回路、および電力信号を増幅する差動入出力型の差動増幅回路などにも適用できること勿論である。
【００３７】
さらに、上記の実施形態では、差動対のトランジスタとしてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２を使用するようにした。
しかし、差動対のトランジスタとしてＭＯＳトランジスタの他に、バイポーラトランジスタ、ＭＥＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＩＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｆｉｅｌｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを使用するようにしても良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回路規模が小さく、低消費電力でありながら、従来と同様の効果を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す回路図である。
【図２】図１の回路において、コイルがない場合の入出力動作を説明する各部の波形図である。
【図３】図１の回路において、コイルがある場合の入出力動作を説明する各部の波形図である。
【図４】本発明の第２実施形態の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１　逆相信号出力端子，２　正相信号出力端子，３　誘導性回路，Ｑ１、Ｑ２　ＭＯＳトランジスタ，Ｌ１　コイル，Ｃ１、Ｃ２　コンデンサ，Ｌ１１〜Ｌ１３コイル，Ｃ１１、Ｃ１２　コンデンサ，Ｒ１　定電流源用の抵抗，Ｒ２、Ｒ３
負荷抵抗，Ｒ４、Ｒ５　帰還用の抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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