(57)【要約】      （修正有）【課題】インダクタの自己共振周波数ＳＲＦおよびＱ値に係わらず、周波数帯域幅を拡張することができると共に、寄生パッドキャパシタンスおよび工程変化にさほど影響を受けないソースフォロワ構造の伝送インピーダンス増幅装置を提供する。【解決手段】ソースフォロワ段は、電流信号を受信して、信号ソースのインピーダンスを減少させる。共通ソース段は、減少された信号ソースインピーダンスによって駆動され、電流信号を増幅して電流信号の周波数帯域幅を拡張し、かつ、増幅された信号の拡張された周波数帯域幅を保持したまま増幅された信号をバッファリングし、ここで減少された信号ソースインピーダンスによって共通ソース段の周波数帯域幅が拡張される。シャントフィードバック抵抗は、ソースフォロワ段と共通ソース段との間に配置され、ソースフォロワ段の入力ＤＣバイアスを調整し、かつ、共通ソース段の伝送インピーダンス利得を増加させる。【選択図】      図２
2004201313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流信号を生成する信号ソースを有する伝送インピーダンス増幅装置であって、
前記電流信号を受信して前記信号ソースのインピーダンスを減少させるソースフォロワ構造のソースフォロワ段と、
前記減少されたインピーダンスによって駆動され、前記ソースフォロワ段の次に位置し、前記電流信号を増幅して前記電流信号の周波数帯域幅を拡張し、かつ、前記増幅された信号の前記拡張された周波数帯域幅を保持すると共に前記増幅された信号をバッファリングし、ここで前記減少された信号ソースインピーダンスによって周波数帯域幅が拡張される共通ソース段と、
前記ソースフォロワ段と前記共通ソース段との間に配置され、前記ソースフォロワ段の入力ＤＣバイアスを調整し、かつ、前記共通ソース段の伝送インピーダンス利得を増加させるシャントフィードバック抵抗とを含む伝送インピーダンス増幅装置。
【請求項２】
前記共通ソース段が、
前記電流信号を１次増幅し、ここでゲートがソースフォロワ段に接続されていることに対して、ドレインが電源に接続され、かつ、ソースが接地されている第１増幅用トランジスタと、
前記１次増幅された信号の帯域幅を保持したままバッファリングし、ここでゲートが前記第１増幅用トランジスタの前記ドレインに接続されていることに対して、ドレインが電源に接続され、かつ、ソースが接地されている第１バッファ用トランジスタと、
前記バッファリングされた信号を２次増幅し、ここでゲートが前記第１バッファ用トランジスタのソースに接続されていることに対して、ドレインが電源に接続され、かつ、ソースが接地されている第２増幅用トランジスタと、
前記共通ソース段からの出力信号の出力インピーダンスを所定値に調整し、かつ、前記２次増幅された信号の周波数帯域幅を保持したままバッファリングし、ここでゲートが前記第２増幅用トランジスタの前記ドレインに接続されていることに対して、ドレインが電源に接続され、かつ、ソースが接地されている第２バッファ用トランジスタとを含む請求項１に記載の伝送インピーダンス増幅装置。
【請求項３】
前記シャントフィードバック抵抗が前記ソースフォロワ段のゲートと前記第１増幅用トランジスタのドレインとの間に設けられる請求項２に記載の伝送インピーダンス増幅装置。
【請求項４】
前記出力インピーダンスの所定値が約５０オームである請求項３に記載の伝送インピーダンス増幅装置。
【請求項５】
前記第１増幅用トランジスタが次のような入力周波数の大きさ
【数１】
2004201313.tif 000005
を有し、ＲＳが信号ソースインピーダンス、ＣＧＳが前記第１増幅用トランジスタにおける前記ゲートと前記ソースとの間のキャパシタンス、ＣＧＤが前記第１増幅用トランジスタの前記ゲートと前記ドレインとの間のキャパシタンス、ｇｍが前記第１増幅用トランジスタのトランスコンダクタンス、ＲＤが前記第１増幅用トランジスタのドレインインピーダンスである請求項２に記載の伝送インピーダンス増幅装置。
【請求項６】
前記ソースフォロワ段は、次のような出力インピーダンス
【数２】
2004201313.tif 000006
を有し、ＧＧＳ´が前記ソースフォロワ段における前記ゲートと前記ソースとの間のキャパシタンス、ｇｍ´が前記ソースフォロワ段のトランスコンダクタンス、ｓが複素周波数パラメータである請求項５に記載の伝送インピーダンス増幅装置。
【請求項７】
各トランジスタがＦＥＴ素子である請求項６に記載の伝送インピーダンス増幅装置。
【請求項８】
各トランジスタがＢＪＴ素子である請求項６に記載の伝送インピーダンス増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムにおける伝送インピーダンス増幅装置に関し、更に詳しくは、追加の受動素子無しに周波数帯域幅を拡張するためのソースフォロワ構造の伝送インピーダンス増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、超高速データ通信技術、例えば、光繊維を用いる光通信技術は、急速に発展しているが、データ伝送量の要求も更に強まっている。莫大なデータを伝送するためには、更に広い周波数帯域幅で動作する広帯域増幅システムを実現する必要がある。このために、超高速波帯域幅で安定して動作することができる能動素子が開発される必要がある。更に、新しく開発された素子およびその他の素子を広帯域増幅器回路にどのように設けるか、すなわち、新しく開発された素子が効率的に機能できるようにする広帯域増幅器回路の設計方法を開発する方法も重要である。光通信受信機の前端は、光信号を電気的な電流信号に変換する光検出器と、周波数帯域幅を拡張する前置増幅器とを含む。
【０００３】
広帯域増幅システムにおいて重要な素子のうちの１つが前置増幅器である。一般に、共通ソース伝送インピーダンス増幅器ＴＩＡが前置増幅器として用いられる。
【０００４】
図１は、通常の共通ソースＴＩＡ１００の回路図で、通常の共通ソースＴＩＡ１００は、多数個のトランジスタ１０、２０、２４および３０、多数個の抵抗１２、１４、１８、２２、２６、２８および３２、電源１６を含む。
【０００５】
通常の共通ソースＴＩＡ１００は、入力された電流信号を４個のトランジスタ１０、２０、２４および３０で増幅して、電圧信号を出力する。すなわち、第１増幅用トランジスタであるトランジスタ１０が電流信号を１次に増幅し、第１バッファ用トランジスタであるトランジスタ２０が増幅された信号をバッファリングする。その後、第２増幅用トランジスタであるトランジスタ２４が第１バッファ用トランジスタ２０からバッファリングされる信号を２次に増幅し、第２バッファ用トランジスタであるトランジスタ３０が２次に増幅された信号をバッファリングする。
【０００６】
広い周波数帯域幅は、高速光通信システム、特に、ＴＩＡを設計するときに考慮するべき最も重要な特徴の１つである。しかし、通常の共通ソースＴＩＡの周波数帯域幅を光通信システムによって要求されるだけ拡張することは容易ではない。これにより、例えば、インダクタまたはキャパシタなどの受動素子を用いる利得ピーキング技術のような数々の方案が提案されている。
【０００７】
シャントインダクティブ−ピーキング方式は、最も頻繁に用いられる技術のうちの１つで、通常の共通ソースＴＩＡ１００でインダクタを第１および／または第２増幅用トランジスタのドレインに接続して、寄生キャパシタンスを有する共振現象を作り出す。シャントインダクティブ−ピーキング方式が周波数帯域幅を拡張するとのことであるが、チップ−インダクタの漂遊キャパシタンス（stray capacitance）は、帯域幅の増加に悪影響を及ぼすこともある。更に、シャントインダクティブ−ピーキング方式は、高周波分野にインダクタの自己共振周波数ＳＲＦおよびＱ値がかなり大きな制約を受けるとの問題がある。
広帯域設計のための他の方法として、通常の共通ソースＴＩＡ１００の第１バッファ用トランジスタ２０のソースに接続されている抵抗２２にキャパシタを並列に連結するキャパシティブ−ピーキング方式がある。この方式は、通常の共通ソースＴＩＡ１００の伝達関数に余分のポールを１つ追加して、周波数帯域幅が拡張できるようにする。しかし、この方法においても、寄生パッドキャパシタンスおよび工程変化によって起こるキャパシタンスの変化による問題が深刻である。
【０００８】
そこで、インダクタのＳＲＦおよびＱ値に係わらず周波数帯域幅を拡張することができると共に、寄生パッドキャパシタンスおよび工程変化にはさほど影響を受けないＴＩＡを開発することが好ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インダクタの自己共振周波数ＳＲＦおよびＱ値に係わらず、入力ノードにおけるソースインピーダンスを低減することにより、周波数帯域幅を拡張することができると共に、寄生パッドキャパシタンスおよび工程変化にさほど影響を受けないソースフォロワ構造の伝送インピーダンス増幅装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の伝送インピーダンス増幅装置は、電流信号を生成する信号ソースを有する伝送インピーダンス増幅装置であって、前記電流信号を受信して前記信号ソースのインピーダンスを減少させるソースフォロワ構造のソースフォロワ段と、前記減少されたインピーダンスによって駆動され、前記ソースフォロワ段の次に位置し、前記電流信号を増幅して前記電流信号の周波数帯域幅を拡張し、かつ、前記増幅された信号の前記拡張された周波数帯域幅を保持すると共に前記増幅された信号をバッファリングし、ここで前記減少された信号ソースインピーダンスによって周波数帯域幅が拡張される共通ソース段と、前記ソースフォロワ段と前記共通ソース段との間に配置され、前記ソースフォロワ段の入力ＤＣバイアスを調整し、かつ、前記共通ソース段の伝送インピーダンス利得を増加させるシャントフィードバック抵抗とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によるソースフォロワ構造の伝送インピーダンス増幅装置は、受動素子を追加に使用しないことで、寄生パッドキャパシタンスおよび工程変化にさほど影響を受けなく、またＳＲＦおよびＱ値に係わらず周波数帯域幅を拡張することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、好適な実施例を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図２は、本発明の好適な実施例によるソースフォロワ伝送インピーダンス増幅器ＴＩＡ４００の回路図で、ソースフォロワＴＩＡ４００は、多数個のトランジスタ４０、１１０、１１６、１２０および１２６、多数個の抵抗１０２、１０６、１０８、１１２、１１４、１１８、１２２、１２４および１２８、電源１０４を含む。
【００１４】
ソースフォロワＴＩＡ４００の入力ノードにおける入力トランジスタであるトランジスタ４０は、ソースフォロワ構造を有し、一点鎖線で示すようにソースフォロワＴＩＡ４００のソースフォロワ段を形成する。また、ソースフォロワ段の次にくるトランジスタ１１０、１１６、１２０および１２６がソースフォロワＴＩＡ４００の共通ソース段を形成する。
【００１５】
入力トランジスタ４０は、信号ソース（図示せず）から電流信号を受信し、共通ソース段に電流信号を転送する。入力トランジスタ４０は、共通ソース段からみる信号ソースインピーダンスを落とす。共通ソース段からみる信号ソースインピーダンスは、入力トランジスタ４０からみた信号ソースインピーダンスより小さい。
【００１６】
小さい信号ソースインピーダンスは、周波数帯域幅を拡張することができる。信号ソースインピーダンスの効果は以下に説明する。
【００１７】
入力トランジスタ４０のゲートは、シャントフィードバック抵抗１０８を介して、トランジスタ１１０のドレインに接続されることに対して、入力トランジスタ４０のドレインは、抵抗１０２を介して電源１０４に連結され、かつ、入力トランジスタ４０のソースは、抵抗１０６を介して接地される。
【００１８】
シャントフィードバック抵抗１０８は、入力トランジスタ４０のゲートとトランジスタ１１０のドレインとの間に配置され、入力トランジスタ４０のゲート電圧のための入力ＤＣバイアスを調節する。
【００１９】
第１増幅段としてのトランジスタ１１０は、ソースフォロワ段から転送された電流信号を１次増幅して、電流信号の周波数帯域幅を拡張する。第１増幅用トランジスタ１１０のゲートは、入力トランジスタ４０のソースに接続されることに対して、第１増幅用トランジスタ１１０のドレインは、抵抗１１２を介して電源１０４に連結され、かつ、第１増幅用トランジスタ１１０のソースは、抵抗１１４を介して接地される。
【００２０】
一般的に、１つの増幅段では十分な利得を得ることができないから、他の増幅段、例えば、第２増幅段が必要となる。この場合、トランジスタ１１６が第１増幅段と第２増幅段との間に配置され、１次増幅された信号の周波数帯域幅は保持すると共に、１次増幅された信号をバッファリングする第１バッファ段のように動作する。第１バッファ用トランジスタ１１６のゲートは、第１増幅用トランジスタ１１０のドレインに接続されることに対して、第１バッファ用トランジスタ１１６のドレインは電源１０４に連結され、第１バッファ用トランジスタ１１６のソースは、抵抗１１８を介して接地される。
【００２１】
トランジスタ１２０は、第１バッファ用トランジスタ１１６からバッファリングされた信号を２次増幅するための第２増幅用トランジスタとして用いられて、バッファリングされた信号の周波数帯域幅を拡張する。第２増幅用トランジスタ１２０のゲートは、第１バッファ用トランジスタ１１６のソースに接続されることに対して、第２増幅用トランジスタ１２０のドレインは、抵抗１２２を介して電源１０４に連結され、かつ、第２増幅用トランジスタ１２０のソースは、抵抗１２４を介して接地される。
【００２２】
ソースフォロワＴＩＡ４００の出力ノードにおけるトランジスタ１２６は、２次増幅された信号の周波数帯域幅を保持すると共に２次増幅された信号を伝達し、同時に、ソースフォロワＴＩＡ４００の出力インピーダンスを所定値、例えば、５０Ωに調節するための第２バッファ段として用いられる。２次バッファ用トランジスタ１２６のゲートは、第２増幅用トランジスタ１２０のドレインに接続されることに対して、第２バッファ用トランジスタ１２６のドレインは、電源１０４に連結され、第２バッファ用トランジスタ１２６のソースは、抵抗１２８を介して接地される。
【００２３】
本発明によれば、ソースフォロワ段は、共通ソース段の前段に設けられ、共通ソース段からみるソースインピーダンスを減少させる。減少されたソースインピーダンスは、共通ソース段が拡張された周波数帯域幅を有する信号を出力するように影響を与える。
以下に、このような特性を図３ないし図４Ｂを参照して説明する。
【００２４】
図３は、図１に示す通常の共通ソースＴＩＡ１００において一点鎖線で表示する、ソースインピーダンスＲＳによって駆動される第１増幅部の高周波モデルである。ソースインピーダンスＲＳは、トランジスタ１０のゲートからみる信号ソースインピーダンスである。
通常の共通ソースＴＩＡ１００の第１増幅部は、次のような入力周波数大きさωｉｎを有する。
【００２５】
【数３】
2004201313.tif 000003
式１
ここで、ＣＧＳは、トランジスタ１０のゲートとソースとの間のキャパシタンス、ＣＧＤは、トランジスタ１０のゲートとドレインとの間のキャパシタンス、ｇｍは、トランジスタ１０のトランスコンダクタンス、ＲＤは、トランジスタ１０のドレインインピーダンスである。
【００２６】
式１からわかるように、入力周波数大きさωｉｎは、信号ソースインピーダンスＲSに反比例する。すなわち、信号ソースインピーダンスＲＳが小さいほど、高周波範囲における周波数帯域幅特性は更に良い。
【００２７】
図４Ａは、図２で一点鎖線で表示したソースフォロワ段の高周波モデル、図４Ｂは、ソースフォロワ段の出力インピーダンスを知るための図４Ａに示した高周波モデルの等価回路図であり、ＣＬは高周波モデルの出力ノードからみるソースフォロワ段の全キャパシタンスを表す。
【００２８】
高周波モデルの出力段からみたソースフォロワ段の出力インピーダンスは、次の通りである。
【００２９】
【数４】
2004201313.tif 000004
式２
ここで、ＲＳは、トランジスタ４０のゲートからみる信号ソースインピーダンス、ＣＧＳ´は、トランジスタ４０のゲートとソースとの間のキャパシタンス、ｇｍ´は、トランジスタ４０のトランスコンダクタンス、「ｓ」は、複素周波数パラメータである。
ソースフォロワ段の出力インピーダンスＺＯＵＴは、低周波範囲では略ＺＯＵＴ＝１／ｇｍ´であり、無限周波数ではＺＯＵＴ＝ＲＳとなる。また、１／ｇｍ´は、一般的にＲＳより小さい。理想的な場合は、周波数が無限大であるとき、ソースフォロワ段の出力インピーダンスＺＯＵＴが信号ソースインピーダンスＲＳに等しい。
【００３０】
ソースフォロワ段が、図１および図３に示す第１増幅部と類似する第１増幅段を含む共通ソース段の前に設けられるから、第１増幅用トランジスタ１１０のゲートからみる信号ソースインピーダンスはＺＯＵＴとなる。
【００３１】
式２からわかるように、周波数が無限大ではない場合、出力インピーダンスＺＯＵＴは、常に、ＲＳより小さい。そこで、ソースフォロワ段は、第１増幅段の信号ソースインピーダンスが第１増幅部の信号ソースインピーダンスより更に小さくなるようにして、共通ソース段の周波数帯域幅を拡張する。
【００３２】
ソースフォロワＴＩＡ４００の伝送インピーダンス利得と通常の共通ソースＴＩＡ１００の伝送インピーダンス利得が等しいとき、ソースフォロワＴＩＡ４００の周波数帯域幅は、通常の共通ソースＴＩＡ１００の周波数帯域幅より更に大きい。また、従来のシャントインダクティブ−ピーキングＴＩＡ、従来のキャパシティブ−ピーキングＴＩＡおよびソースフォロワＴＩＡ４００のような伝送インピーダンス利得を有する場合、ソースフォロワ４００の周波数帯域幅は従来のシャントインダクティブ−ピーキングＴＩＡおよび従来のキャパシティブ−ピーキングＴＩＡの周波数帯域幅より大きい。以下に、このような周波数帯域幅特徴について図５および図６を参照して説明する。
【００３３】
図５は、通常の共通ソースＴＩＡ１００および本発明のソースフォロワＴＩＡ４００の周波数帯域幅を示すシミュレーションの結果であり、縦軸は伝送インピーダンス利得［ｄＢΩ］を示し、横軸は周波数帯域幅［ＧＨｚ］を示す。
【００３４】
５７ｄＢΩの伝送インピーダンス利得に対して、通常の共通ソースＴＩＡ１００の有効周波数帯域幅は、グラフＧ１００で示すように、約２．４５ＧＨｚである反面、ソースフォロワＴＩＡ４００の有効周波数帯域幅は、グラフＧ４００で示すように、約４．５ＧＨｚである。すなわち、本発明のソースフォロワＴＩＡ４００の周波数帯域幅は、通常の共通ソースＴＩＡ１００に比較して伝送インピーダンスの損失はなく、約２．０５ＧＨｚ程度が更に大きい。
【００３５】
本発明によれば、図２に示すソースフォロワＴＩＡ４００のシャントフィードバック抵抗１０８の抵抗を高めることにより、ソースフォロワＴＩＡ４００の伝送インピーダンス利得が同一の周波数帯域幅で増加され得る。すなわち、本発明のソースフォロワＴＩＡ４００は、通常の共通ソースＴＩＡ１００より更に大きい利得−帯域幅の積を得ることができる。
【００３６】
図６は、従来のシャントインダクティブ−ピーキングＴＩＡ、従来のキャパシティブ−ピーキングＴＩＡおよび本発明のソースフォロワＴＩＡ４００の周波数帯域幅を示すシミュレーションの結果であり、縦軸は伝送インピーダンス利得［ｄＢΩ］を示し、横軸は周波数帯域幅［ＧＨｚ］を示す。
【００３７】
５７ｄＢΩの伝送インピーダンス利得に対して、従来のシャントインダクティブ−ピーキングＴＩＡの有効周波数帯域幅は、グラフＧ２００で示すように、約２．８５ＧＨｚである反面、従来のキャパシティブ−ピーキングＴＩＡの有効周波数帯域幅は、グラフＧ３００で示すように、約３．２５ＧＨｚである。一方、ソースフォロワＴＩＡ４００の有効周波数帯域幅は、グラフＧ４００で示すように、約４．５ＧＨｚである。
【００３８】
すなわち、本発明のソースフォロワＴＩＡ４００の利得−帯域幅の積は、従来のシャントインダクティブ−ピーキングＴＩＡおよび従来のキャパシティブ−ピーキングＴＩＡに比較して伝送インピーダンスの損失は無く、更に大きい。
【００３９】
一方、ゲート／ソース／ドレインを有するＦＥＴ（Field Effect Transistor）素子を使用するソースフォロワＴＩＡ４００が本発明によるＴＩＡとして記述されているが、ベース／エミッタ／コレクタを有するＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor）を使用するエミッタフォロワが使用されることもある。
【００４０】
追加のインダクタおよびキャパシタが使用されないから、本発明のソースフォロワＴＩＡ４００の大きさは、従来のインダクティブ−ピーキングＴＩＡおよび従来のキャパシティブ−ピーキングＴＩＡより小さく、かつ、従来のインダクティブ−ピーキングＴＩＡおよび従来のキャパシティブ−ピーキングＴＩＡとは異なって自己共振周波数ＳＲＦおよびＱ値の影響を受けない。
【００４１】
本発明は、インダクタのＳＲＦおよびＱ値に係わらず周波数帯域幅を拡張することができると共に、寄生パッドキャパシタンスおよび工程変化にさほど影響を受けないソースフォロワ構造の伝送インピーダンス増幅装置で、高周波で動作する必要がある超高周波回路においても有用に用いることができ、帯域幅を大きく拡張することができるため、大容量を収容する超高速光通信システムにも有用に適用することができる。更に、追加の受動素子を用いないため、小さい面積でモジュール実現が可能である。
【００４２】
上記において、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】通常の共通ソース伝送インピーダンス増幅器ＴＩＡの回路図である。
【図２】本発明の好適な実施例によるソースフォロワＴＩＡの回路図である。
【図３】図１に示す第１増幅部の高周波モデルである。
【図４Ａ】図４Ａは、図２に示すソースフォロワ段の高周波モデルおよびその出力インピーダンスを説明するための等価回路図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図２に示すソースフォロワ段の高周波モデルおよびその出力インピーダンスを説明するための等価回路図である。
【図５】通常の共通ソースＴＩＡおよび本発明のソースフォロワＴＩＡの周波数帯域幅を示すグラフである。
【図６】従来のシャントインダクティブ−ピーキングＴＩＡ、従来のキャパシティブ−ピーキングＴＩＡおよび本発明のソースフォロワＴＩＡの周波数帯域幅を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１２、１４、１８、２６、２８、３２  抵抗
１６  電源
１０、２４  増幅用トランジスタ
２０、３０  バッファ用トランジスタ
１０２、１０８、１１２、１１４、１１８、１２２、１２４、１２８  抵抗
１０４  電源
４０  入力トランジスタ
１１０、１２０  増幅用トランジスタ
１１６、１２６  バッファ用トランジスタ
【図１】
2004201313.tif 000007
【図２】
2004201313.tif 000008
【図３】
2004201313.tif 000009
【図４Ａ】
2004201313.tif 000010
【図４Ｂ】
2004201313.tif 000011
【図５】
2004201313.tif 000012
【図６】
2004201313.tif 000013