(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流信号を電圧信号に変換する前置増幅回路において、
差動対で構成された増幅部を有し、電流信号を電圧信号に変換する差動型増幅手段と、
前記電流信号が前記差動型増幅手段に入力される前に、前記電流信号の一部をバイパス電流としてバイパスさせるバイパス手段と、
前記差動型増幅手段の正相出力および逆相出力の中点電位を出力する中点電位出力手段と、
前記中点電位出力手段の出力を、前記差動型増幅手段の逆相入力端子に帰還させる第１の帰還負荷手段と、
を具備することを特徴とする前置増幅回路。
【請求項２】
一端が前記差動型増幅手段の逆相入力端子に接続される第２の帰還負荷手段をさらに具備し、
前記バイパス手段は、前記第２の帰還負荷手段と並列に設けられた整流素子により構成されることを特徴とする請求項１に記載の前置増幅回路。
【請求項３】
電流信号を電圧信号に変換する前置増幅回路において、
差動対で構成された増幅部を有し、電流信号を電圧信号に変換する差動型増幅手段と、
前記電流信号が前記差動型増幅手段に入力される前に、前記電流信号の一部をバイパス電流としてバイパスさせるバイパス手段と、
前記差動型増幅手段の正相出力および逆相出力の中点電位を出力する中点電位出力手段と、
前記中点電位出力手段の出力を、前記差動型増幅手段の逆相入力端子に帰還させる第１の帰還負荷手段と、
前記電流信号を平均した平均電流を、前記差動型増幅手段の逆相入力端子へ出力する平均電流出力手段と、
前記差動型増幅手段の逆相出力を、前記差動型増幅手段の正相入力端子に帰還させる第２の帰還負荷手段と、
を具備し、
前記第１の帰還負荷手段および前記第２の帰還負荷手段は、同じ抵抗値を有することを特徴とする前置増幅回路。
【請求項４】
前記中点電位出力手段は、前記差動型増幅手段の正相出力端子と逆相出力端子との間に直列に設けられた二つの負荷手段で構成され、
これら二つの負荷手段の接続点を出力端子とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の前置増幅回路。
【請求項５】
前記バイパス手段は、前記電流信号に対するバイパス電流の割合を、前記電流信号の大きさに応じて決定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の前置増幅回路。
【請求項６】
さらに、前記差動増幅手段の逆相入力端子とグランドとの間に容量手段を具備することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の前置増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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回路に関し、特に、安定動作を行う前置増幅回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光通信おいては、各加入者端末と交換局とが光ファイバケーブルで接続されている。交換局は、各加入者端末から送信される光信号を受信し、電気信号に変換して所定の処理を行う。この光信号は、各加入者端末と交換局との距離や各加入者端末の光出力レベルの相違等に起因して、交換局での受信レベルが異なったものになる。このような加入者系の交換局で用いられる光受信器の前置増幅回路は、各加入者端末から送信される異なる受信レベルを有するバースト状の光信号（バースト信号）を、波形劣化を起こすことなく増幅することが要求される。
【０００３】
ところで、従来の前置増幅回路として、たとえば、特開平９−１８６６５９号公報に開示された、エミッタ接地型の「増幅回路」がある。図６は、この従来の増幅回路の概略構成を示す図である。この従来の増幅回路は、フォトダイオード（ＰＤ）１からの入力電流の一部をバイパス電流としてバイパスさせるバイパス回路２と、入力抵抗（Ｒｌ）３と、トランジスタ４，６と、帰還抵抗（Ｒｆ）５と、出力抵抗７と、発振防止のための位相補償回路８と、を備えている。ここで、位相補償回路８は、電圧源９と、トランジスタ１０と、を備えている。
【０００４】
つぎに、従来の増幅回路の動作について説明する。カソードを定電圧源に接続されたフォトダイオード１は、光信号を電流信号に変換して増幅回路に出力する。フォトダイオード１からの入力電流が小さい場合は、トランジスタ４のベースインピーダンスが高いので、入力電流のほとんどは帰還抵抗５を通り、出力抵抗７を介してグランドに流れる。このため、出力トランジスタ６のエミッタ電位、すなわち出力電位が下がる。フォトダイオード１からの入力電流の大きさが所定値以上となった場合は、回路が飽和しないように、バイパス回路２が動作して所定の割合でバイパス電流を流す。これにより、回路の飽和による出力波形の劣化を防ぐことができる。
【０００５】
しかし、入力電流がバイパスされることにより、増幅回路の入力抵抗が減少するので、利得が一定のままであると、増幅回路の高域遮断周波数が大きくなりすぎ、トランジスタ４，６および帰還抵抗５からなるループの位相余裕がとれなくなる。このため、増幅回路が不安定になり、発振しやすくなる。そこで、所定のタイミングで位相補償回路８のトランジスタ１０をオン，オフして負荷抵抗を減少させることにより、利得を減少させて位相余裕をつくり、増幅回路の発振を防止している。具体的には、入力電流の増加によりバイパス回路２がオフからオンになると同時にトランジスタ１０がオフからオンになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術によれば、電流バイパス時の発振防止のために位相補償回路８が必要であり、位相補償時、すなわち、位相補償回路８のトランジスタ１０がオンしたときに、トランジスタ４に過大な電流が流れるため、信頼性が低下するという問題点があった。また、位相補償の動作、すなわち、位相補償回路８のトランジスタ１０のオン，オフにより、前置増幅回路の消費電流が大きく変動するため、電源系のインダクタンスを介して電源電圧が変動することによって雑音が発生し、前置増幅回路を含む光受信器全体の動作が不安定となり、受信感度が劣化するという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信頼性を向上し、また、電源電圧が変動することによる雑音の発生を低減し、光受信器の動作を安定させて受信感度の劣化を低減する前置増幅回路を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる前置増幅回路にあっては、電流信号を電圧信号に変換する前置増幅回路において、差動対で構成された増幅部を有し、電流信号を電圧信号に変換する差動型増幅手段と、前記電流信号が前記差動型増幅手段に入力される前に、前記電流信号の一部をバイパス電流としてバイパスさせるバイパス手段と、前記差動型増幅手段の正相出力および逆相出力の中点電位を出力する中点電位出力手段と、前記中点電位出力手段の出力を、前記差動型増幅手段の逆相入力端子に帰還させる第１の帰還負荷手段と、を具備することを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、大きなレベルのバーストパケットの受信等により、大きな電流信号が入力された場合、バイパス手段が、電流信号の一部をバイパスさせて、回路の飽和による出力波形の劣化を防ぎ、差動型増幅手段が、利得を減少させて、電流信号のバイパスによる回路の発振を防ぐ。
また、この発明によれば、フィードフォワードで差動型増幅手段のしきい値（レファレンス電位）を入力するのではなく、しきい値として、差動型増幅手段の正相出力および逆相出力の中間の電位（中点電位）を、第１の帰還負荷手段を介して差動型増幅手段の逆相入力端子にフィードバックする。
【００１０】
つぎの発明にかかる前置増幅回路にあっては、上記の発明において、一端が前記差動型増幅手段の逆相入力端子に接続される第２の帰還負荷手段をさらに具備し、前記バイパス手段は、前記第１の帰還負荷手段と並列に設けられた整流素子により構成されることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、複雑な回路を用いてバイパス手段を構成するのではなく、既存の整流素子を用いた簡単な回路によりバイパス手段を構成する。
【００１２】
つぎの発明にかかる前置増幅回路にあっては、上記の発明において、電流信号を電圧信号に変換する前置増幅回路において、差動対で構成された増幅部を有し、電流信号を電圧信号に変換する差動型増幅手段と、前記電流信号が前記差動型増幅手段に入力される前に、前記電流信号の一部をバイパス電流としてバイパスさせるバイパス手段と、前記差動型増幅手段の正相出力および逆相出力の中点電位を出力する中点電位出力手段と、前記中点電位出力手段の出力を、前記差動型増幅手段の逆相入力端子に帰還させる第１の帰還負荷手段と、前記電流信号を平均した平均電流を、前記差動型増幅手段の逆相入力端子へ出力する平均電流出力手段と、前記差動型増幅手段の逆相出力を、前記差動型増幅手段の正相入力端子に帰還させる第２の帰還負荷手段と、を具備し、前記第１の帰還負荷手段および前記第２の帰還負荷手段は、同じ抵抗値を有することを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、フィードフォワードで差動型増幅手段のしきい値（レファレンス電位）を入力するのではなく、しきい値として、差動型増幅手段の正相出力および逆相出力の中間の電位（中点電位）を、第２の帰還負荷手段を介して差動型増幅手段の逆相入力端子にフィードバックする。
また、この発明によれば、電流信号を平均した平均電流を差動型増幅手段の逆相入力端子へ出力し、この平均電流が第２の帰還負荷手段を流れることにより、差動型増幅手段の逆相入力端子に入力信号の１／２の電圧が発生する。
【００１４】
つぎの発明にかかる前置増幅回路にあっては、上記の発明において、前記中点電位出力手段は、前記差動型増幅手段の正相出力端子と逆相出力端子との間に直列に設けられた二つの負荷手段で構成され、これら二つの負荷手段の接続点を出力端子とすることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、複雑な回路により中点電位出力手段を構成するのではなく、差動型増幅手段の正相出力端子と逆相出力端子との間に直列に設けられた既存の負荷抵抗手段を用いた簡単な回路により中点電位出力手段を構成する。
【００１６】
つぎの発明にかかる前置増幅回路にあっては、上記の発明において、前記バイパス手段は、前記電流信号に対するバイパス電流の割合を、前記電流信号の大きさに応じて決定することを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、入力する電流信号の大きさに応じて、電流信号に対するバイパス電流の割合を決定する。
【００１８】
つぎの発明にかかる前置増幅回路にあっては、上記の発明において、前記差動増幅手段の逆相入力端子とグランドとの間に容量手段を具備することを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、差動増幅手段の逆相入力端子とグランドとの間に設けられた容量手段が、差動増幅手段の閾値電圧を安定させて差動増幅手段の動作を安定させる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる前置増幅回路の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる前置増幅回路の原理を示す図である。実施の形態１にかかる前置増幅回路においては、フォトダイオード（ＰＤ）１１等の受光素子からの電流信号の一部をバイパス電流としてバイパスさせるバイパス回路１２が設けられており、また、差動型の増幅部を有する差動型増幅器１３が設けられている。差動型増幅器１３の正相入力端子と逆相出力端子との間には帰還抵抗（Ｒｆ）１４が設けられており、また、この正相入力端子にはフォトダイオード１１からの電流信号が入力されている。
【００２２】
差動型増幅器１３の逆相出力端子と正相出力端子との間には、直列に設けられた二つの抵抗１５，１６からなる中点電位発生回路１７があり、抵抗１５，１６の接続点からの出力が帰還抵抗１８を介して差動型増幅器１３の逆相入力端子に入力されている。また、差動型増幅器１３の逆相入力端子とグランドとの間にはコンデンサ１９が設けられている。
【００２３】
バイパス回路１２は、フォトダイオード１１からの電流信号が所定値よりも大きい場合、差動型増幅器１３に電流信号が入力される前に、電流信号の一部をバイパス電流としてバイパスさせる。一方、差動型増幅器１３は、フォトダイオード１１からの電流信号が大きい場合、正相入力と逆相入力との電位差が大きくなり、自動的に利得が下がるので、従来の位相補償回路がなくても電流バイパス時の発振が防止される。
【００２４】
また、中点電位発生回路１７が、差動型増幅器１３の逆相出力と正相出力との中点電位を発生させる。この中点電位は、帰還抵抗１８を介して差動型増幅器１３の逆相入力端子に、しきい値として入力される、すなわち、フィードバックでしきい値が入力される。図２（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態１にかかる前置増幅回路の入出力波形を示す図である。実施の形態１の前置増幅回路では、図２（ａ）に示すように、逆相出力（３）と正相出力（４）との中点電位を発生させ、しきい値（２）とするので、入力信号（１）の０レベルとしきい値（２）とが一致し、しきい値（２）の変動が抑えられ、差動型増幅器１３のリニア域を最大限に利用した動作が可能となる。
【００２５】
一方、図示しないしきい値を発生させる回路を用いて、しきい値をフィードフォワードしたとすると、温度，電源，素子のばらつき等により、図２（ｂ）に示すように、入力信号（１）の０レベルとしきい値（２）とが一致せず、しきい値（２）が変動し、差動型増幅器１３のリニア域を最大限に利用できない可能性がある。
【００２６】
図３は、本発明の実施の形態１にかかる前置増幅回路の概略構成を示す図である。実施の形態１の前置増幅回路は、フォトダイオード１１に接続された正相入力端子２１と、トランジスタ２２，２６と、抵抗２３，２８と、増幅部２４と、帰還抵抗（Ｒｆ）１４，１８と、帰還抵抗１４と並列に接続されたバイパスダイオード２５と、逆相出力端子２７と、正相出力と逆相出力との中点電位を発生させる中点電位発生回路１７と、コンデンサ１９と、を備えている。
【００２７】
増幅部２４は、抵抗３０，３１、トランジスタ３２，３３および定電流源３４からなり、二つのトランジスタ３２，３３のエミッタ端子どうしを結合させた差動対型の構成を有している。また、バイパスダイオード２５は、バイパス回路を構成し、差動型増幅器が飽和する電圧よりもターンオン電圧が低いものが用いられている。また、コンデンサ１９は、動作を安定させる役目を果たす。
【００２８】
以上の構成において、実施の形態１の動作を説明する。まず、フォトダイオード１１が、受信した光信号に応じた電流信号を出力する。すなわち、光信号を電流信号に変換する。フォトダイオード１１から出力された電流信号は、正相入力端子２１に入力される。電流信号が小さい場合は、電流信号のほとんどが帰還抵抗１４を通り、逆相出力端子２７の電位が下がる。電流信号が大きくなり、帰還抵抗１４での電圧降下がバイパスダイオード２５のターンオン電圧を越えると、バイパスダイオード２５がターンオンして電流がバイパスされる。これにより、大きなレベルのバーストパケットを受信しても、回路の飽和により出力波形が劣化するのを防ぐことができる。
【００２９】
増幅部２４は、差動型の構成を有しているので、正相入力であるトランジスタ３２のベース入力と逆相入力であるトランジスタ３３のベース入力との電位差が大きくなると、定電流源３４の電流の大部分がトランジスタ３２に流れるため、利得が抑えられる。バイパスダイオード２５による電流バイパス時には、増幅部２４の正相入力点電圧が入力パルスの先頭で過渡的に大きくなると利得が減少して位相余裕ができ、自動的に発振が防止される。すなわち、入力点電位が上昇によることにより利得が低下するという差動型の性質を積極的に利用することにより、自動的に発振が防止される。しかも、消費電流は定電流源３４によって決まるので、従来の位相補償回路を用いた場合のように消費電流が大きく変動することはなく、大電流が流れることもない。
【００３０】
また、トランジスタ３３のベース端子には、しきい値として、正相出力と逆相出力との中点電位が入力される。このように、フィードフォワードでしきい値を入力するのではなく、フィードバックによりしきい値を入力するので、しきい値のずれが防止され、リニア域を最大限に利用した動作が可能となる。
【００３１】
前述したように、実施の形態１によれば、入力する電流信号が所定値よりも大きい場合、電流信号の一部をバイパス電流としてバイパスさせて回路の飽和を防ぎ、また、増幅部２４が差動型の構成を有することより、自動的に利得が減少して位相余裕が確保され、回路の発振が防止されるため、従来のような位相補償回路を設ける必要がなく、消費電流が大きく変動することはない。また、位相補償回路を付加したとしても、消費電流は差動対の定電流源３４で決まるので、受信信号の大きさにより、消費電流が変化することはない。
【００３２】
このため、従来のエミッタ接地型の前置増幅回路に比べて電源電圧変動を大幅に抑圧でき、また大電流が流れることもないので、信頼性を向上し、また、電源電圧が変動することによる雑音の発生を低減し、光受信器の動作を安定させて受信感度の劣化を低減することができる。さらに、従来のエミッタ接地型の場合は、一旦回路が飽和すると、回復するのに時間がかかるが、差動型の場合は、たとえトランジスタ３２が飽和しても、トランジスタ３３がアクティブなので比較的回復がはやいという利点もある。
【００３３】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる前置増幅回路の概略構成を示す図である。なお、実施の形態２にかかる前置増幅回路は、実施の形態１にかかる前置増幅回路と同様の構成であるので、図１と同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３４】
実施の形態２にかかる前置増幅回路は、バイパス回路１２と、差動型増幅器１３と、コンデンサ１９と、中点電位発生回路１７と、フォトダイオード１１と定電圧源との間に設けられ、電流信号を平均した平均電流を出力する平均電流出力回路４１と、差動型増幅器１３の逆相出力端子と正相入力端子との間に設けられた帰還抵抗４２と、中点電位発生回路１７の出力端子と差動型増幅器１３の逆相入力端子との間に設けられた帰還抵抗４３と、を備えている。帰還抵抗４２，４３は、ともに同じ抵抗値を持つ。なお、平均電流出力回路４１は、当業者に知られた一般の技術であるので、その説明を省略する。
【００３５】
以上の構成において、実施の形態２の動作を説明する。なお、実施の形態２の動作は、実施の形態１の動作と同様であるので、異なる部分であるしきい値の入力動作についてのみ説明する。平均電流出力回路４１は、電流信号を積分し、電流信号の電流を平均した平均電流ＩPDを出力する。平均電流ＩPDが帰還抵抗４３を流れることにより、差動型増幅器１３の逆相入力端子に入力信号の１／２の電位が発生する。図５は、本発明の実施の形態２にかかる前置増幅回路の入出力波形を示す図である。実施の形態２にかかる前置増幅回路においては、しきい値（２）として入力信号（１）の１／２の電位が入力されるので、正相出力（３）および逆相出力（４）のリニア域が２倍になる。
【００３６】
前述したように、実施の形態２によれば、しきい値として入力信号の１／２の電位が入力されるため、差動増幅器１３のリニア域が２倍になり、性能向上を図ることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明によれば、大きなレベルのバーストパケットの受信等により、大きな電流信号が入力された場合、バイパス手段が、電流信号の一部をバイパスさせて、回路の飽和による出力波形の劣化を防ぎ、差動型増幅手段が、利得を減少させて、電流信号のバイパスによる回路の発振を防ぐため、従来のような位相補償回路が必要なく、消費電流の変動が抑えられ、信頼性を向上し、また、電源電圧が変動することによる雑音の発生を低減し、光受信器の動作を安定させて受信感度の劣化を低減することができる、という効果を奏する。
また、この発明によれば、フィードフォワードで差動型増幅手段のしきい値（レファレンス電位）を入力するのではなく、しきい値として、差動型増幅手段の正相出力および逆相出力の中間の電位（中点電位）を、第２の帰還負荷手段を介して差動型増幅手段の逆相入力端子にフィードバックするため、しきい値のずれが防止され、差動型増幅手段のリニア域を最大限に利用した動作が可能となり、性能が向上する、という効果を奏する。
【００３８】
つぎの発明によれば、複雑な回路によりバイパス手段を構成するのではなく、既存の整流素子を用いた簡単な回路によりバイパス手段を構成するため、コストを低減することができる、という効果を奏する。
【００３９】
つぎの発明によれば、電流信号を平均した平均電流を差動型増幅手段の逆相入力端子へ出力し、この平均電流が第２の帰還負荷手段を流れることにより、差動型増幅手段の逆相入力端子に入力信号の１／２の電圧が発生するため、差動型増幅手段のリニア域を２倍に拡大することができ、性能が向上する、という効果を奏する。
【００４０】
つぎの発明によれば、複雑な回路により中点電位出力手段を構成するのではなく、差動型増幅手段の正相出力端子と逆相出力端子との間に直列に設けられた既存の負荷抵抗手段を用いた簡単な回路により中点電位出力手段を構成するため、コストを低減することができる、という効果を奏する。
【００４１】
つぎの発明によれば、入力する電流信号の大きさに応じて、電流信号に対するバイパス電流の割合を決定するため、電流信号が大きい場合に、電流信号の一部をバイパスさせて回路の飽和を防ぎ、安定した動作を得ることができる、という効果を奏する。
【００４２】
つぎの発明によれば、差動増幅手段の逆相入力端子とグランドとの間に設けられた容量手段が、差動増幅手段の閾値電圧を安定させて差動増幅手段の動作を安定させるため、性能向上を図ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１にかかる前置増幅回路の原理を示す図である。
【図２】  本発明の実施の形態１にかかる前置増幅回路の入出力波形を示す図である。
【図３】  本発明の実施の形態１にかかる前置増幅回路の概略構成を示す図である。
【図４】  本発明の実施の形態２にかかる前置増幅回路の概略構成を示す図である。
【図５】  本発明の実施の形態２にかかる前置増幅回路の入出力波形を示す図である。
【図６】  従来における増幅回路の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１１  フォトダイオード（ＰＤ）、１２  バイパス回路、１３  差動型増幅器、１４，１８，４２，４３  帰還抵抗、１５，１６，２３，２８，３０，３１  抵抗、１７  中点電位発生回路、１９  コンデンサ、２１  正相入力端子、２２，２６，３２，３３  トランジスタ、２４  増幅部、２５  バイパスダイオード、２７  逆相出力端子、３４  定電流源、４１  平均電流検出回路。
【図１】
0003927336.tif 000002
【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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