(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を電流信号に変換するフォトダイオードが、オペアンプの反転入力端子と、電流信号を電圧信号に変換する抵抗を介した出力端子に接続され、またオペアンプの出力がＮＰＮトランジスタのベースとＰＮＰトランジスタのエミッタとに接続され、前記ＮＰＮトランジスタのコレクタが電源電圧源、エミッタが電流源と出力端子に接続され、前記ＰＮＰトランジスタのベースがリミッタ電圧源に、コレクタがＧＮＤに接続されることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記リミッタ電圧源の電圧は、前記オペアンプの飽和電圧よりも低く設定することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記リミッタ電圧源は、前記電源電圧源の電圧に依存してその出力が変化するバイアス回路であることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記バイアス回路は、
第１のＰＮＰトランジスタのエミッタが前記電源電圧源に接続され、前記第１のトランジスタのコレクタが、前記第１のトランジスタのベースと第２のＰＮＰトランジスタのエミッタとに接続され、前記第２のＰＮＰトランジスタのコレクタが前記第２のＰＮＰトランジスタのベースと第１の抵抗の一端とに接続され、前記第１の抵抗の他端がＧＮＤに接続されており、
第２の抵抗の一端が前記電源電圧源に接続され、前記第２の抵抗の他端が第３の抵抗の一端と第１のＮＰＮトランジスタのベースとに接続され、前記第３の抵抗の他端は第３のＰＮＰトランジスタのエミッタに接続され、前記第３のＰＮＰトランジスタのベースは前記第２のＰＮＰトランジスタのベースおよびコレクタに接続され、前記第３のＰＮＰトランジスタのコレクタは第４の抵抗の一端に接続され、前記第４の抵抗の他端はＧＮＤに接続されており、
前記第１のＮＰＮトランジスタのコレクタは前記電源電圧源に接続され、エミッタは第４の抵抗の一端に接続され、前記第４の抵抗の他端はＧＮＤに接続されており、
前記第１のＮＰＮトランジスタのエミッタ電圧を当該バイアス回路の出力電圧とすることを特徴とする請求項３記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体集積回路に好適な、リミッタ回路を内蔵した光電変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の光電変換装置の回路例を示すものである。フォトダイオード４０１はアノードが接地され、カソードがリミッタ回路４１２に接続されている。リミッタ回路４１２は、オペアンプ４０２の反転入力端子と抵抗４０３およびダイオード４０４のカソードに接続され、ダイオード４０４のアノードがオペアンプ４０２の出力端子に接続されており、また抵抗４０３とダイオード４０４は並列に接続された構成となっている。
【０００３】
この光電変換装置の動作を以降に示す。フォトダイオード４０１に入射した光によって発生した電流Ｉｐｄが抵抗４０３に流れることにより電圧降下が生じ、オペアンプ４０２の非反転入力端子に接続された基準電圧源４０５によって与えられた基準電圧に対して、Ｉｐｄ×Ｒの電圧が出力端子４１０に発生する。しかし抵抗４０３と並列にダイオード４０４が接続されているため、出力電圧が基準電圧に対して約０．７Ｖのダイオード電圧（以下、「ＶＤ」という）になるとダイオード４０４がＯＮし、それ以上にフォトダイオード４０１に電流が発生してもその電流はダイオード４０４を流れるため、抵抗４０３には出力電圧が基準電圧に対してＶＤになる電流値以上は流れない。したがって出力電圧は基準電圧に対してＶＤで制限される。このような構造にすることによって、オペアンプ４０２が飽和するような大振幅の光入力信号に対してもＶＤで出力電圧を制限することができ、オペアンプ４０２が飽和しないために高速な応答特性が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光電変換装置は以上のように構成されているが、基準電圧に対してＶＤ、あるいはＶＤの整数倍でしか出力電圧を設定することができないために自由度が非常に低い。図５（ｃ）に示すようにリミッタ回路がある場合には、出力電圧をリミッタ回路で決められた電圧（以下、リミッタ電圧という。）に設定できる。この場合では、リミッタ電圧は、基準電圧に対してＶＤ、あるいはＶＤの整数倍上昇した値である。さらにこの電圧をオペアンプの飽和電圧より低く設定することにより前記した高速な応答特性が得られる。しかしながら、前記のリミッタ回路４１２の構成では、基準電圧が変化するとリミッタ電圧も変動してしまう。このため基準電圧の変動により、オペアンプの飽和電圧よりもリミッタ電圧が大きくなる可能性がある。一旦オペアンプが飽和してしまうと飽和状態から通常状態に復帰するには一定の時間を要するために、光入力信号に対する応答特性が悪化してしまう問題があった。
【０００５】
また、一般的にオペアンプの飽和電圧は、オペアンプを駆動する電圧（以下、電源電圧という。）を基準に一定の電圧で決まっているために、電源電圧が低下した場合には飽和電圧も低下する。このため、リミッタ電圧が飽和電圧を超えると、大振幅の光入力信号に対する応答特性が悪化してしまう問題があった。
【０００６】
さらにダイナミックレンジを確保するため、基準電圧を下げる、または電源電圧を上げる等の対策を行った場合でも、ダイナミックレンジはＶＤ以上にはならないといった問題もあった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を解消するためのもので、光電変換装置のリミッタ電圧を自由に設定する事ができ、かつ基準電圧や電源電圧が変動しても、大振幅の光入力信号に対して安定して高速な応答特性が得られるものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の光電変換装置は、フォトダイオードが、オペアンプの反転入力端子と、抵抗を介した出力端子に接続され、またオペアンプの出力がＮＰＮトランジスタのベースとＰＮＰトランジスタのエミッタとに接続され、前記ＮＰＮトランジスタのコレクタが電圧源、エミッタが電流源と出力端子に接続され、前記ＰＮＰトランジスタのベースがリミッタ電圧源に、コレクタがＧＮＤに接続されることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、出力端子の電圧をリミッタ電圧源の電圧とすることができる。リミッタ電圧源の電圧は自由に設定することができ、かつ基準電圧源とは独立に設定できるため、基準電圧の変動に対しても安定な応答特性が得られる。
【００１０】
また前記リミッタ電圧源として電圧源の電圧変化に対して一定の電圧を保ちながら電圧変化するようなバイアス回路を用いることにより、電源電圧の変動に対しても安定な応答特性が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における光電変換装置の回路図である。フォトダイオード１０１はアノードがＧＮＤ、カソードがリミッタ回路１１２に接続されている。リミッタ回路１１２では、オペアンプ１０２の反転入力端子が抵抗１０３を介して出力端子１１０に接続されている。またＮＰＮトランジスタ１０６のベースがオペアンプ１０２の出力端子とＰＮＰトランジスタ１０７のエミッタに、コレクタが電源電圧源１０８に、エミッタが電流源１０９と出力端子１１０に接続される。さらにＰＮＰトランジスタ１０７のベースはリミッタ電圧源１１１に、コレクタはＧＮＤに接続される。
【００１３】
次に本実施の形態における回路動作を詳細に説明する。
【００１４】
光が入射し、フォトダイオード１０１に発生した電流Ｉのうちオペアンプ１０２の入力電流は無視できるほど小さいため、そのほとんどが抵抗１０３に流れる。従って出力端子１１０には、基準電圧源１０５の電圧に対して電流Ｉに抵抗３の抵抗値Ｒを乗じた電圧がさらに加わって生じる。入力電流が増加し、出力端子１１０の電圧が上昇するとＮＰＮトランジスタ１０６のベース電圧はエミッタ電圧に対してトランジスタのベース・エミッタ間電圧（以下、「ＶＢＥ」という）を保ちながら上昇する。ＶＢＥは約０．７Ｖである。
【００１５】
ＮＰＮトランジスタ１０６のＶＢＥとＰＮＰトランジスタ１０７のＶＢＥは、ほぼ等しく設計されているので、出力端子１１０の電圧がリミッタ電圧源１１１の電圧に達した時点でＰＮＰトランジスタ１０７がＯＮし、ＰＮＰトランジスタ１０７のエミッタ電圧はベース電圧であるリミッタ電圧源１１１の電圧に対してＶＢＥの電圧に固定される。ＮＰＮトランジスタ１０６のＶＢＥとＰＮＰトランジスタ１０７のＶＢＥがほぼ等しいため、ＮＰＮトランジスタ１０６のエミッタ電圧すなわち出力端子１１０の電圧はリミッタ電圧源１１１の電圧で固定され、それ以上に上昇することはない。このためリミッタ電圧源１１１の電圧をオペアンプ１０２が飽和しない電圧に設定することにより大振幅の光信号が入射した場合でも、オペアンプ１０２が飽和する前に出力電圧がリミッタ電圧で制限されるために光入力信号に対して高速な応答特性が得られる。
【００１６】
また基準電圧源１０５の電圧が変化した場合でも、本実施の形態によれば、リミッタ電圧は基準電圧源１０５の電圧とは独立に設定できる。すなわち、図２に示すようにリミッタ電圧がオペアンプ２の飽和電圧を超えないよう容易に行える。
【００１７】
なお、ＰＮＰトランジスタ１０７のコレクタはオペアンプ１０２の反転入力端子に接続しても上記の場合と同様の効果が得られる。
【００１８】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における光電変換装置の回路図である。
【００１９】
本実施の形態では、図１に示した構成に対して、リミッタ電圧源が電源電圧源３０８に対して一定の電圧を保ちながら変化するようなバイアス回路３１２として構成されているところが異なり、それ以外は図１と同じ構成である。
【００２０】
本実施の形態において、オペアンプ３０２の飽和電圧は、電源電圧源３０８の電圧に対して一定の値となるよう決まる。このことは、実施の形態１でも同様であり、オペアンプ１０２の飽和電圧は電源電圧源１０８の電圧に対して一定の値を保ちながら変化する。
【００２１】
本実施の形態ではバイアス回路３１２の出力電圧も同様に電源電圧源３０８に対して一定の電圧を保ちながら変化する。従って、図２（ｄ）のように、電源電圧源３０８の電圧が変化した場合でも、オペアンプ３０２が飽和する出力端子３１０の電圧とバイアス回路３１２の出力電圧との関係も常に一定に保たれ、リミッタ電圧を常にバイアス回路３１２の出力電圧で制限できるために、大振幅の光入力信号に対して高速な応答特性が得られる。
【００２２】
このことについて、さらに詳細に説明する。
【００２３】
まず、バイアス回路３１２の回路例は図３中に示したとおりである。ＰＮＰトランジスタ３１３のエミッタが電源電圧源３０８に、コレクタとベースがＰＮＰトランジスタ３１４のエミッタに接続され、コレクタとベースはＰＮＰトランジスタ３１８のベースと抵抗３１５を介してＧＮＤに接続され、ＰＮＰトランジスタ３１８のコレクタは抵抗３１９を介してＧＮＤに接続され、エミッタは抵抗３１７と抵抗３１６を介して電源電圧源３０８に接続され、ＮＰＮトランジスタ３２０のベースは抵抗３１７と抵抗３１９に、コレクタは電源電圧源３０８に、エミッタは端子３２１と抵抗３２２を介してＧＮＤに接続される。この回路において端子３２１の電圧は抵抗３１６と抵抗３１７の両端の電圧が常にＶＢＥで一定であるために端子３２１、電源電圧源３０８、抵抗３１６、抵抗３１７の値をそれぞれＶ１，Ｖ２，Ｒ１，Ｒ２とすると次の式で表される。
【００２４】
Ｖ１＝Ｖ２−ＶＢＥ×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）−ＶＢＥ      （式１）
式１は、端子３２１の電圧値Ｖ１が電源電圧源３０８の電圧値Ｖ２に対して常に一定の電圧で保たれることを意味している。また、抵抗３１６と抵抗３１７の比を変えることによって端子３２１の電圧を自由に設定することが出来る。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に示した構成にすることにより、リミッタ電圧を外部電圧源によって自由に設定することができ、また電源電圧や基準電圧が変動してもリミッタ電圧がオペアンプの飽和する出力電圧を超えることがないため、大振幅の光入力信号に対して高速応答が可能となる効果が得られる。
【００２６】
また、電源電圧や基準電圧をリミッタ電圧によらず設定でき、オペアンプのダイナミックレンジを拡げられ、動作マージンの広い光電変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における光電変換装置の回路図
【図２】本発明の実施の形態１および実施の形態２における光電変換装置の応答波形であり、
（ａ）入力信号を示す図
（ｂ）リミッタ回路が無い場合の出力電圧を示す図
（ｃ）リミッタ回路を設けた場合の出力電圧を示す図
（ｄ）リミッタ回路を設けた場合であり、さらに基準電圧または電源電圧が上昇した場合の出力電圧を示す図
【図３】本発明の実施の形態２における光電変換装置の回路図
【図４】従来の光電変換装置の回路図
【図５】従来の光電変換装置の応答波形であり、
（ａ）入力信号を示す図
（ｂ）リミッタ回路が無い場合の出力電圧を示す図
（ｃ）リミッタ回路を設けた場合の出力電圧を示す図
（ｄ）リミッタ回路を設けた場合であり、さらに基準電圧が上昇した場合の出力電圧を示す図
【符号の説明】
１０１、３０１、４０１  フォトダイオード
１０２、３０２、４０２  オペアンプ
１０３、３０３、３１５、３１７、３１９、３２２、４０３  抵抗
１０５、３０５、４０５  基準電圧源
１０６、３０６  ＮＰＮトランジスタ
１０７、３０７、３１３、３１４、３１８  ＰＮＰトランジスタ
１０８、３０８  電源電圧源
１０９、３０９  電流源
１１０、３１０、４１０  出力端子
１１１  リミッタ電圧源
１１２、４１２  リミッタ回路
３１２  バイアス回路
３２１  バイアス回路３１２の出力端子
４０４  ダイオード
【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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