JP2006261866A

JP2006261866A - 前置増幅器

Info

Publication number: JP2006261866A
Application number: JP2005074173A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Kamisaka; 勝己上坂
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】回路規模を増大させることなく、電源電圧変動や温度変動に基づくノイズの影響を除去し、広ダイナミックレンジ化、マルチアプリケーション化を可能とする前置増幅器を提供する。
【解決手段】光信号を対応する電流信号Ｉinに変換する受光素子１１と、電流信号Ｉinを入力し電圧信号に変換する第１のトランスインピーダンスアンプ１３と、第１のトランスインピーダンスアンプ１３と同一の入出力特性を示す第２のトランスインピーダンスアンプ（レプリカアンプ）１４とを備え、第１及び第２のトランスインピーダンスアンプの差動信号を生成する差動信号生成回路１５からなる前置増幅器である。第２のトランスインピーダンスアンプ１４に受光素子１１からの電流信号Ｉinの平均値に相当する電流Ｉmを入力する。また、平均値に相当する電流Ｉmの生成にはカレントミラー回路を用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信システム等に用いられる前置増幅器に関し、特にトランスインピーダンスアンプからなる前置増幅器に関する。

光通信を用いた受信装置において、受光素子で受光した光信号を入力し電圧信号に変化する前置増幅器は、電源電圧変動や温度変動に基づくノイズ（同相ノイズともいう）が生じやすい。このノイズの影響を除去するには、このノイズと同じ成分を含む補助出力を同時に得て、差動入力アンプ等を用いて相殺してやればよい。この具体的な方法としては、受光素子からの光信号を増幅するアンプと同様な構成のダミーアンプ（レプリカアンプとも言う）と、このダミーアンプの入力端子に受光素子の容量と同じ容量値をもつ等価容量コンデンサを接続する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、トランスインピーダンス型の信号増幅用のアンプとそのレプリカアンプを用いて、差動出力信号の直流レベル差を小さくする方法もある（例えば、特許文献２参照）。さらに、信号増幅用のアンプとそのレプリカアンプを用いた前置増幅器で、その出力を光信号の入力側にフィードバックさせて、プリアンプの光／電気変換利得を調整する方法もある（例えば、特許文献３参照）。
特開平８−１３９３４２号公報特開２００２−７６７９３号公報米国特許第６７７８０２１号明細書

図５は、上記の特許文献１〜３を模擬した前置増幅器の構成例を示すブロック図で、１は受光素子、２は前置増幅器、３は第１のトランスインピーダンスアンプ、４は第２のトランスインピーダンスアンプ（レプリカアンプ）、５は差動信号生成回路（出力バッファアンプ）、６は帰還用アンプ、７は電流源を示す。ＰＩＮホトダイオード等の受光素子１により受光した光信号により生成された電流信号Ｉinは、信号増幅用の第１のトランスインピーダンスアンプ３に入力されて電圧信号に変換され、その出力電圧信号Ｖoutは、差動信号生成回路（以下、出力バッファアンプという）５の一方の端子に入力される。

第２のトランスインピーダンスアンプ４（以下、レプリカアンプという）は、第１のトランスインピーダンスアンプ３と同様な構成で形成されていて、その出力は、参照電圧Ｖrefとして出力バッファアンプ５の他方の端子に入力される。また、出力バッファアンプ５の出力を帰還用アンプ６を介して光信号入力側の電流源７にフィードバックすることにより、出力信号のデューティ比の安定化を図っている。

しかしながら図５に示した前置増幅器の構成では、例えば、帯域が大きく異なるマルチアプリケーションに対応するためトランスインピーダンスの切り替えを実施した場合、同時にマーク率補償用のオフセット補償ループ（ＡＯＣ）の利得も変わってしまう。そのため、ＡＯＣ利得の変動による低域カットオフ周波数の変動を避けるためにトランスインピーダンス切り替えと連動したＡＯＣ利得補償回路が必要になり、必然的に回路規模が大きくなってしまう。

また広いダイナミックレンジ化を実現するため、トランスインピーダンス型のアンプで、アンプの出力レベルを検出してトランスインピーダンスゲインを自動的に調整する自動利得調整回路（ＡＧＣ）を用いることがある。このとき、ＡＧＣとＡＯＣを併用すると２重ループの帰還制御がおこなわれることとなるため、上記のＡＧＣ、ＡＯＣループによって決まる二つのカットオフ周波数を離してやらないと、両ループが干渉し合って、低周波信号の応答でオーバーシュート等が現出してしまう。

例えば、前置増幅器として数ｋＨｚの低域カットオフが必要な場合、ＡＧＣループによって決まる低域カットオフを数ｋＨｚとすると、ＡＯＣループによって決まるカットオフは数１００Ｈｚにする必要がある。このような極めて低い周波数のカットオフは、大型の外付けのコンデンサを必要とし、受光素子と前置増幅器を１つのパッケージに収めた光受信モジュールの小型化が困難となる。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、回路規模を増大させることなく、電源電圧変動や温度変動に基づくノイズの影響を除去し、広ダイナミックレンジ化、マルチアプリケーション化を可能とする前置増幅器の提供を課題とする。

本発明による前置増幅器は、光信号を対応する電流信号に変換する受光素子と、電流信号を入力し電圧信号に変換する第１のトランスインピーダンスアンプと、第１のトランスインピーダンスアンプと同一の入出力特性を示す第２のトランスインピーダンスアンプとを備え、第１及び第２のトランスインピーダンスアンプの差動信号を生成する差動信号生成回路からなる前置増幅器である。第２のトランスインピーダンスアンプに電流信号の平均値に相当する電流を入力する。
また、前置増幅器は、二つの電流出力端子を有するカレントミラー回路をさらに含み、二つの電流端子の一方は前記受光素子と接続し、他方は前記第２のトランスインピーダンスアンプに接続し、電流信号の平均値を第２のトランスインピーダンスアンプに入力する。また、第２のトランスインピーダンスアンプの入力側に、受光素子の有する容量と等価な容量値をもつ等価容量コンデンサを挿入するようにしてもよい。

本発明によれば、レプリカアンプによる電源電圧変動や温度変動に基づくノイズの影響を除去できると共に、差動信号生成回路への参照電圧を、出力電圧信号の振幅の中心レベル或いはその近くに維持して、前置増幅器の動作特性を安定化させることができる。また、ＡＯＣの負帰還構成が不要なため、簡単な回路構成のトランスインピーダンスの調整又は切り替えで、広ダイナミックレンジ化、マルチレート化を容易に実現させることができる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による前置増幅器の構成例を示す図、図２は本発明における前置増幅器の平均値検出、電圧制御電流源の具体的な一例を示す図、図３は本発明による前置増幅器の動作特性を説明する図である。図中、１１は受光素子、１２は前置増幅器、１３は第１のトランスインピーダンスアンプ、１４は第２のトランスインピーダンスアンプ（レプリカアンプ）、１５は差動信号生成回路（出力バッファアンプ）、１６は平均電流検出回路、１７は電圧制御電流源、１８はカレントミラー回路を示す。

本発明による光受信用の前置増幅器は、従来と同様に、ＰＩＮホトダイオード等の受光素子１１により受光した光信号により生成される電流信号Ｉinを入力し電圧信号に変換する第１のトランスインピーダンスアンプ１３と、この第１のトランスインピーダンスアンプ１３と同一構成の第２のトランスインピーダンスアンプ１４（以下、レプリカアンプという）を備えている。第１のトランスインピーダンスアンプ１３で、電圧に変換された出力電圧信号Ｖoutは、差動信号生成回路（以下、出力バッファアンプという）１５の一方の入力端子に入力される。

本発明においては、レプリカアンプ１４に、受光素子１１による信号電流Ｉinの平均値に相当する電流Ｉmが入力される。電流Ｉmは、平均電流検出回路１６と電圧制御電流源１７で生成され、レプリカアンプ１４に入力される。レプリカアンプ１４では、入力電流信号Ｉinの平均値に相当する値の電圧に変換され、参照電圧Ｖrefとして出力バッファアンプ１５の他方の端子に逆相で入力される。第１のトランスインピーダンスアンプ１３の電圧信号Ｖoutと、レプリカアンプ１４の参照電圧Ｖrefの同相成分は、出力バッファアンプ１５で互いに相殺され、同相ノイズ分が除去された信号で出力される。

図２は図１の前置増幅器の具体例で、平均電流検出回路と電圧制御電流源を形成する一例を示すものである。この構成例は、例えば、受光素子１１を含む系路中に、抵抗Ｒ１，Ｒ２とトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２によるカレントミラー回路１８を設けることにより形成することができる。そして、抵抗Ｒ１とトランジスタＴｒ１のバイアス回路側にコンデンサＣ１を接続して、ＣＲフィルタ（ＬＰＦ）回路を形成することで受光素子１１の動作の安定化を図っている。このときの抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１は、平均値電流検出の積分器として共用することができる。この結果、時定数を設定するための追加外付けコンデンサ或いは大面積のチップコンデンサは不要となる。

抵抗Ｒ２とトランジスタＴｒ２の系路側には、受光素子１１による入力信号電流Ｉinの平均値に相当する電流Ｉmが発生され、レプリカアンプ１４に入力される。したがって、レプリカアンプ１４では、この入力信号電流Ｉinに対応する大きさの参照電圧Ｖrefが生成されることとなり、出力バッファアンプ１５に入力される。また、レプリカアンプ１４の入力側には、受光素子１１の容量と等価の等価容量コンデンサＣ２を挿入するようにしてもよい。この等価容量コンデンサＣ２を挿入することにより、信号増幅側のトランスインピーダンスアンプ１３とレプリカアンプ１４との特性を完全にバランスさせることができる。この結果、電源リップル耐性への改善を期待することができる。なお、等価コンデンサは図１の構成例にも適用することができる。

図３は、上述した前置増幅器１２の動作状態を説明する図で、図３（Ａ）は入力信号電流が比較的小さい場合を示し、図３（Ｂ）は入力信号電流が比較的大きい場合を示している。図３（Ａ）に示すように、信号増幅側の第１のトランスインピーダンスアンプ１３に入力信号電流Ｉinが入力されると、出力電圧信号Ｖoutが出力される。また、レプリカアンプ１４による参照電圧Ｖrefは、入力信号電流Ｉinの平均値に比例した値となる。この参照電圧Ｖrefを、例えば、トランスインピーダンスアンプ１３の出力信号電圧Ｖoutの信号振幅の中心レベルＶａに等しいか、又は近い値になるように設定しておく。

ここで、図３（Ｂ）に示すように、受光強度が強く大きな入力信号電流Ｉinが入力されたとすると、入力信号電流Ｉinに応じた大きな出力信号電圧Ｖoutは、その信号振幅がピークレベルＶｐから下方側に大きく変化する。このため、出力電圧信号Ｖoutの信号振幅の中心レベルＶａが下方側に大きく変動する。これに対し、参照電圧Ｖrefも入力信号電流Ｉinに応じた値で下方側に大きく変化する。この結果、入力信号電流Ｉinの大きさに関わらず、参照電圧Ｖrefと出力電圧信号Ｖoutの信号振幅の中心レベルＶａに追従させて、常時一致するようにさせることが可能となり、動作の安定化を図ることができる。

図４は、本発明による前置増幅器を広ダイナミック化、又はマルチレート化する例を説明する図である。図中、１９はレベル検出回路、２０はデコーダ回路を示し、その他の符号は図１と同じ符号を用いることにより説明を省略する。この例は、入力信号電流の振幅が大きくなったときに、帰還抵抗Ｒを小さくして帰還抵抗側に分流する信号電流を増加させることで、出力振幅が飽和して出力波形に歪みが生じるのを回避し、ダイナミックレンジが確保できるようにするものである。

この場合、帰還抵抗Ｒには、ＦＥＴ等を組合わせて可変抵抗的に使用可能なものを用いる。そして、トランスインピーダンスアンプ１３の出力信号をレベル検出回路１９で検出して帰還抵抗Ｒにフィードバックさせ、その帰還抵抗Ｒのインピーダンス値を可変する。なお、レベル検出回路１９の出力信号は、レプリカアンプ１４側の帰還抵抗Ｒにも加えてインピーダンス値の可変を同じように行い、帰還特性も信号増幅側のトランスインピーダンスアンプ１３と揃えるようにするのが望ましい。

また、米国規格のＳＯＮＥＴ（Synchronous Optical ＮＥＴ：同期光伝送網）、或いは、国際標準規格のＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy：同期デジタル・ハイアラーキ）のように信号の伝送速度、受信感度が大きく異なる複数のアプリケーションに対応しなければならない場合がある。このような場合は、各アプリケーションで最適となるように帰還抵抗Ｒのインピーダンス値を大きく変更する必要があり、このため、外部より伝送速度情報をデコーダ回路２０に入力し、このデコーダ回路２０からの伝送速度情報に基づいて、帰還抵抗Ｒのインピーダンス値をスイッチで切り替えできるようにするのが好ましい。なお、この場合も、レプリカアンプ１４側の帰還抵抗Ｒに対してもインピーダンス値の切り替えを行うことが望ましい。

なお、帰還抵抗Ｒの可変は、レベル検出回路１９の検出信号とデコーダ回路２０の伝送速度情報の両方を組合せて使用してもよく、それぞれ単独で使用してもよい。本発明では、出力バッファアンプ１５に対する参照電圧を生成する回路が負帰還ループ構成となっていないので、図４の構成例のように、レプリカアンプ１４の帰還抵抗Ｒをレベル検出回路１９の検出信号による自動利得制御（ＡＧＣ）との相性もよく、広ダイナミックレンジ化が容易となる。このとき、前置増幅器としての低域カットオフ波長はＡＧＣループの時定数のみで決めることができる。また、伝送速度情報に基づく動作モード切り替えにより帰還抵抗Ｒのインピーダンスが大きく変化しても、前置増幅器の低域カットオフが変化しないため、マルチレート化への対応も容易となる。

本発明による前置増幅器の構成例を示す図である。本発明における前置増幅器の平均値検出、電圧制御電流源の具体的な一例を示す図である。本発明における前置増幅器の動作特性を説明する図である。本発明による前置増幅器を広ダイナミック化、マルチレート化する例を説明する図である。従来技術を説明する図である。

符号の説明

１１…受光素子、１２…前置増幅器、１３…第１のトランスインピーダンスアンプ、１４…第２のトランスインピーダンスアンプ（レプリカアンプ）、１５…差動信号生成回路（出力バッファアンプ）、１６…平均電流検出回路、１７…電圧制御電流源、１８…カレントミラー回路、１９…レベル検出回路、２０…デコーダ回路。

Claims

光信号を対応する電流信号に変換する受光素子と、該電流信号を入力し電圧信号に変換する第１のトランスインピーダンスアンプと、前記第１のトランスインピーダンスアンプと同一の入出力特性を示す第２のトランスインピーダンスアンプとを備え、前記第１及び第２のトランスインピーダンスアンプの差動信号を生成する差動信号生成回路からなる前置増幅器であって、
前記第２のトランスインピーダンスアンプに前記電流信号の平均値に相当する電流を入力することを特徴とする前置増幅器。
光信号を対応する電流信号に変換する受光素子と、該電流信号を入力し電圧信号に変換する第１のトランスインピーダンスアンプと、前記第１のトランスインピーダンスアンプと同一の入出力特性を示す第２のトランスインピーダンスアンプとを備え、前記第１及び第２のトランスインピーダンスアンプの差動信号を生成する差動信号生成回路からなる前置増幅器であって、
二つの電流出力端子を有するカレントミラー回路をさらに含み、前記二つの電流端子の一方は前記受光素子と接続し、他方は前記第２のトランスインピーダンスアンプに接続し、前記電流信号の平均値を前記第２のトランスインピーダンスアンプに入力することを特徴とする前置増幅器。
前記第２のトランスインピーダンスアンプの入力側に、前記受光素子の有する容量と等価な容量値をもつ等価容量コンデンサを挿入したことを特徴とする請求項１又は２に記載の前置増幅器。