JP4930372B2 - トランスインピーダンス増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、抵抗と容量からなる帰還回路を具備したトランスインピーダンス増幅器であって、ピーキングを抑制した高ゲイン・広帯域なトランスインピーダンス増幅器に関する。

ＤＶＤドライブの青色化に伴い、受光アンプ回路を構成するトランスインピーダンス増幅器の特性として、高ゲイン・広帯域が求められている。

図１０で示す、帰還回路部に抵抗と容量の並列接続回路を用いたトランスインピーダンス増幅器では、極周波数は１／(２π×抵抗×容量)と表すことができる。

トランスインピーダンス増幅器を広帯域化するためには、例えば、並列接続回路からなる抵抗、もしくは、容量を減少させればよい。

しかしながら、抵抗を低減した場合、ゲインが低減するため望ましくない。そこで容量を減少させればよいが、図１１で示す、周波数に対して利得が急峻に増加するピーキングという別の問題が生じる。このようなピーキングが生じると、広帯域化が図れる一方で、その周波数領域で群遅延が悪化するため好ましくない。

他の広帯域化の手段として、例えば、特許文献１には、図１２で示す帰還回路が開示されている。この帰還回路では、抵抗と容量の並列接続回路と、抵抗と容量の並列接続回路を直列に接続した構成としている。しかしながら、この構成の場合も前記従来例と同様な問題が生じる。

また、特許文献１では、図１３で示す帰還回路が同時に開示されている。この帰還回路では、抵抗と容量の並列接続回路と、抵抗と容量の並列接続回路を直列に接続し、この並列接続回路同士の接続点と接地間に容量を接続した構成としている。
特開２０００−３１５９２２号公報

しかしながら、実際に、図１３で示す帰還回路をトランスインピーダンス増幅器に適用した場合、並列接続回路同士の接続点と接地間に接続した容量には、ボンディングやコンタクトホールに起因した寄生接地インダクタンスが直列に付加され、所望の特性を得ることが難しかった。

本発明は、こうした従来技術の課題であるピーキングと接地インダクタンスによる特性劣化を解決するものであり、高ゲイン化・広帯域化を図ることができるトランスインピーダンス増幅器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のトランスインピーダンス増幅器は、２つ以上の極周波数を有する帰還回路であって、前記極周波数の中で最小極周波数以下の周波数領域においてフィルター特性が周波数に対して平坦であり、かつ、前記極周波数の中で最大極周波数以上の周波数領域においてフィルター特性が周波数に対して平坦であり、かつ、前記最小極周波数と前記最大極周波数の間の周波数領域では、周波数に対して負の傾き部分を少なくとも一つ含むフィルター特性を有する前記帰還回路を具備するように構成する。

また、前記帰還回路の最大極周波数とピーキング周波数が同一周波数であることが望ましい。

また、前記帰還回路の複数のそれぞれの極周波数と前記複数のそれぞれのピーキング周波数同士が同一であることが望ましい。

また、前記帰還回路は、複数個の抵抗と１つ以上の容量からなる２端子の帰還回路であって、該２端子間に前記複数個の抵抗を並列に接続し、かつ、前記複数個の抵抗をそれぞれ２つ以上に分割し、かつ、前記複数個の抵抗におけるそれぞれの分割点間を前記容量で接続さているように構成する。

また、前記分割された抵抗の一部の抵抗が取り除かれていてもよい。

また、前記分割された抵抗の一部の抵抗が短絡されていてもよい。

また、前記分割された抵抗の一部の抵抗が取り除かれ、かつ、前記分割された抵抗の一部の抵抗が短絡されていてもよい。

以下に本発明の効果について説明する。

本発明によれば、図１４で示すようにピーキングが生じている周波数から高周波領域のゲインを、周波数に関わらず一定量フィルタリングすることが可能である。

従って、ピーキングが生じた周波数より高い周波数でのゲインを著しく低下させることなく、ピーキングを抑制することが可能になり、加えて、広帯域化を図ることが可能になる。

上記効果が得られる理由を、図を用いて説明する。

図１５に従来例である特許文献１（特開２０００−３１５９２２号公報）の帰還回路のフィルター特性を示す。本発明では、最小極周波数から減少し、最大極周波数以上で平坦な特性を得ていたが、従来例の場合、最大極周波数以上の高周波領域において減少し続ける。

図１６に、上記フィルター特性を有する帰還回路をトランスインピーダンス増幅器に用いた場合を示す。本発明においては、前記フィルター特性により、最大極周波数以上でのゲインが高くなり、高ゲイン化・広帯域化がはかれる。

さらに上記構成によれば、帰還回路を２端子で構成しているため、接地インダクタンスの影響を受けることは無い。

本発明の第１の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る帰還回路の周波数特性を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す図である。 従来のトランスインピーダンス増幅器の帰還回路を示す図である。 従来のトランスインピーダンス増幅器によるピーキング特性を示す図である。 従来のトランスインピーダンス増幅器の帰還回路を示す図である。 従来のトランスインピーダンス増幅器の帰還回路を示す図である。 本発明による帰還回路、並びに、トランスインピーダンス増幅器の周波数特性を示す図である。 従来例による帰還回路の周波数特性を示す図である。 本発明と従来例によるトランスインピーダンス増幅器の周波数特性の比較図である。

符号の説明

1a、1b、1ab、1ac、1ad、1ae、1af トランスインピーダンス増幅器
2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、2i 抵抗
3a、3b、3c 容量
4a、4b 増幅器

本発明の実施形態についてさらに詳細に説明すべく、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
まず本発明の第１の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器について、図を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す図である。
すなわち、第１の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器1aは、抵抗2a、2b、2c、2dと、容量3aからなる帰還回路と、増幅器4aが配置されている。より具体的には、４つの抵抗（2a、2b、2c、2d）と１つの容量3aからなる２端子の帰還回路であって、抵抗2a,2bと、抵抗2c,2dと、を並列に接続し、かつ、並列接続された抵抗を２つに分割し、かつ、当該抵抗が分割された接点間を容量3aで接続している。

このトランスインピーダンス増幅器1aにより、ピーキングを抑制し、広帯域化と高ゲイン化が得られるという効果がもたらされる。

これはトランスインピーダンス増幅器1aにおける帰還回路が、図２で示す２つの極周波数を有し、かつ前記極周波数の中で低い極周波数以下の周波数領域においてフィルター特性が周波数に対して平坦であり、かつ、前記極周波数の中で高い極周波数以上の周波数領域においてフィルター特性が周波数に対して平坦であり、かつ、前記２つの極周波数間の周波数領域で、周波数に対して負の傾きを有するフィルター特性を有しているからである。

本実施形態の効果を式を用いてさらに説明する。

第１の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器1aにおける帰還回路の抵抗値を、抵抗2aをR1、抵抗2bをR2、抵抗2cをR3、抵抗2dをR4とし、容量3aの容量値をCとした場合、帰還回路の通過インピーダンスは下式(1)で与えられる。ここでω=２π×周波数、である。

さらに低周波領域では下式(2)、高周波領域では下式(3)で、通過インピーダンスが与えられる。

次に、図１３に示した帰還回路の抵抗値を、抵抗2aをR1、抵抗2bをR2、容量3aをC1、容量3bをC2、容量3cをC3とした場合、帰還回路の通過インピーダンスは下式(4)で与えられる。

ただし、

である。

さらに低周波領域では下式(5)、高周波領域では下式(6)で、通過インピーダンスが与えられる。

上式から明らかなように、トランスインピーダンス増幅器に従来例の帰還回路を適用した場合、高周波側で帰還回路の通過インピーダンスがゼロになるため、高周波側での利得が低下する。他方、第１の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器1aにおける帰還回路では、式(3)から明らかなように、高周波側で周波数に対して、一定値となるため、高周波側での著しいゲインの低下を抑制することが可能になる。

また本実施形態において望ましい前記帰還回路の極周波数は、ピーキング周波数と同一の周波数である。

また本実施形態において、図３に示すように、複数の増幅器（アンプ）4a,4bを用いて多段の構成としてもよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器について、図を参照して説明する。

図４は、第２の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す図である。すなわち、第２の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器1abは、抵抗2a、2b、2cと、容量3aからなる帰還回路と、増幅器4aが配置されている。つまり、第２の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器1abにおける帰還回路は、第１の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器1aから抵抗2dを除去して開放した回路である。

本実施形態の効果を式を用いてさらに説明する。

第２の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器1abにおける帰還回路の抵抗値を、抵抗2aをR1、抵抗2bをR2、抵抗2cをR3とし、容量3aの容量値をCとした場合、帰還回路の通過インピーダンスは下式(7)で与えられる。

さらに低周波領域では下式(8)、高周波領域では下式(9)で通過インピーダンスが与えられる。

上式から明らかなように、第１の実施形態と同様に、高周波側で周波数に対して、一定値となるため、高周波側での著しいゲインの低下を抑制することが可能になる。

また本実施形態において、図５で示すように、図４に示す帰還回路における抵抗2cを短絡した帰還回路でもよい。

また本実施形態において望ましい前記帰還回路の極周波数は、ピーキング周波数と同一の周波数である。

また本実施形態において、図６に示すように、複数の増幅器（アンプ）4a,4bを用いて多段の構成としてもよい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器について、図を参照して説明する。

図７は、第３の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器の構成例を示す図である。すなわち、第３の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器1adは、抵抗2a、2b、2c、2d、2e、2fと、容量3a、3bからなる帰還回路と、増幅器4aが配置されている。より具体的には、６つの抵抗（2a、2b、2c、2d、2e、2f）と２つの容量3a、3bからなる２端子の帰還回路であって、抵抗2a,2b,2cと、抵抗2d,2e,2fと、を並列に接続し、かつ、並列接続された抵抗を３つに分割し、かつ、当該抵抗が分割された夫々の接点間を容量3a,3bで接続している。

本実施形態の効果を式を用いてさらに説明する。

第３の実施形態に係るトランスインピーダンス増幅器1adにおける帰還回路の抵抗値を、抵抗2aをR1、抵抗2bをR2、抵抗2cをR3、抵抗2dをR4、抵抗2eをR5、抵抗2fをR6とした場合、通過インピーダンスは、低周波領域では下式(10)、高周波領域では下式(11)で与えられる。

上式から明らかなように、第１の実施形態と同様に、高周波側で周波数に対して、一定値となるため、高周波側での著しいゲインの低下を抑制することが可能になる。

また本実施形態において、前記帰還回路の最大極周波数とピーキング周波数が同一周波数であることが望ましい。

また本実施形態において、前記帰還回路の複数の極周波数と複数のピーキング周波数が同一周波数であることが望ましい。

また本実施形態において、図８に示すトランスインピーダンス増幅器1aeのように、図７に示す帰還回路における抵抗2eを短絡した帰還回路でもよい。

また本実施形態において、図９に示すトランスインピーダンス増幅器1afのように、図７に示す帰還回路における抵抗2eを短絡し、かつ、抵抗2dを取り除いて開放した帰還回路でもよい。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の具体的な構成は、上記第１乃至第３の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明の範囲に含まれる。

Claims (6)

1. ２つ以上の極周波数を有する帰還回路であって、前記極周波数の中で最小極周波数以下の周波数領域においてフィルター特性が周波数に対して平坦であり、かつ、前記極周波数の中で最大極周波数以上の周波数領域においてフィルター特性が周波数に対して平坦であり、かつ、前記最小極周波数と前記最大極周波数の間の周波数領域では、周波数に対して負の傾き部分を少なくとも一つ含むフィルター特性を有する前記帰還回路と、前記帰還回路に接続される増幅器とを具備するトランスインピーダンス増幅器であって、
   前記帰還回路の最大極周波数と前記増幅器のピーキング周波数が同一周波数であることを特徴とするトランスインピーダンス増幅器。
2. ２つ以上の極周波数を有する帰還回路であって、前記極周波数の中で最小極周波数以下の周波数領域においてフィルター特性が周波数に対して平坦であり、かつ、前記極周波数の中で最大極周波数以上の周波数領域においてフィルター特性が周波数に対して平坦であり、かつ、前記最小極周波数と前記最大極周波数の間の周波数領域では、周波数に対して負の傾き部分を少なくとも一つ含むフィルター特性を有する前記帰還回路と、前記帰還回路に接続される増幅器とを具備するトランスインピーダンス増幅器であって、
   前記増幅器は、複数のピーキング周波数を有し、前記帰還回路の複数のそれぞれの極周波数と前記複数のそれぞれのピーキング周波数同士が同一である、ことを特徴とするトランスインピーダンス増幅器。
3. 請求項２または３記載のトランスインピーダンス増幅器であって、複数個の抵抗と１つ以上の容量からなる２端子の帰還回路であって、該２端子間に前記複数個の抵抗を並列に接続し、かつ、前記複数個の抵抗をそれぞれ２つ以上に分割し、かつ、前記複数個の抵抗におけるそれぞれの分割点間を前記容量で接続したことを特徴とするトランスインピーダンス増幅器。
4. 請求項４に記載のトランスインピーダンス増幅器であって、前記分割された抵抗の一部の抵抗を取り除いたことを特徴とするトランスインピーダンス増幅器。
5. 請求項４に記載のトランスインピーダンス増幅器であって、前記分割された抵抗の一部の抵抗を短絡させたことを特徴とするトランスインピーダンス増幅器。
6. 請求項４に記載のトランスインピーダンス増幅器であって、前記分割された抵抗の一部の抵抗を取り除き、かつ、前記分割された抵抗の一部の抵抗を短絡させたことを特徴とするトランスインピーダンス増幅器。

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