JP5521783B2 - トランスインピーダンス型前置増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、光通信による受信システムに用いられるトランスインピーダンス型の前置増幅器に関する。

光通信を用いた受信システムにおいて、フォトダイオード等の受光素子で受光した光信号を電圧信号に変換する前置増幅器には、低雑音で広いダイナミックレンジが要求される。この様な要求を満たす光受信装置（RＯＳＡ：Receiver Optical Sub-Assembly）には、一般に帰還抵抗を備えたトランスインピーダンス型の前置増幅器を用いている。トランスインピーダンス型の前置増幅器は、そのダイナミックレンジと帯域を確保するために、入力パワーに応じてトランスインピーダンス値を変える方法が知られている。

例えば、特許文献１には、帰還抵抗として２つの並列接続された電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を使用し、一方のＦＥＴのゲートには一定の電圧を与え、もう一方のＦＥＴのゲートには出力振幅量に応じた直流電圧を付与して帰還量を調整することで、周波数特性および利得特性を改善することが開示されている。また、特許文献２には、伝送速度情報を出力するデコーダを備え、デコーダからの信号により帰還抵抗と内部利得抵抗（初段の負荷抵抗）を制御することで、異なる伝送速度に対して最適な周波数特性を得ることが開示されている。

特開平８−１６７８１６号公報 特開２００６−８０９８８号公報

図３（Ａ）に示すように、一般的のＲＯＳＡは、受光素子（フォトダイオード：ＰＤ）とトランスインピーダンス型前置増幅器（ＴＩＡ）からなるが、１０ＧＨｚを超えるような周波数帯域になると、ＰＤの寄生容量Ｃｐｄ等が無視できなくなる。なお、図３において、Ｑ０は入力段（初段）のトランジスタ，Ｑ１はバッファ段のトランジスタ、Ｒ０は負荷抵抗、Ｒ１は帰還抵抗、Ｒ２は抵抗である。このＲＯＳＡの周波数帯域は、ＰＤの寄生容量Ｃｐｄ等とＴＩＡの入力インピーダンスＺｉｎにより形成されるポールや、ＴＩＡ自身の回路構成により決められる。したがって、ＴＩＡの入力インピーダンスＺｉｎを変えることで、ＰＤの寄生容量Ｃｐｄ等で形成されるポールの周波数が変わり、帯域を制御することが可能である。

なお、図３（Ａ）に示すＴＩＡ回路の特性を示す諸式は、以下のように表わすことができる。
Ｚｉｎ ≒ Ｒ１／（１＋Ａ０）・・・・・・・・（１）
Ｚｔ ＝ Ｖｏｕｔ／Ｉｉｎ ≒ Ｒ１・・・・・・・・・ （２）
ｆ_−３ｄＢ ≒ （√２・Ａ０）／（２π・Ｒ１・Ｃｐｄ） ・（３）
Ａ０ ＝ ｇｍ０・Ｒ０・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
ｇｍ０ ＝ （ｑ・Ｉ０）／（ｋ・Ｔ）・・・・・・・・・（５）
（Ａ０：ＴＩＡのオープンループゲイン、ｆ_−３ｄＢ ：帯域、ｇｍ０：トランジスタＱ０の相互コンダクタンス、ｋ：ボルツマン定数、ｑ：素電荷、Ｔ：絶対温度、Ｉ０：トランジスタＱ０のコレクタ電流）

上記の式（１），（２）から、入力インピーダンス（Ｚｉｎ）を変えるには、トランスインピーダンスＺｔを変えること考えられるが、そうすると、適切な利得が得られない可能性がある。これに加えて、トランスインピーダンス（Ｚｔ≒ Ｒ１）を、特許文献１，２に開示のように可変にするための回路を付加すると、寄生容量成分の増加を招き高速動作においては不利になる恐れがある。したがって、これを回避するために、トランスインピーダンスＺｔを変えずに帯域を制御することが望まれる。

上記の式（３）からは、トランスインピーダンスＺｔを維持したままで（すなわち、帰還抵抗Ｒ１を変えずに）、周波数帯域（ｆ_−３ｄＢ）を延ばすには、ＴＩＡのオープンループゲインＡ０を増大させればよいことが分かる。この（Ａ０）を増やすには、式（４）から、トランジスタＱ０の相互コンダクタンスｇｍ０もしくは負荷抵抗Ｒ０を増やせばよい。そして、（ｇｍ０）を増やすには、式（５）から負荷電流Ｉ０’であるトランジスタＱ０のコレクタ電流Ｉ０｛図３（Ａ）ではＩ０’＝Ｉ０｝を増やしてやればよいことが分かる。

トランジスタＱ０のコレクタ電流Ｉ０を増やす方法としては、図３（Ｂ）に示すように負荷抵抗Ｒ０に並列に電流源Ｉｍを配し、電流を注入するゲインブーストが考えられる。具体的には、例えば、図４に示すような、カレントミラー回路を用いて実現される。このカレントミラー回路は、例えば、一対のＰＭＯＳＦＥＴ（Ｍ０、Ｍ１）を用いて形成され、電流源による電流Ｉｍを、負荷抵抗Ｒ０を通る負荷電流Ｉ０’にプラスしてトランジスタＱ０のコレクタ電流Ｉ０とする形態となる。

しかし、このカレントミラー回路を用いた場合、ＰＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のゲートとドレイン間の寄生容量（Ｃｇｄ）とドレインと基板（ＴＩＡを形成するシリコン基板）間の寄生容量Ｃｄｂが、Ｘ点での帯域を劣化させ高速伝送での動作を妨げる。また、Ａ０を増やすために負荷抵抗Ｒ０を大きくする場合にも、抵抗に付随する寄生容量の増大を招き、高速動作には不利な状態となる。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、トランスインピーダンス値や負荷抵抗値を変えることなく、周波数帯域の調整が可能なトランスインピーダンス型前置増幅器の提供を目的とする。

本発明によるトランスインピーダンス型前置増幅器は、増幅部と該増幅部の出力信号を帰還するトランスインピーダンス部を備えた１０ＧＨｚを超える周波数帯域で使用される前置増幅器であって、入力部（初段）の負荷抵抗に供給される電源電圧（Ｖｃｃ’）の電圧生成手段が、前置増幅器を形成する同じ集積回路内に設けられ、前記電圧生成手段は、基準電圧源（Ｖｃｃ）に接続された定電流源と複数の接続タップが設けられた抵抗との直列回路からなり、前記接続タップを選択してワイヤ接続することにより前記抵抗の抵抗値を調整することで、前記入力部の電源電圧が調整可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、ＴＩＡのトランスインピーダンス値や負荷抵抗を変えることなく、また、電流注入によるゲインブーストを行うことなく周波数帯域の調整が可能となる。また、周波数帯域調整のための電源電圧（Ｖｃｃ’）は、共通の基準電圧源（Ｖｃｃ）を用いてＴＩＡが形成される同じ集積回路内に設けた電圧生成手段で生成させることができ、該ＴＩＡが搭載されるＲＯＳＡに、外部回路との接続のための端子数の増加、変更およびＲＯＳＡパッケージの大きさ等を変えることなく実現することができる。

本発明の実施形態を説明する図である。 本発明による周波数特性調整結果の一例を示す図である。 従来技術を説明する図である。 従来技術の課題を説明する図である。

図１により本発明の概略を説明する。１０は集積回路、１１は受光素子（ＰＤ）、１２は電圧レギュレータ、１３は電圧生成手段、１４はワイヤ、１５ａ〜１５ｎは接続タップ、１６は定電流源である。その他の符号は、図３の説明で用いたのと同じ符号を用いることにより、説明を省略する。

本発明によるトランスインピーダンス型前置増幅器（ＴＩＡ）は、１０ＧＨｚを超える帯域で用いられる光受信装置（ＲＯＳＡ）に搭載されものを主な対象とする。図１（Ａ）に示すように、ＴＩＡの基本構成自体は、例えば、図３で説明したのと同様の構成で、受光素子（ＰＤ）１１で光電変換された電流信号Ｉｉｎは、ＴＩＡの初段で電圧信号に変換される。そして、この電圧信号は、バッファ段のトランジスタＱ１を経て、トランジスタＱ１のエミッタと接地された抵抗Ｒ２の接続点から、出力電圧Ｖｏｕｔとして次段の増幅回路に出力される。また、その出力は、帰還抵抗Ｒ１によりトランジスタＱ０の入力端に帰還される。

入力段のトランジスタＱ０には、そのベースにＰＤ１１での受光により生じた電流信号Ｉｉｎが入力されると、コレクタ電流Ｉ０が流れ、該コレクタ電流は負荷電流として負荷抵抗Ｒ０に流れる。上述した式（３）〜（５）により、コレクタ電流Ｉ０を増加させることによりオープンループゲインＡ０が増加され、ＴＩＡの周波数帯域を広げることが可能となる。本発明においては、コレクタ電流Ｉ０の調整は、負荷抵抗Ｒ０に供給される電源電圧（Ｖｃｃ’）を調整可能にしておくことにより、負荷抵抗Ｒ０、帰還抵抗Ｒ１の設定値を変更することなく行うことができる。

なお、コレクタ電流Ｉ０は、おおよそ次の式で表すことができる。
Ｉ０≒｛Ｖｒｅｇ−（Ｖｂｅ０＋Ｖｂｅ１）｝／Ｒ０・・・・（６）
ここで、（Ｖｒｅｇ）は負荷抵抗Ｒ０の一方の端子に供給される電源電圧であり、（Ｖｂｅ０）はトランジスタＱ０のベース−エミッタ間の電圧であり、（Ｖｂｅ１）はトランジスタＱ１のベース−エミッタ間の電圧である。なお、帰還抵抗Ｒ１に流れる電流は無視しうる程度の状態（例えば入力電流が小さい、もしくは直流的な入力電流が中和されるような仕組みが備わっている）で、この部分での電圧降下はないとする。

上記の式（６）において、負荷抵抗Ｒ０、電圧Ｖｂｅ０，Ｖｂｅ１の値は、共に一定であるとすると、電源電圧Ｖｒｅｇを調整することによりコレクタ電流Ｉ０を変えることができる。この電源電圧Ｖｒｅｇの調整には、例えば、電圧レギュレータ１２と電圧生成手段１３を用いて行うことができる。電圧レギュレータ１２は、例えば、ボルテージフォロー回路を用いたオペアンプで形成することができる。この回路は、高入力インピーダンスであるので電源側から電流を流す必要がなく、そして、低出力インピーダンスとなるので出力電流は取り出すことができる。また、上記の電圧レギュレータ１２および電圧生成手段１３は、ＴＩＡを形成する同じ集積回路チップ内に設けられる。

電圧生成手段１３は、図１（Ｂ）に示すような電圧調整回路を用いることができる。この電圧生成手段１３は、集積回路等の基準電圧源（Ｖｃｃ・・・例えば、バンドギャップリファレンス回路で形成される）を用いて、ＴＩＡの集積回路１０内に所望の電位を生成するもので、直列接続された複数個の抵抗（Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５・・・Ｒｎ）と定電流源１６とからなる。なお、複数個の抵抗（Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５・・・Ｒｎ）は、直列接続以外に並列接続されたものが含まれていてもよい。

そして、定電流源１６と抵抗Ｒ３との間から、電圧レギュレータ１２に入力される電圧Ｖｒｅｇを取り出す。このとき、電圧レギュレータ１２の出力はＶｒｅｇとなり、Ｖｃｃ’＝Ｖｒｅｇとなる。また、抵抗Ｒ３とＲ４との間から接続タップ１５ａを、抵抗Ｒ４とＲ５との間から接続タップ１５ｂ、というように、各抵抗間から接続タップ（１５ａ〜１５ｎ）を取出しておく。なお、上記の直列抵抗回路は、１つの抵抗Ｒを適当な間隔で分け、その分けた部分から接続タップを引き出す形態であってもよい。

接続タップ（１５ａ〜１５ｎ）のうち、所望の接続タップを選択して、金線等のワイヤ１４を用いてボンディングし、ＴＩＡが搭載されるＲＯＳＡのパッケージ基板等の接地電位に落とす。この結果、例えば、抵抗Ｒ３とＲ４との間の接続タップ１５ａを選択してワイヤ１４で接地した場合は、抵抗Ｒ３と定電流源１６の電流Ｉｒｅｇによる電圧が生成され、この電圧値が電源電圧Ｖｒｅｇとされる。抵抗Ｒ４とＲ５との間の接続タップ１５ｂを選択してワイヤ１４で接地した場合は、抵抗（Ｒ３＋Ｒ４）と定電流源１６の電流Ｉｒｅｇによる電圧が生成され、接続タップ１５ａを選択した場合より高い電圧値の電源電圧Ｖｒｅｇが得られる。なお、接続タップ（１５ａ〜１５ｎ）間をワイヤ等を用いて電気的に短絡することによっても、生成される電源電圧Ｖｒｅｇの電圧値を調整することができる。

図２は、本発明によるＴＩＡを用いて電源電圧Ｖｒｅｇを調整したときのトランスインピーダンスＺｔ（ゲイン）の周波数特性を示す図である。周波数特性（ａ）は、例えば、図１（Ｂ）の接続タップ１５ａを接地（抵抗Ｒ３のみに電流Ｉｒｅｇが流れる）した場合である。周波数特性（ｂ）は、接続タップ１５ｂを接地（抵抗Ｒ３とＲ４に電流Ｉｒｅｇが流れる）した場合であり、周波数特性（ｃ）は、接続タップ１５ｃを接地（抵抗Ｒ３とＲ４とＲ５に電流Ｉｒｅｇが流れる）した場合である。

電圧生成手段の抵抗値を増加して電源電圧Ｖｒｅｇを高くすると、負荷電流、すなわちＱ０のコレクタ電流が増加し、式（３）により帯域が延びて周波数特性は（ａ）から（ｃ）に移る。低周波側のトランスインピーダンス値から規定の−３ｄＢだけ下げたところの周波数帯域は、例えば、周波数特性（ａ）では１６.５ＧＨｚとなり、周波数特性（ｃ）では１９.５ＧＨｚとなり、帯域を調整することが可能となる。

ワイヤ１４は、集積回路１０上にＴＩＡを形成した後に所望の接続タップ（１５ａ〜５ｎ）を選択して、搭載されるＲＯＳＡの接地端子等に直接接続することができる。一方、ＴＩＡは、製造後にその使用帯域を変更したり、また、ＴＩＡの製造過程でその特性に多少のバラツキが生じることがある。このような場合、ＴＩＡの製造後に、上記の電圧生成手段１３の接続タップを選択して電源電圧Ｖｒｅｇを調整することで、コレクタ電流Ｉ０を調整することができ、オープンループゲインを変化させて周波数特性を調整できる。これにより、バラツキのない均一な品質のＲＯＳＡとしたり、電源電圧Ｖｒｅｇを増加させて、高周波側の帯域を延ばすようにすることができる。

なお、電圧レギュレータ１２および電圧生成手段１３は、図１（Ａ）に示すように、ＴＩＡを形成する集積回路内に設けずに、基準電源（Ｖｃｃ）とは別に外部回路から直接に電源電圧Ｖｒｅｇとして供給することも考えられる。しかしながら、この場合は、ＴＩＡが搭載されるＲＯＳＡに電源電圧Ｖｒｅｇのための外部接続端子を必要とする。このため、端子数増加のためのスペース確保で、ＲＯＳＡのパッケージ形状を大きくする必要があり、小型化の要求の要求を満たすことができない。また、端子数増加は標準仕様を満たさないなどの問題もある。したがって、電圧レギュレータ１２および電圧生成手段１３を、ＴＩＡを形成する集積回路チップ内に設けることで、ＲＯＳＡのパッケージの構成に影響を与えないようにすることができる。

１０…集積回路、１１…受光素子（ＰＤ）、１２…電圧レギュレータ、１３…電圧生成手段、１４…ワイヤ、１５ａ〜１５ｎ…接続タップ、１６…定電流源。

Claims (1)

1. 増幅部と該増幅部の出力信号を帰還するトランスインピーダンス部を備えた１０ＧＨｚを超える周波数帯域で使用される前置増幅器であって、
   前置増幅器の入力部（初段）の負荷抵抗に供給される電源電圧の電圧生成手段が、前記前置増幅器を形成する同じ集積回路内に設けられ、前記電圧生成手段は、基準電圧源に接続された定電流源と複数の接続タップが設けられた抵抗との直列回路からなり、前記接続タップを選択してワイヤ接続することにより前記抵抗の抵抗値を調整することで、前記入力部の電源電圧が調整可能とされていることを特徴とするトランスインピーダンス型前置増幅器。

Images