JP2000101126A

JP2000101126A - 光受信回路

Info

Publication number: JP2000101126A
Application number: JP10263277A
Authority: JP
Inventors: Nariyuki Sakura; 倉成之佐
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2000-04-07
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: JP3688478B2

Abstract

(57)【要約】【課題】消費電流の変動と電源線上のノイズ発生を抑
制できる光受信回路を提供する。【解決手段】本発明の光受信回路は、エミッタ接地の
NPNトランジスタＱ１と、このトランジスタＱ１のベー
ス−エミッタ間に接続されたフォトダイオード１と、エ
ミッタフォロワ構成のNPNトランジスタＱ２と、トラン
ジスタＱ１のベース端子とトランジスタＱ２のエミッタ
端子との間に接続された帰還抵抗Ｒｆと、トランジスタ
Ｑ１のベース−コレクタ端子間に接続された抵抗Ｒ１
と、トランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ端子間に接続さ
れた抵抗Ｒ２とを備える。各抵抗Ｒｆ，Ｒ１，Ｒ２を流
れる電流の総和がゼロになるように各抵抗の抵抗値を設
定する。これにより、信号電流が変化しても、消費電流
が変動しなくなり、電源線Ｖdd，Ｖssにインダクタ成分
があっても、これら電源線にノイズが発生しなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバや空間
等を介して伝送される光信号を受信して電気信号に変換
する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は光電変換を行う従来の光受信回路
の回路図である。図５の光受信回路は、エミッタ接地の
NPNトランジスタＱ１と、このトランジスタＱ１のベー
ス−エミッタ間に接続されたフォトダイオード１と、エ
ミッタフォロワ構成のNPNトランジスタＱ２と、トラン
ジスタＱ１のベース端子とトランジスタＱ２のエミッタ
端子の間に接続された帰還抵抗Ｒｆと、トランジスタＱ
２のベース−コレクタ端子間に接続された抵抗Ｒ１と、
トランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ端子間に接続された
抵抗Ｒ２とを備える。

【０００３】トランジスタＱ２のベース端子はトランジ
スタＱ１のコレクタ端子に、トランジスタＱ２のコレク
タ端子は第１の電源線Ｖddに、トランジスタＱ１のエミ
ッタ端子は第２の電源線Ｖssに、それぞれ接続されてい
る。

【０００４】フォトダイオード１は、受光した光信号の
強度に応じた信号電流を出力し、トランジスタＱ２のエ
ミッタ端子からは、この信号電流×帰還抵抗値の電圧信
号が出力される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図５に示す従来の光受
信回路では、帰還抵抗Ｒｆを流れる信号電流、抵抗Ｒ１
を流れる信号電流、および抵抗Ｒ２を流れる信号電流の
総和が特定の関係になるような回路設計は特に行ってい
なかった。例えば、帰還抵抗Ｒｆの抵抗値は必要な帯域
と感度により決定され、抵抗Ｒ１の抵抗値は必要なアン
プ帯域とノイズ特性により決定され、抵抗Ｒ２の抵抗値
は次段に接続される回路とのマッチングを考慮に入れて
決定されるのが一般的であった。

【０００６】ところが、このような従来の決定方法で
は、図５の光受信回路自身の消費電流が信号電流により
変動し、第１および第２の電源線Ｖdd，Ｖssのインダク
タ成分Ｌ１，Ｌ２によりこれら電源線Ｖdd，Ｖssにノイ
ズが発生し、光受信回路自身が不安定になったり、受信
感度が悪くなる等の問題があった。

【０００７】例えば、一例として、帰還抵抗Ｒｆが10ｋ
Ω、抵抗Ｒ１が10ｋΩ、抵抗Ｒ２が１ｋΩでフォトダイ
オード１から出力された信号電流が１μＡの場合に、第
１の電源線Ｖddに流れる信号電流について検討する。こ
の場合、帰還抵抗Ｒｆを流れる電流ｉ２も１μＡとな
り、トランジスタＱ２のエミッタ電圧の変動Δｖは、Δ
ｖ＝10ｋΩ×１μＡ＝100mＶになる。この電圧変動Δｖ
とほぼ同じ量だけ第１の電圧端子の電圧も変動する。し
たがって、抵抗Ｒ１を流れる信号電流ｉ1は、ｉ1＝100m
Ｖ／10ｋΩ＝１μＡになる。同様に、抵抗Ｒ２を流れる
信号電流ｉ３は、ｉ３＝100mＶ／１ｋΩ＝10μＡにな
る。

【０００８】ここで、電流の流れる向きを考慮に入れる
と、第１の電源線Ｖddを流れる信号電流は、−ｉ1＋ｉ
２＋ｉ３＝(-1)＋１＋10＝10μＡとなる。

【０００９】また、このとき、信号電流の時間変化が１
nsで、第１および第２の電源線Ｖdd，Ｖssの配線インダ
クタンスＬがＬ＝10nＨであると仮定すると、第１の電
源線Ｖddに生じるノイズ電圧ｖは、ｖ＝Ｌ・di／dt＝10
nＨ×10μＡ／１ns＝0.1mＶになる。

【００１０】また、トランジスタＱ１の電圧増幅率は通
常100倍程度であるため、このトランジスタＱ１のベー
ス−エミッタ間の信号電圧変動Δｖは、Δｖ＝10ｋ×１
μＡ／100＝0.1mＶになり、先に求めたノイズ分と同等
の値になり、回路の安定性、感度に大きく影響する。

【００１１】本発明は、このような点に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、消費電流の変動を抑えて電源
線にノイズが発生しないようにした光受信回路を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１の発明は、受光素子と、前記受光素子
から出力された光電変換信号がベース端子に入力される
第１のトランジスタと、ベース（ゲート）端子が前記第
１のトランジスタのコレクタ（ドレイン）端子に接続さ
れる、前記第１のトランジスタと同一導電型の第２のト
ランジスタと、前記第１のトランジスタのベース（ゲー
ト）端子と前記第２のトランジスタのエミッタ（ソー
ス）端子との間に接続された帰還抵抗と、前記第２のト
ランジスタのベース（ゲート）−コレクタ（ドレイン）
間に接続された第１の負荷と、前記第１および第２のト
ランジスタの各エミッタ（ソース）端子間に接続された
第２の負荷と、前記第２のトランジスタのコレクタ（ド
レイン）端子に接続された第１の電源線と、前記第１の
トランジスタのエミッタ（ソース）端子に接続された第
２の電源線と、を備え、前記第１の負荷、前記第２の負
荷、および前記帰還抵抗を流れる電流の総計値が略ゼロ
になるように、前記第１の負荷、前記第２の負荷、およ
び前記帰還抵抗のインピーダンスを調整するものであ
る。

【００１３】請求項１の発明を、例えば図１に対応づけ
て説明すると、「受光素子」はフォトダイオード１に、
「第１のトランジスタ」はNPNトランジスタＱ１と、
「第２のトランジスタ」はNPNトランジスタＱ２と、
「帰還抵抗」は帰還抵抗Ｒｆに、「第１の負荷」は抵抗
Ｒ１に、「第２の負荷」は抵抗Ｒ２に、「第１の電源
線」は第１の電源線Ｖddに、「第２の電源線」は第２の
電源線Ｖssに、それぞれ対応する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光受信回路に
ついて、図面を参照しながら具体的に説明する。

【００１５】（第１の実施形態）図１は光受信回路の第
１の実施形態の回路図である。図１の光受信回路は、回
路構成自体は図５に示した従来の光受信回路と同じであ
るが、（１）式の関係を満たすように各抵抗Ｒｆ，Ｒ
１，Ｒ２の抵抗値を設定する点で、図５の光受信回路と
異なる。

【００１６】１／Ｒ１＝（１／Ｒｆ）＋（１／Ｒ２） …（１）以下、（１）式の関係を満たすように各抵抗Ｒｆ，Ｒ
１，Ｒ２の抵抗値を設定する理由を説明する。フォトダ
イオード１から出力される信号電流は、光信号の強度に
応じて変化するが、信号電流が変化しても図１の第１お
よび第２の電源線Ｖdd，Ｖssに信号電流が流れないよう
にするには、図１の各抵抗Ｒｆ，Ｒ１，Ｒ２を流れる電
流ｉ1，ｉ２，ｉ３の総和がゼロになればよい。

【００１７】仮に、フォトダイオード１から出力された
信号電流をΔｉとすると、帰還抵抗Ｒｆを流れる電流ｉ
２は、Δｉに等しくなる。このとき、帰還抵抗Ｒｆの両
端電圧Δｖは、（２）式のようになる。 Δｖ＝Δｉ×Ｒｆ＝ｉ２×Ｒｆ …（２）ここで、Ｒｆは、帰還抵抗Ｒｆの抵抗値である。この
（２）式を変形すると、（３）式が得られる。ｉ２＝Δｖ／Ｒｆ …（３）また、抵抗Ｒ２を流れる電流ｉ３は、（４）式のように
なる。ｉ３＝Δｖ／Ｒ２ …（４）トランジスタＱ２のベース端子には、エミッタ端子とほ
ぼ同じ信号電圧ΔＶがかかるので、抵抗Ｒ１を流れる電
流ｉ１は、（５）式のようになる。ｉ1＝−Δｖ／Ｒ１ …（５）（５）式の右辺に負の符号をつけたのは、抵抗Ｒ１にお
ける信号電流の向きは、電源線Ｖdd，Ｖssに対して、抵
抗Ｒ２における信号電流の向きと異なるためである。

【００１８】上述したように、電流ｉ1，ｉ２，ｉ３の
総和がゼロになれば、第１および第２の電源線Ｖdd，Ｖ
ssに信号電流が流れないため、（３）〜（５）式の総和
をゼロとおくと、（６）式が得られる。 Δｖ／Ｒｆ＋Δｖ／Ｒ２＋（−Δｖ／Ｒ１）＝０ …（６）（６）式を変形すると、上述した（１）式の関係が得ら
れる。

【００１９】このように、第１の実施形態では、従来の
回路構成をまったく変更することなく、（１）式の関係
を満たすように各抵抗Ｒｆ，Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を設定
するため、信号電流が変化しても、消費電流が変動しな
くなる。したがって、第１および第２の電源線Ｖdd，Ｖ
ssにインダクタ成分があっても、これら電源線にノイズ
が発生しなくなり、感度の劣化のない安定した動作が可
能となる。

【００２０】（第２の実施形態）第２の実施形態は、第
１の実施形態よりも高帯域化を図ったものである。図２
は光受信回路の第２の実施形態の回路図である。図２で
は、図１と共通する構成部分には同一符号を付してお
り、以下では相違点を中心に説明する。図２の光受信回
路は、図１の光受信回路の構成に加えて、ベース接地の
NPNトランジスタＱ３を有する。このトランジスタＱ３
は、トランジスタＱ１のコレクタ端子とトランジスタＱ
２のベース端子との間に接続される。トランジスタＱ３
のベース端子には電圧源２が接続され、そのエミッタ端
子にはトランジスタＱ１のコレクタ端子が接続され、そ
のコレクタ端子にはトランジスタＱ２のベース端子が接
続されている。

【００２１】図２のようなベース接地のトランジスタＱ
３を設けると、このトランジスタＱ３のエミッタ電圧を
固定にでき、ミラー効果がなくなるため、高周波特性が
向上し、高帯域化が図れる。

【００２２】また、図２の回路では、各抵抗Ｒｆ，Ｒ
１，Ｒ２の抵抗値を、第１の実施形態と同様に（１）式
の関係を満たすように設定するため、第１および第２の
電源線Ｖdd，Ｖssに配線によるインダクタンスがあって
も、これら電源線Ｖdd，Ｖssにノイズが発生しなくな
り、感度の劣化のない安定した動作が可能となる。

【００２３】（第３の実施形態）図１に示す各抵抗Ｒ
ｆ，Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は、種々の事情により、必ずし
も（１）式の関係を満たすように設定できるとは限らな
い。例えば、安定に動作させるためには、抵抗Ｒ１には
ある程度電流を流す必要があり、あまり抵抗値を小さく
できない。このように、図１の各抵抗Ｒｆ，Ｒ１，Ｒ２
の抵抗値は、回路の感度、使用帯域、およびノイズ条件
等により決めなければならず、場合によっては（１）式
の関係を満たせないことがある。

【００２４】そこで、第３の実施形態は、抵抗Ｒ１，Ｒ
２のそれぞれに並列に電流源を接続し、抵抗Ｒ１，Ｒ２
に流す電流を調整できるようにしたものである。

【００２５】図３は光受信回路の第３の実施形態の回路
図である。図３では、図１と共通する構成部分には同一
符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
図３の光受信回路は、図１の光受信回路の構成に加え
て、抵抗Ｒ１に並列接続された電流源３と、抵抗Ｒ２に
並列接続された電流源４とを有する。

【００２６】電流源３は、エミッタ接地のPNPトランジ
スタＱ４と、このトランジスタＱ４のベース端子に接続
された電圧源５とからなり、電流源４は、エミッタ接地
のPNPトランジスタＱ５と、このトランジスタＱ５のベ
ース端子に接続された電圧源６とからなる。

【００２７】図３のような構成にすることにより、抵抗
Ｒ１，Ｒ２に十分な電流を流す必要がなくなり、不足分
の電流は電流源３，４から供給できるようになる。すな
わち、抵抗Ｒ１，Ｒ２に流す電流を考慮に入れて抵抗Ｒ
１，Ｒ２の抵抗値を設定しなくて済むため、（１）式の
関係を満たすように各抵抗Ｒｆ，Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を
設定することが容易になり、設計の自由度が広がる。

【００２８】（その他の実施形態）上述した第１〜第３
の実施形態では、エミッタ接地のNPNトランジスタを用
いて光受信回路を構成する例を説明したが、PNPトラン
ジスタを用いて光受信回路を構成することも可能であ
る。

【００２９】例えば、図４は、PNPトランジスタＱ
１’，Ｑ２’を用いて光受信回路を構成した例を示す回
路図であり、図１に示した第１の実施形態の回路に対応
するものである。図４の回路の場合においても、（１）
式の関係を満たすように各抵抗の抵抗値を設定すれば、
図１の回路と同様に、信号電流が変化しても消費電流が
変動しなくなり、電源線Ｖdd，Ｖssにインダクタ成分が
あっても、これら電源線Ｖdd，Ｖssにノイズが発生する
おそれはない。

【００３０】また、上述した各実施形態では、バイポー
ラトランジスタを用いる例を説明したが、MOSトランジ
スタを用いて構成してもよい。MOSトランジスタを用い
た場合、バイポーラトランジスタほどの電圧増幅率は得
られないが、動作自体は可能である。同様に、Bi-CMOS
構成のトランジスタを用いて回路を構成してもよい。

【００３１】なお、図１等では、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒｆ
として、抵抗素子を用いる例を説明したが、広く一般に
インピーダンス素子であればよく、例えばトランジスタ
で構成してもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、受光素子と、同一導電型の第１および第２のトラ
ンジスタとを有する、いわゆる並列帰還増幅回路構成の
光受信回路において、第１および第２の負荷と帰還抵抗
とを流れる電流の総計値が略ゼロになるようにしたた
め、第１および第２の電源線に信号電流が流れなくな
り、これら電源線の配線インダクタンスを原因とする各
種のノイズ、例えば、発振や不安定動作などの不具合を
解消できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光受信回路の第１の実施形態の回路図。

【図２】光受信回路の第２の実施形態の回路図。

【図３】光受信回路の第３の実施形態の回路図。

【図４】PNPトランジスタを用いて光受信回路を構成し
た例を示す回路図。

【図５】従来の光受信回路の回路図。

【符号の説明】

１フォトダイオード２，５，６電圧源３，４電流源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光素子と、前記受光素子から出力された光電変換信号がベース端子
に入力される第１のトランジスタと、ベース（ゲート）端子が前記第１のトランジスタのコレ
クタ（ドレイン）端子に接続される、前記第１のトラン
ジスタと同一導電型の第２のトランジスタと、前記第１のトランジスタのベース（ゲート）端子と前記
第２のトランジスタのエミッタ（ソース）端子との間に
接続された帰還抵抗と、前記第２のトランジスタのベース（ゲート）−コレクタ
（ドレイン）間に接続された第１の負荷と、前記第１および第２のトランジスタの各エミッタ（ソー
ス）端子間に接続された第２の負荷と、前記第２のトランジスタのコレクタ（ドレイン）端子に
接続された第１の電源線と、前記第１のトランジスタのエミッタ（ソース）端子に接
続された第２の電源線と、を備え、前記第１の負荷、前記第２の負荷、および前記帰還抵抗
を流れる電流の総計値が略ゼロになるように、前記第１
の負荷、前記第２の負荷、および前記帰還抵抗のインピ
ーダンスを調整することを特徴とする光受信回路。
【請求項２】前記第１の負荷の逆数が、前記第２の負荷
の逆数と前記帰還抵抗の逆数との和に略等しくなるよう
に、前記第１の負荷、前記第２の負荷、および前記帰還
抵抗のインピーダンスを調整することを特徴とする請求
項１に記載の光受信回路。
【請求項３】前記第１のトランジスタのコレクタ（ドレ
イン）端子と前記第２のトランジスタのベース（ゲー
ト）端子との間に、ベース（ゲート）接地のトランジス
タを挿入したことを特徴とする請求項１または２に記載
の光受信回路。
【請求項４】前記第１および第２の負荷の少なくとも一
方は、抵抗素子であることを特徴とする請求項１〜３の
いずれかに記載の光受信回路。
【請求項５】前記第１および第２の負荷の少なくとも一
方は、抵抗素子と電流源とを並列接続して構成されるこ
とを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光受信
回路。