JP2013102558A - 光受信回路用信号増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】受信した光信号を電流信号に変換する受光素子に接続される信号増幅器において、メインアンプの入力段の入力インピーダンスが無視できないときに設けられるレベル調整抵抗の影響を少なくし、広帯域の周波数特性と高い光受信感度特性とを得る。
【解決手段】信号増幅器は、電流信号を電圧に変換して出力するプリアンプと、少なくとも入力段が差動回路からなりプリアンプから出力された電圧信号を増幅するメインアンプと、プリアンプとメインアンプとの間に設けられ電圧信号が供給される２個以上のフォロワ回路と、プリアンプの出力とメインアンプの各入力との間の経路において各フォロワ回路ごとに設けられる抵抗値が等しい抵抗と、抵抗のうちの１つに対して一端が接続し、他端が接地されたコンデンサと、を備えている。コンデンサとそのコンデンサに接続する抵抗とによって、電圧信号の平均電位を検出するローパスフィルタが構成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、高速光通信システムにおいて光信号を受信するために用いられる光受信回路に関し、特に、光受信回路内で用いられ、光電変換素子からの電流信号を電流−電圧変換して増幅する信号増幅器に関する。

近年、情報信号処理の分野においてより高度の処理が求められており、それにつれて、より広帯域な信号を処理できる半導体集積回路が必要になってきている。特に光通信システムにおいては、伝送速度が著しく向上し、例えば、２．４ギガビット／秒（Ｇｂ／ｓ）あるいは１０Ｇｂ／ｓの伝送速度での光伝送が実用化されており、さらには４０Ｇｂ／ｓ以上の伝送速度を有するシステムの研究開発も行われている。光受信回路は、光ファイバなどの伝送媒体から出射された光信号を電気信号に変換するための回路であり、光信号を電流信号に変換する受光素子（すなわち光電変換素子）と、受光素子からの電流信号を電圧信号に変換し、後段に接続される回路に必要な電圧にまでその電圧信号を増幅する信号増幅器と、から構成されている。

図１は、関連技術における光受信回路の回路構成の一例を示している。図１に示される光受信回路４００は、光ファイバなどから出射された光信号４０１を電流信号に変換する受光素子４０２と、受光素子４０２の出力に接続され、帰還抵抗４０４を有するトランスインピーダンスアンプで構成されたプリアンプ（前置増幅器）４０３と、抵抗値がＲである抵抗４０６と容量値がＣであるコンデンサ４０７とで構成されたローパスフィルタ（ＬＰＦ）４０５と、縦続接続された２段の差動増幅回路で構成されたメインアンプ（主増幅器）４１０と、を有している。ＬＰＦ４０５は、プリアンプ４０３の出力信号のうちの低周波成分を透過させて低周波信号として出力するものである。プリアンプ４０３、ＬＰＦ４０５及びメインアンプ４１０によって信号増幅器が構成されている。プリアンプ４０３及びメインアンプ４１０は、いずれも、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を基本トランジスタとして用いて構成された回路である。基本トランジスタとは、能動素子として、増幅回路において電気信号の増幅動作に関係するトランジスタのことである。

受光素子４０２としては、例えば、フォトダイオードなどの半導体受光素子が使用される。受光素子４０２のカソードは、受光素子用の電源４１４に接続されており、このカソードには逆電圧が印加されている。受光素子４０２のアノードは、プリアンプ４０３の入力端子に接続している。受光素子４０２は、光ファイバなどから出射された光信号４０１を受光し、光信号に対応する電流信号(Photo Current)に変換し、その電流信号を出力する。プリアンプ４０３において、受光素子４０２で発生した電流は帰還抵抗４０４に流れ、これによって帰還抵抗４０４の両端に電位差が生じ、これに対応してプリアンプ４０３の出力電位が変化する。このようなプリアンプ４０３の動作を電流−電圧変換という。

メインアンプ４１０は、プリアンプ４０３の出力である電圧信号を増幅する。プリアンプ４０３の出力ＯＵＴＡは、メインアンプ４１０の初段の差動増幅回路の一方の入力端子（非反転入力端子）ＩＮＡに導かれる。このように非反転入力端子ＩＮＡに供給される信号のことを主信号と呼ぶ。メインアンプ４１０の初段の差動増幅回路の他方の入力端子（反転入力端子）ＩＮＡＢには、プリアンプ４０３の出力からＬＰＦ４０５を通した低周波信号が入力される。ＬＰＦ４０５からの低周波信号は、抵抗４０６とコンデンサ４０７による時定数Ｔの程度以下の時間幅における、プリアンプ４０３から出力される信号についての瞬時平均値を与える。時定数Ｔは、Ｔ＝ＣＲで表わされる。

メインアンプ４１０は、２つ信号入力、すなわち光信号に重畳されたデータに対応する主信号（非反転入力端子ＩＮＡへの信号）とその瞬時平均値（反転入力端子ＩＮＡＢへの信号）との差を増幅して、相補的な１対の出力ＯＵＴ，ＯＵＴＢを生成する。したがってこの光受信回路では、ＬＰＦ４０５から得られる瞬時平均値に対して光信号の瞬時値が大きいか小さいかに応じて出力ＯＵＴ，ＯＵＴＢの極性が変化することになる。このような相補出力ＯＵＴ，ＯＵＴＢを用いることによって、光信号に応じた処理を行うことが可能になる。プリアンプ４０３及びメインアンプ４１０に対して共通の電源４１１が設けられており、メインアンプ４１０では、差動増幅回路ごとに定電流源回路４１２が設けられている。

ＬＰＦ４０５では、プリアンプ４０３の出力ＯＵＴＡとメインアンプ４１０の反転入力ＩＮＡＢとの間に抵抗４０６が設けられるとともに、コンデンサ４０７の一端は抵抗４０３と反転入力ＩＮＡＢとの接続点に接続し、他端は接地されている。このようなＬＰＦ４０５のカットオフ周波数ｆ_cは、

で与えられる。したがって、この光受信回路で処理しようとするデータ信号の低域側の周波数によって、抵抗４０６の抵抗値Ｒとコンデンサ４０７の容量値Ｃが決定される。

図１に示した光受信回路は、ゲートに電流が流れないＦＥＴを基本トランジスタとして用いる信号増幅器によって構成されているが、図２に示すように、基本トランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いた信号増幅器によって光信号受信回路を構成することも可能である。図２に示す光受信回路４２０は、図１に示した光受信回路の信号増幅器における各ＦＥＴをそれぞれＮＰＮ型バイポーラトランジスタで置き換えたものである。すなわち図２に示した回路は、図１に示したプリアンプ４０３の代わりにバイポーラトランジスタを用いたプリアンプ４２３が設けられ、図１に示したメインアンプ４１０の代わりにバイポーラトランジスタを用いたメインアンプ４３０が設けられたものである。プリアンプ４２３、ＬＰＦ４０５及びメインアンプ４３０によって信号増幅器が構成されている。

基本トランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いる信号増幅器を有する光受信回路４２０では、抵抗４０６と容量４０７からなるＬＰＦ４０５を用いても、バイポーラトランジスタに流れるベース電流によって、主信号の非反転入力端子ＩＮＡでのＤＣ（直流）レベルと、ＬＰＦ４０５から出力されて反転入力端子ＩＮＡＢに印加される信号での瞬時平均値とでは、電圧レベルにおいて若干の差が生じる。長距離を伝送してきた微弱な光信号を受光する場合には、この電圧差によって信号の増幅ができないことがある。つまり受信感度が低下する。このような差に起因する問題を解決する方法として、図２に示した回路では、プリアンプ４２３の出力ＯＵＴＡとメインアンプ４３０の非反転入力ＩＮＡとの間に、ＬＰＦ４０５に設けられている抵抗４０６と同じ抵抗値を有するレベル調整抵抗４０８が挿入されている。しかしながら、差動回路への主信号の入力経路にレベル調整抵抗４０８を挿入すると、光受信回路用信号増幅器全体としての帯域が狭くなり、特に、高域側での利得が低下する。

図３は、図２に示す光受信回路４２０において信号増幅器のレベル調整抵抗４０８の値を変化させた場合における、信号増幅器全体としてのトランスインピーダンス利得の周波数特性を示している。レベル調整抵抗４０８の抵抗値Ｒが増加するにつれて高域側での利得が大きく低下することが分かる。前述したように、レベル調整抵抗４０８の値、すなわちＬＰＦ４０５の抵抗４０６の値Ｒは、データ信号の低域側の周波数で決定される。例えば、光受信回路を内蔵するモジュール内部に実装可能な容量値（例えば０．１１μＦ）を考慮すると、低域の遮断周波数を３０ｋＨｚとする場合には、必要な抵抗値Ｒは５０Ω以上となるが、かかる大きさの抵抗値のレベル調整抵抗４０８を有する従来の光受信回路用信号増幅器では、信号増幅器における高域側のトランスインピーダンス利得が著しく低下する。

バイポーラトランジスタを基本トランジスタとして用いる光受信回路用信号増幅器であっても、高い受信感度と高域側での高い利得を維持することが望まれる。

本発明に関連する技術として、日本国：特開２０００−３１９１４号公報（特許文献１）には、受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いる光受信回路が開示されている。この光受信回路では、プリアンプとメインアンプとの間に設けられるＬＰＦとしてベッセル特性を有するものを使用するともに、メインアンプの出力レベルを検出し、検出されたレベルに応じてＡＰＤに印加される電圧を変化させることにより、広いダイナミックレンジにわたって遮断周波数と群遅延の変動を小さくしている。

日本国：特開２０００−２６９５９０号公報（特許文献２）は、光受信回路ではなく光送信回路に係るものではあるが、送信すべき光信号に対応する電気信号を受けるエミッタフォロワ回路を設け、このエミッタフォロワ回路の出力によってレーザダイオード駆動用のトランジスタを駆動することを開示している。

日本国：特開２００３−５１７２３号公報（特許文献３）は、受光素子に直結するプリアンプとして差動増幅回路を用いるとともに、メインアンプの初段をエミッタフォロワ回路としてプリアンプの出力とメインアンプの入力とを直結し、さらに、ローパスフィルタを含む自動オフセット調整回路をプリアンプの反転入力側に接続した光受信回路を開示している。

日本国：特開平９−２０５３３１号公報（特許文献４）は、第１の差動増幅段と第１のエミッタフォロワと第２の差動増幅段と第２のエミッタフォロワとがこの順で縦続接続された差動増幅回路において、第１のエミッタフォロワと第２の差動増幅段との間に抵抗を挿入することを開示している。

日本国：特開平９−２３３０３０号公報（特許文献５）は、受光素子に接続するプリアンプとメインアンプとの間にＬＰＦを設けることを開示している。

特開２０００−３１９１４号公報 特開２０００−２６９５９０号公報 特開２００３−５１７２３号公報 特開平９−２０５３３１号公報 特開平９−２３３０３０号公報

本発明の目的は、光受信回路に用いられ、プリアンプと差動増幅回路からなるメインアンプとを有し、プリアンプとメインアンプとの間にＬＰＦが挿入され、光信号の瞬時値とＬＰＦから得られる瞬時平均値との差をメインアンプで増幅するようにした信号増幅器であって、メインアンプの入力段の入力インピーダンスが無視できないときに設けられるレベル調整抵抗の影響を少なくし、広帯域の周波数特性と高い光受信感度特性とを得ることができるようにした信号増幅器を提供することにある。

本発明の第１の例示態様によれば、受信した光信号を電流信号に変換する受光素子に接続される信号増幅器は、電流信号を電圧に変換して出力するプリアンプと、一対の出力を備え、少なくとも入力段が差動回路からなりプリアンプから出力された電圧信号を増幅するメインアンプと、プリアンプとメインアンプとの間に設けられ電圧信号が供給される２個以上のフォロワ回路と、プリアンプの出力とメインアンプの各入力との間の経路において各フォロワ回路ごとに設けられる抵抗値が等しい抵抗と、抵抗のうちの１つに対して一端が接続し、他端が接地されたコンデンサと、を備え、コンデンサとそのコンデンサに接続する抵抗とによって、電圧信号の平均電位を検出するローパスフィルタが構成され、メインアンプの一対の出力から、振幅が等しく直流レベルも同じである相補出力を得る。

本発明の第２の例示態様によれば、受信した光信号を電流信号に変換する受光素子に接続される信号増幅器は、電流信号を電圧に変換して出力するプリアンプと、一対の出力を備え、少なくとも入力段が差動回路からなりプリアンプから出力された電圧信号を増幅するメインアンプと、第１及び第２のエミッタフォロワ回路と、一端が第１のエミッタフォロワ回路の入力に接続する第１の抵抗と、一端が第２のエミッタフォロワ回路の入力に接続し、第１の抵抗と同じ抵抗値の第２の抵抗と、第２の抵抗の一端と接地点との間に挿入されたコンデンサと、を備え、第１の抵抗の他端と第２の抵抗の他端とが共通接続され、この共通接続点に対してプリアンプの出力が供給され、第１及び第２のエミッタフォロワ回路の出力がそれぞれ差動回路の１対の入力に接続し、コンデンサと第２の抵抗とによって、電圧信号の平均電位を検出するローパスフィルタが構成され、メインアンプの一対の出力から、振幅が等しく直流レベルも同じである相補出力を得る。

本発明の第３の例示態様によれば、受信した光信号を電流信号に変換する受光素子に接続される信号増幅器は、電流信号を電圧に変換して出力するプリアンプと、少なくとも入力段が差動回路からなりプリアンプから出力された電圧信号を増幅するメインアンプと、第１及び第２のエミッタフォロワ回路と、第１のエミッタフォロワ回路においてトランジスタと第１のエミッタフォロワ回路の出力との間に設けられた第１の抵抗と、第２のエミッタフォロワ回路においてトランジスタと第２のエミッタフォロワ回路の出力との間に設けられ、第１の抵抗と同じ抵抗値の第２の抵抗と、第２の抵抗の一端と接地点との間に挿入されたコンデンサと、を備え、第１のエミッタフォロワ回路の入力と第２のエミッタフォロワ回路の入力とが共通接続され、この共通接続点に対してプリアンプの出力が供給され、第１及び第２のエミッタフォロワ回路の出力がそれぞれ差動回路の１対の入力に接続し、コンデンサと第２の抵抗とによって、電圧信号の平均電位を検出するローパスフィルタが構成されている。

トランジスタなどを能動素子として用いる増幅回路のうち、エミッタフォロワ回路やソースフォロワ回路などのフォロワ回路は、一般に、差動増幅回路よりも高い入力インピーダンスと広い周波数帯域とを有する。そこで、光受信回路に設けられる信号増幅器においてプリアンプとメインアンプとの間に並列に２個以上のフォロワ回路を設け、一方のフォロワ回路に対してレベル調整抵抗を接続し他方のフォロワ回路に対してローパスフィルタを接続することによって、レベル調整抵抗を接続した場合の帯域減少や感度低下を防止することができる。これによって、バイポーラトランジスタなどの入力インピーダンスが低い能動素子を用いて光受信回路用信号増幅器を構成する場合であっても、広帯域の周波数特性と高い光受信感度特性を得ることが可能になる。

関連技術における光受信回路の構成の一例を示す回路図である。 関連技術における光受信回路の構成の別の例を示す回路図である。 図２に示す光受信回路での信号増幅器のトランスインピーダンス利得の周波 数特性を示すグラフである。 本発明の第１の例示実施形態の光受信回路の構成を示す回路図である。 図４に示す光受信回路での信号増幅器のトランスインピーダンス利得の周波数特性を示すグラフである。 本発明の第２の例示実施形態の光受信回路の構成を示す回路図である。 本発明の第３の例示実施形態の光受信回路の構成を示す回路図である。 本発明の第４の例示実施形態の光受信回路の構成を示す回路図である。

《第１の例示実施形態》
図４に示す第１の例示実施形態の光受信回路１００は、光ファイバなどから出射された光信号１０１を電流信号に変換する受光素子１０２と、受光素子１０２の出力に接続され、帰還抵抗１０４を有するトランスインピーダンスアンプで構成されたプリアンプ（前置増幅器）１０３と、抵抗値がＲである抵抗１０６と容量値がＣであるコンデンサ１０７とで構成されたローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０５と、縦続接続された２段の差動増幅回路で構成されたメインアンプ（主増幅器）１１０とを有している。ＬＰＦ１０５は、プリアンプ１０３の出力信号のうちの低周波成分を透過させて低周波信号として出力するものである。さらにこの光受信回路１００では、プリアンプ１０３とメインアンプ１１０との間に後述するエミッタフォロワ部１０９が設けられており、ＬＰＦ１０５は、このエミッタフォロワ部１０９の前段に形成されている。プリアンプ１０３からメインアンプ１１０に至るまでの各回路によって、受光素子１０２に接続される信号増幅器が構成されている。プリアンプ１０３、エミッタフォロワ部１０９及びメインアンプ１１０は、いずれも基本トランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いている。また、プリアンプ１０３、エミッタフォロワ部１０９及びメインアンプ１１０に対して共通に電源１１１が設けられており、これらの回路に例えば＋５Ｖの電源電圧を供給している。この構成において、プリアンプ１０３、エミッタフォロワ部１０９及びメインアンプ１１０は、半導体集積回路として、同一の半導体基板上に形成されている。

受光素子１０２は、光信号４０１を受光して電流信号に変換し、その電流信号を出力するものであって、例えば、フォトダイオードなどの半導体受光素子によって構成されている。特にこの例示実施形態では、受光素子１０２として、例えば、ＩｎＧａＡｓ系のピン（ＰＩＮ）フォトダイオード(Photo Diode)またはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Avalanche Photo Diode）が好ましく使用される。受光素子１０２の受光波長帯としては、ＩｎＧａＡｓにおける各元素の組成を調整することにより１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯を選択することができる。

プリアンプ１０３は、バイポーラトランジスタ１個からなる増幅段と、２個のバイポーラトランジスタが直列に接続された出力段とを有するとともに、例えば抵抗値が４００Ωである帰還抵抗１０４を備え、上述したように、トランスインピーダンスアンプとして構成されている。帰還抵抗１０４の値は、電流−電圧変換効率や周波数特性により、適宜選択される。増幅段のバイポーラトランジスタのゲートには受光素子１０２のアノードが接続し、受光素子１０２のカソードには、受光素子用の電源１１４から、逆電圧が印加されている。プリアンプ１０３において、受光素子１０２からの電流信号は帰還抵抗１０４に流れ、これによって帰還抵抗１０４の両端には電位差が生じ、これに対応してプリアンプ１０３の出力電位が変化する。

プリアンプ１０３及びメインアンプ１１０の構成は、それぞれ、基本トランジスタとしてバイポーラトランジスタが用いられている図２に示した関連技術の光受信回路４２０における、プリアンプ４２３及びメインアンプ４３０と同様のものである。

エミッタフォロワ部１０９は、２個のエミッタフォロワ回路、すなわちトランジスタＱ１を有する第１のエミッタフォロワ回路とトランジスタＱ２を有する第２のエミッタフォロワ回路とを備えるものである。プリアンプ１０３の出力ＯＵＴＡは、レベル調整抵抗１０８を介して第１のエミッタフォロワ回路の入力すなわちトランジスタＱ１のベースに接続し、第１のエミッタフォロワ回路の出力はメインアンプ１１０の非反転入力端子ＩＮＡに直接接続されている。また、プリアンプ１０３の出力ＯＵＴＡは、抵抗１０６とコンデンサ１０７で構成されたＬＰＦ１０５を介して、第２のエミッタフォロワ回路の入力すなわちトランジスタＱ２のベースに接続され、第２のエミッタフォロワ回路の出力はメインアンプ１１０の反転入力端子ＩＮＡＢに直接接続される。レベル調整抵抗１０８の抵抗値は、ＬＰＦ１０５の抵抗１０６の抵抗値Ｒと等しく、抵抗値Ｒは典型的には５０Ωである。コンデンサ１０７は、この光受信回路を構成する半導体集積回路の内部に構成できる場合もあるが、ここに示す例ではその容量値Ｃを０．１１μＦとして、半導体集積回路の外部に設けられるチップコンデンサによって構成している。

このようにＬＰＦ１０５では、プリアンプ１０３の出力ＯＵＴＡと第２のエミッタフォロワ回路との間に抵抗１０６が設けられるとともに、コンデンサ１０７の一端は抵抗１０３とエミッタフォロワ回路との接続点に接続し他端は接地されている。ＬＰＦ１０５のカットオフ周波数ｆ_cは、

で与えられ、上述したＲとＣの値により、およそ３０ｋＨｚとなる。ＬＰＦ１０５からは、このカットオフ周波数ｆ_cよりも低い周波数である低域濾波信号が出力し、この低域濾波信号は、プリアンプ１０３から出力される主信号の瞬時平均値を与え、第２のエミッタフォロワ回路を介して、メインアンプ１１０の反転入力端子ＩＮＡＢに入力される。これに対し、カットオフ周波数ｆ_cよりも高い周波数の信号成分は、ＬＰＦ１０５により阻止されて、メインアンプ１１０の反転入力端子ＩＮＡＢには入力されない。

２段の差動増幅回路により構成されたメインアンプ１１０は、差動増幅段ごとに定電流源回路１１２を備えている。初段の差動増幅回路の非反転入力端子ＩＮＡには、プリアンプ１０３によって電流−電圧変換された信号が、主信号として、レベル調整抵抗１０８と第１のエミッタフォロワ回路を介して入力される。一方、初段の差動増幅回路の反転入力端子ＩＮＡＢには、ＬＰＦ１０５の作用により、非反転入力端子ＩＮＡへの主信号の瞬時平均値が与えられる。その結果、図１に示した光受信回路の場合と同様に、メインアンプ１１０の一対の出力ＯＵＴ，ＯＵＴＢには、振幅が等しく直流レベルも同じである相補出力が得られる。

図５は、図４に示す光受信回路１００において信号増幅器のレベル調整抵抗１０８の値を変化させた場合における、信号増幅器全体としてのトランスインピーダンス利得の周波数特性を示している。レベル調整抵抗１０８の抵抗値を０Ωから１００Ωと増加させても、帯域や周波数特性にほとんど変化がないことが分かる。これは、差動増幅回路よりもエミッタフォロア回路の方が、帯域幅が広くて入力抵抗による帯域低下の影響を受けにくいためである。このように、エミッタフォロワ部１０９を設け、レベル調整抵抗１０８を第１のエミッタフォロワ回路の入力側に設けることにより、光受信回路１００に設けられる信号増幅器の全体としての帯域特性の向上を実現できる。

特に、ＬＰＦ１０５におけるコンデンサ１０７の容量値Ｃを小さくする必要がある場合には、その分、抵抗１０６の抵抗値Ｒを大きくしなければならないが、その場合には、レベル調整抵抗１０８の値も大きくなる。本例示実施形態によれば、レベル調整抵抗１０８の抵抗値が大きい場合であっても、光受信回路用信号増幅器において十分な帯域特性、周波数特性を得ることができる。

《第２の例示実施形態》
図６に示す第２の例示実施形態の光受信回路２００は、図４に示す光受信回路と同様のものであって、光ファイバから出射された光信号２０１を電流信号に変換する受光素子２０２と、受光素子２０２の出力に接続され、帰還抵抗２０４を有するトランスインピーダンスアンプで構成されたプリアンプ２０３と、抵抗値がＲである抵抗２０６と容量値がＣであるコンデンサ２０７で構成されたＬＰＦ２０５と、縦続接続された２段の差動増幅回路で構成されたメインアンプ２１０と、プリアンプ２０３とメインアンプ２１０との間に設けられ２個のエミッタフォロワ回路を有するエミッタフォロワ部２０９とを備えている。プリアンプ２０３、エミッタフォロワ部２０９及びメインアンプ２１０は、いずれも、基本回路としてバイポーラトランジスタを用いて構成されている。

図６に示す光受信回路２００が図４に示す光受信回路と異なるところは、プリアンプ２０３の出力ＯＵＴＡと、エミッタフォロワ部２０９内の第１及び第２のエミッタフォロワ回路の共通接続された入力との間に、レベルアップ回路２１３が設けられている点である。レベルアップ回路２１３は、基本トランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いた回路として構成されている。プリアンプ２０３は、図４に示す光受信回路におけるプリアンプ１０３と同様のものであって、抵抗値が５００Ωである帰還抵抗２０４を備えるトランスインピーダンスアンプとして構成されている。プリアンプ２０３からメインアンプ２１０に至るまでの各回路によって、受光素子２０２に接続される信号増幅器が構成されている。ここでプリアンプ２０３、エミッタフォロワ部２０９、メインアンプ２１０及びレベルアップ回路２１３は、同一の半導体基板上に集積化されている。また、プリアンプ２０３、エミッタフォロワ部２０９、メインアンプ２１０及びレベルアップ回路２１３に対して、電圧が例えば＋３．３Ｖである電源２１１が共通に設けられている。

この光受信回路２００においても、受光素子２０２に対して逆電圧を印加する電源２１４が設けられている。ＬＰＦ２０５及びエミッタフォロワ部２０９は、それぞれ、図４に示した光受信回路におけるＬＰＦ１０５及びエミッタフォロワ部１０９と同じ構成のものである。

プリアンプ２０３の出力ＯＵＴＡは、レベルアップ回路２１３に直接接続されている。レベルアップ回路２１３の出力は、レベル調整抵抗２０８を介して第１のエミッタフォロワ回路の入力に接続され、第１のエミッタフォロワ回路２０９の出力はメインアンプ２１０の非反転入力端子ＩＮＡに直接接続されている。レベルアップ回路２１３の出力は、また抵抗２０６とコンデンサ２０７で構成されたＬＰＦ２０５を介して、第２のエミッタフォロワ回路の入力にも接続され、第２のエミッタフォロワ回路の出力は、メインアンプ２１０の反転入力端子ＩＮＡＢに接続されている。この例示実施形態では、レベル調整抵抗２０８の抵抗値とＬＰＦ２０５の抵抗２０６の抵抗値は、同じ値Ｒであって１００Ωである。コンデンサ２０７は、光受信回路２００を構成する半導体集積回路の内部に構成できる場合もあるが、ここに示す例ではその容量値Ｃを０．１１μＦとして、半導体集積回路の外部に設けられるチップコンデンサによって構成している。

ＬＰＦ２０５のカットオフ周波数ｆ_cは、

で与えられ、上述したＲとＣの値により、およそ１５ｋＨｚとなる。ＬＰＦ２０５からは、このカットオフ周波数ｆ_cよりも低い周波数である低域濾波信号が出力し、この低域濾波信号は、プリアンプ２０３から出力される信号の瞬時平均値を与え、第２のエミッタフォロワ回路を介して、メインアンプ２１０の反転入力端子ＩＮＡＢに入力される。これに対し、カットオフ周波数ｆ_cよりも高い周波数の信号成分は、ＬＰＦ２０５により阻止されて、メインアンプ２１０の反転入力端子ＩＮＡＢには入力されない。

メインアンプ２１０は、図４に示した光受信回路でのメインアンプ１１０と同じ構成のものであって、上述したように２段の差動増幅回路により構成され、差動増幅回路ごとに定電流源回路２１２を備えている。初段の差動増幅回路の非反転入力端子ＩＮＡには、プリアンプ２０３によって電流−電圧変換された信号が、レベル調整抵抗２０８と第１のエミッタフォロワ回路を介して入力される。一方、初段の差動増幅回路の反転入力端子ＩＮＡＢには、ＬＰＦ２０５の作用により、非反転入力端子ＩＮＡへの信号の瞬時平均値が与えられる。その結果、図４に示した光受信回路用信号増幅器の場合と同様に、メインアンプ２１０の一対の出力ＯＵＴ，ＯＵＴＢには、振幅が等しく直流レベルも同じである相補出力が得られる。

図６に示す光受信回路２００では、プリアンプ２０３とエミッタフォロワ部２０９の間にレベルアップ回路２１３を設けることにより、エミッタフォロア回路において主信号や瞬時平均値のレベルが下がることを補償でき、メインアンプ２１０の入力ＩＮＡ，ＩＮＡＢにそれぞれ適切なレベルの主信号や瞬時平均値が入力される。例えば、光受信回路２００の電源２１１の電圧が低い場合には、レベルアップ回路２１３が必要となる。

第２の例示実施形態においても、差動増幅回路よりもエミッタフォロア回路の方が、広帯域であって入力抵抗による帯域低下の影響を受けにくいことから、レベル調整抵抗２０８を第１のエミッタフォロワ回路の入力に設けることにより、光受信回路２００に設けられる信号増幅器の全体としての帯域の向上を実現できる。

《第３の例示実施形態》
図７に示す第３の例示実施形態の光受信回路３００は、光ファイバから出射された光信号３０１を電流信号に変換する受光素子３０２と、受光素子３０２の出力に接続されたプリアンプ３０３と、抵抗３０６及びコンデンサ３０７を有するＬＰＦ３０５と、縦続接続された２段の差動増幅回路で構成されたメインアンプ３１０と、プリアンプ３０３とメインアンプ３１０との間に設けられたエミッタフォロワ部３０９と、を有している。プリアンプ３０３からメインアンプ３１０に至るまでの各回路によって、受光素子３０２に接続される信号増幅器が構成されている。プリアンプ３０３、エミッタフォロワ部３０９及びメインアンプ３１０は、いずれも基本トランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いて、同一の半導体基板上に集積化されて構成されている。この光受信回路３００においても、受光素子３０２に対して逆電圧を印加する電源３１４が設けられている。また、プリアンプ３０３、エミッタフォロワ部３０９及びメインアンプ３１０に対して共通に、電源電圧が例えば＋５Ｖである電源３１１が設けられている。

プリアンプ３０３は、図４に示した光受信回路におけるプリアンプ１０３と同様の構成のものであり、バイポーラトランジスタ１個からなる増幅段と、２個のバイポーラトランジスタが直列に接続された出力段とを有するとともに、抵抗値が４００Ωである帰還抵抗３０４を備え、トランスインピーダンスアンプとして構成されている。

エミッタフォロワ部３０９は、２個のエミッタフォロワ回路、すなわちトランジスタＱ１を有する第１のエミッタフォロワ回路とトランジスタＱ２を有する第２のエミッタフォロワ回路とを備えるものである。第１及び第２のエミッタフォロワ回路の入力は共通接続されて、プリアンプ３０３の出力ＯＵＴＡに接続している。第１のエミッタフォロワ回路においては、その出力とトランジスタＱ１のエミッタとの間に、レベル調整抵抗３０８が挿入されており、第１のエミッタフォロワ回路の出力は、メインアンプ３１０の非反転入力端子ＩＮＡに接続している。第２のエミッタフォロワ回路においては、その出力とトランジスタＱ２のエミッタとの間に、ＬＰＦ３０５の抵抗３０６が挿入されており、第２のエミッタフォロワ回路の出力は、メインアンプ３１０の反転入力端子ＩＮＡＢに接続している。ＬＰＦ３０５のコンデンサは、抵抗３０６のメインアンプ３１０側の端部、すなわち第２のエミッタフォロワ回路の出力と接地点との間に設けられている。レベル調整抵抗３０８の抵抗値とＬＰＦ３０５の抵抗３０６の抵抗値とは等しく、この抵抗値Ｒは５０Ωである。コンデンサ３０７は、この光受信回路を構成する半導体集積回路の内部に構成できる場合もあるが、ここに示す例ではその容量値Ｃを０．１１μＦとして、半導体集積回路の外部に設けられるチップコンデンサによって構成している。

このようなＬＰＦ３０５のカットオフ周波数ｆ_cは、

で与えられ、上述したＲとＣの値により、およそ３０ｋＨｚとなる。ＬＰＦ３０５からは、このカットオフ周波数ｆ_cよりも低い周波数である低域濾波信号が出力し、この低域濾波信号は、プリアンプ３０３から出力される主信号の瞬時平均値を与え、第２のエミッタフォロワ回路を介して、メインアンプ３１０の反転入力端子ＩＮＡＢに入力される。これに対し、カットオフ周波数ｆ_cよりも高い周波数の信号成分は、ＬＰＦ３０５により阻止されて、メインアンプ３１０の反転入力端子ＩＮＡＢには入力されない。

２段の差動増幅回路により構成されたメインアンプ３１０は、図４に示した光受信回路でのメインアンプ１１０と同じ構成のものであって、差動増幅回路ごとに定電流源回路３１２を備えている。初段の差動増幅回路の非反転入力端子ＩＮＡには、プリアンプ３０３によって電流−電圧変換された信号が、主信号として、レベル調整抵抗３０８と第１のエミッタフォロワ回路を介して入力される。一方、初段の差動増幅回路の反転入力端子ＩＮＡＢには、ＬＰＦ３０５の作用により、非反転入力端子ＩＮＡへの主信号の瞬時平均値が与えられる。その結果、第１及び第２の例示実施形態の光受信回路の信号増幅器の場合と同様に、メインアンプ３１０の一対の出力ＯＵＴ，ＯＵＴＢには、振幅が等しく直流レベルも同じである相補出力が得られる。

第３の例示実施形態においても、差動増幅回路よりもエミッタフォロア回路の方が、広帯域であって入力抵抗による帯域低下の影響を受けにくいことから、レベル調整抵抗３０８を第１のエミッタフォロワ回路内に設けることにより、光受信回路３００に設けられる信号増幅器の全体としての帯域の向上を実現できる。

以上の説明では、エミッタフォロワ部３０９内の第１及び第２のエミッタフォロワ回路に対してそれぞれレベル調整抵抗３０８及びＬＰＦ３０７の抵抗３０６を挿入するものとしたが、第３の例示実施形態において、エミッタフォロワ回路に対するレベル調整抵抗及びＬＰＦの抵抗の接続の形態は、上述したものに限られない。また、第３の例示実施形態においては、第２の例示実施形態の場合と同様に、プリアンプ３０３の出力ＯＵＴＡと第１及び第２のエミッタフォロワ回路の共通接続された入力との間に、レベルアップ回路を挿入するようにしてもよい。その場合、レベルアップ回路が、基本トランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いて、プリアンプ３０３、エミッタフォロワ部３０９及びメインアンプ３１０とともに同一の半導体基板上に集積化されて構成されるようにしてもよい。

《第４の例示実施形態》
以上説明した第１乃至第３の例示実施形態では、基本トランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いて、半導体集積回路として光受信回路用信号増幅器を構成する場合を説明した。しかしながら本発明はこれに限定されるものではない。例えば、接合型ＦＥＴやＭＯＳ（金属−酸化物−半導体）ＦＥＴなどの他のデバイスを能動素子として用いる光受信回路用信号増幅器においても、上述と同様に構成することができる。ＦＥＴを能動素子として用いる場合には、上述したエミッタフォロワ回路の代わりにソースフォロワ回路を用いることが好ましい。

図８に示す第４の例示実施形態の光受信回路１５０は、図１に示す光受信回路において、基本トランジスタとして、バイポーラトランジスタの代わりにＦＥＴを用いたものである。すなわち図８に示す光受信回路は、光信号１５１を電流信号に変換する受光素子１５２と、受光素子１５２の出力に接続され、帰還抵抗１５４を有するトランスインピーダンスアンプで構成されたプリアンプ１５３と、抵抗値がＲである抵抗１５６と容量値がＣであるコンデンサ１５７で構成されたＬＰＦ１５５と、縦続接続された２段の差動増幅回路で構成されたメインアンプ１６０と、プリアンプ１５３とメインアンプ１６０との間に設けられたソースフォロワ部１５９とを備えている。プリアンプ１５３からメインアンプ１６０に至るまでの各回路によって、受光素子１５２に接続される信号増幅器が構成されている。プリアンプ１５３、ソースフォロワ部１５９及びメインアンプ１６０に対して共通に電源１６１が設けられており、また、受光素子１５２に対して逆電圧を印加する電源１６４が設けられている。

プリアンプ１５３は、図４に示す光受信回路のプリアンプ１０３におけるバイポーラトランジスタを全てＦＥＴに置き換えた構成のものである。メインアンプ１６０は、図４に示す光受信回路のメインアンプ１１０におけるバイポーラトランジスタを全てＦＥＴに置き換えた構成のものであって、差動増幅回路ごとに定電流源回路１６２を備えている。

ソースフォロワ部１５９は、２個のソースフォロワ回路、すなわちトランジスタＭ１を有する第１のソースフォロワ回路とトランジスタＭ２を有する第２のソースフォロワ回路とを備えるものである。プリアンプ１５３の出力ＯＵＴＡは、レベル調整抵抗１５８を介して第１のソースフォロワ回路の入力すなわちトランジスタＭ１のゲートに接続し、第１のソースフォロワ回路の出力はメインアンプ１６０の非反転入力端子ＩＮＡに直接接続されている。また、プリアンプ１５３の出力ＯＵＴＡは、抵抗１５６とコンデンサ１５７で構成されたＬＰＦ１５５を介して、第２のソースフォロワ回路の入力すなわちトランジスタＭ２のゲートに接続され、第２のソースフォロワ回路の出力はメインアンプ１６０の反転入力端子ＩＮＡＢに直接接続される。レベル調整抵抗１５８の抵抗値は、ＬＰＦ１５５の抵抗１５６の抵抗値Ｒと等しいものとされている。

第４の例示実施形態の光受信回路１５０は、第１の例示実施形態の光受信回路１００と同様に動作する。そして第４の例示実施形態においても、差動増幅回路よりもソースフォロア回路の方が、広帯域であって入力抵抗による帯域低下の影響を受けにくいことから、レベル調整抵抗１５８を第１のソースフォロワ回路の入力に設けることにより、光受信回路１５０に設けられる信号増幅器の全体としての帯域の向上を実現できる。

本発明の別の例示実施形態では、本発明の各例示態様の光受信回路において、プリアンプの出力と共通接続点との間に、レベルアップ回路を設ける。

以上、例示実施形態及び実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の例示実施形態及び実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２００７年３月２９日に出願された日本国特許出願：特願２００７−８８２６１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００，１５０，２００，３００，４００，４２０ 光受信回路
１０１，１５１，２０１，３０１，４０１ 光
１０２，１５２，２０２，３０２，４０２ 受光素子
１０３，１５３，２０３，３０３，４０３，４２３ プリアンプ
１０４，１５４，２０４，３０４，４０４ 帰還抵抗
１０５，１５５，２０５，３０５，４０５ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１０６，１５６，２０６，３０６，４０６ 抵抗
１０７，１５７，２０７，３０７，４０７ 容量
１０８，１５８，２０８，３０８，４０８ レベル調整抵抗
１０９，２０９，３０９ エミッタフォロワ部
１１０，１６０，２１０，３１０，４１０，４３０ メインアンプ
１１１，１１４，１５４，１６１，２１１，２１４，３１１，３１４，４１１，４１４ 電源
１１２，１６２，２１２，３１２，４１２ 定電流源回路
１５９ ソースフォロワ部
２１３ レベルアップ回路

Claims (12)

1. 受信した光信号を電流信号に変換する受光素子に接続される信号増幅器であって、
   前記電流信号を電圧に変換して出力するプリアンプと、
   一対の出力を備え、少なくとも入力段が差動回路からなり前記プリアンプから出力された電圧信号を増幅するメインアンプと、
   前記プリアンプと前記メインアンプとの間に設けられ前記電圧信号が供給される２個以上のフォロワ回路と、
   前記プリアンプの出力と前記メインアンプの各入力との間の経路において各フォロワ回路ごとに設けられる抵抗値が等しい抵抗と、
   前記抵抗のうちの１つに対して一端が接続し、他端が接地されたコンデンサと、
   を備え、
   前記コンデンサと該コンデンサに接続する抵抗とによって、前記電圧信号の平均電位を検出するローパスフィルタが構成され、
   前記メインアンプの前記一対の出力から、振幅が等しく直流レベルも同じである相補出力を得る、信号増幅器。
2. 前記フォロワ回路はエミッタフォロワ回路またはソースフォロワ回路である、請求項１に記載の信号増幅器。
3. 能動素子としてバイポーラトランジスタを用いる、請求項１に記載の信号増幅器。
4. 前記メインアンプの前記入力段がバイポーラトランジスタを用いて構成されている、請求項１または２に記載の信号増幅器。
5. 前記プリアンプはトランスインピーダンスアンプとして構成されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の信号増幅器。
6. 受信した光信号を電流信号に変換する受光素子に接続される信号増幅器であって、
   前記電流信号を電圧に変換して出力するプリアンプと、
   一対の出力を備え、少なくとも入力段が差動回路からなり前記プリアンプから出力された電圧信号を増幅するメインアンプと、
   第１及び第２のエミッタフォロワ回路と、
   一端が前記第１のエミッタフォロワ回路の入力に接続する第１の抵抗と、
   一端が前記第２のエミッタフォロワ回路の入力に接続し、前記第１の抵抗と同じ抵抗値の第２の抵抗と、
   前記第２の抵抗の前記一端と接地点との間に挿入されたコンデンサと、
   を備え、
   前記第１の抵抗の他端と前記第２の抵抗の他端とが共通接続され、該共通接続点に対して前記プリアンプの出力が供給され、
   前記第１及び第２のエミッタフォロワ回路の出力がそれぞれ前記差動回路の１対の入力に接続し、
   前記コンデンサと前記第２の抵抗とによって、前記電圧信号の平均電位を検出するローパスフィルタが構成され、
   前記メインアンプの前記一対の出力から、振幅が等しく直流レベルも同じである相補出力を得る、信号増幅器。
7. 前記プリアンプの出力と前記共通接続点との間にレベルアップ回路をさらに備える請求項６に記載の信号増幅器。
8. 能動素子としてバイポーラトランジスタを用いる、請求項６または７に記載の信号増幅器。
9. 前記メインアンプの前記入力段がバイポーラトランジスタを用いて構成されている、請求項６または７に記載の信号増幅器。
10. 前記プリアンプはトランスインピーダンスアンプとして構成されている、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の信号増幅器。
11. 前記メインアンプ、前記プリアンプ及び前記各エミッタフォロワ回路が同一の半導体基板上に集積化されている、請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の信号増幅器。
12. 前記メインアンプ、前記プリアンプ、前記各エミッタフォロワ回路及び前記レベルアップ回路が同一の半導体基板上に集積化されている、請求項７に記載の信号増幅器。

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