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JP2503837B2 - ディジタル光受信回路とディジタル光受信回路におけるプリアンプ回路 - Google Patents

ディジタル光受信回路とディジタル光受信回路におけるプリアンプ回路

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Publication number
JP2503837B2
JP2503837B2 JP4189007A JP18900792A JP2503837B2 JP 2503837 B2 JP2503837 B2 JP 2503837B2 JP 4189007 A JP4189007 A JP 4189007A JP 18900792 A JP18900792 A JP 18900792A JP 2503837 B2 JP2503837 B2 JP 2503837B2
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JP
Japan
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circuit
input
output
preamplifier
voltage
Prior art date
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JP4189007A
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Inventor
剛 長堀
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NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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Priority to US08/092,071 priority patent/US5430765A/en
Priority to EP93111447A priority patent/EP0580089A1/en
Priority to AU42035/93A priority patent/AU672001B2/en
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60Receivers
    • H04B10/66Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H04B10/69Electrical arrangements in the receiver
    • H04B10/695Arrangements for optimizing the decision element in the receiver, e.g. by using automatic threshold control
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60Receivers
    • H04B10/66Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H04B10/69Electrical arrangements in the receiver
    • H04B10/693Arrangements for optimizing the preamplifier in the receiver
    • H04B10/6933Offset control of the differential preamplifier
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00Baseband systems
    • H04L25/02Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/06DC level restoring means; Bias distortion correction ; Decision circuits providing symbol by symbol detection
    • H04L25/061DC level restoring means; Bias distortion correction ; Decision circuits providing symbol by symbol detection providing hard decisions only; arrangements for tracking or suppressing unwanted low frequency components, e.g. removal of DC offset
    • H04L25/063Setting decision thresholds using feedback techniques only

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  • Power Engineering (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Dc Digital Transmission (AREA)
  • Control Of Amplification And Gain Control (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光加入者伝送システ
ム、光LAN、光インターコネクション装置等の、ベー
スバンド・バースト光信号伝送系の受信器に関する。
【0002】
【従来の技術】バーストデータ用のディジタル光信号受
信器において、バースト内の1ビット目から自動識別レ
ベル調整(ATC:オート・スレッシュホルド・コント
ロール)を行う回路として、差動入出力トランスインピ
ーダンスアンプを2つのゲインに切り換えて使う2モー
ド動作トランスインピーダンスがあり、米国特許US5
025456で述べられている。2モード動作トランス
インピーダンスアンプ回路の動作を図面を用いて説明す
る。
【0003】図3は、3種類の帰還方式で差動アンプを
用いてトランスインピーダンスアンプを構成した場合の
入出力波形の関係を示す波形説明図である。図3(A)
に示すように、差動アンプ1の逆相出力を、前記差動ア
ンプ1の正相入力に帰還抵抗3を介して帰還し、前記差
動アンプ1の正相出力を前記差動アンプ1の逆相入力に
帰還抵抗4を介して帰還してトランスインピーダンスア
ンプ回路50Aを構成すると、帰還抵抗3、4の値がと
もにRF であれば、入力信号電流51Aと出力信号電圧
51Aとの間の第1の差動トランスインピーダンスゲイ
ンZ1 は、ほぼRF である。
【0004】しかるに、図3(B)に示すように、差動
アンプ1の逆相出力を、前記差動アンプ1の正相入力に
帰還抵抗3を介して帰還し、前記差動アンプ1の逆相入
力に定電圧源5を用いて一定のバイアス電圧を入力して
トランスインピーダンスアンプ回路50Bを構成する
と、帰還抵抗3の値がRF であれば、入力信号電流51
Bと出力信号電圧51Bとの間の第2の差動トランスイ
ンピーダンスゲインZ2は、ほぼ2RF であり、第1の
差動トランスインピーダンスゲインZ1 の2倍となる。
【0005】ここで、図3(C)に示すように、差動ア
ンプ1の逆相出力を、前記差動アンプ1の正相入力に帰
還抵抗3を介して帰還し、前記差動アンプ1の正相出力
を、前記差動アンプ1の逆相入力にピーク値検出回路2
を経て帰還抵抗4を介して帰還してトランスインピーダ
ンスアンプ回路50Cを構成すると、同回路53Cは2
つのモードで動作する。“L”レベルの信号の連続後、
すなわち、ピーク値検出回路がリセットされている状態
で、“H”レベルの信号が入力すると、該ビットの立ち
上がりにおいて、トランスインピーダンスアンプ回路5
0Cはトランスインピーダンスアンプ回路50Aと等価
の動作をし、差動トランスインピーダンスゲインは、第
1の差動トランスインピーダンスゲインZ1 、すなわち
F となる。
【0006】このモードをコールド・モードと称する。
該ビットの立ち下がり以降においては、ピーク値検出回
路2で保持された該ビットのピーク値が直流として差動
アンプ1の逆相入力端子に入力されているため、トラン
スインピーダンスアンプ回路50Cはトランスインピー
ダンスアンプ回路50Bと等価の動作をし、差動トラン
スインピーダンスゲインは、第2の差動トランスインピ
ーダンスゲインZ2 、すなわち2RF となる。このモー
ドをウォーム・モードと称する。
【0007】この2モードの切り換え動作により、入力
電流の振幅iInのとき、トランスインピーダンスアンプ
50Cの出力電圧波形52Cは、“L”レベル信号連続
時の出力電圧を中心に、“H”レベルの信号に対して正
方向にiInF 、“L”レベルの信号に対して負方向に
InF だけ振れる波形となる。ここで識別レベルdを
“L”レベル信号連続時の値よりもわずかに大きな値と
することにより、トランスインピーダンスアンプ50C
の出力電圧パルスは常にパルス振幅のほぼ中央で識別レ
ベルを横切ることとなり、ATC動作が実現されてい
る。
【0008】従来例では、上述の2モード動作トランス
インピーダンスアンプを、光受信回路において、受光素
子であるフォトダイオードの出力電流を電圧に変換する
ためのプリアンプとして用いていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
バーストモード光受信回路では以下の問題点があった。
【0010】従来の2モード動作トランスインピーダン
スアンプ回路にDC雑音を入力したときの問題点を図4
を用いて説明する。図4は、従来の2モード動作トラン
スインピーダンスアンプ回路にDC雑音を入力したとき
の動作を示す波形説明図である。従来のバーストモード
光受信回路では、識別レベルが一定に固定されているた
め、図4に示すように、入力信号光に光源の消光比劣
化、クロストーク光の混入、フォトダイオードの暗電流
等によってDC雑音電流が入力すると、“L”レベルの
信号が“H”レベルと誤って識別されるという問題点が
あった。
【0011】2モード動作トランスインピーダンスアン
プ回路では、GB積一定の差動アンプを2つのモードに
切り換えて用いているため、コールド・モード動作時と
ウォーム・モード動作時で、トランスインピーダンスゲ
インのみならず、帯域においても2倍の差が生じる。す
なわち、ウォーム・モード時の帯域は、コールド・モー
ド時の帯域の1/2となる。
【0012】トランスインピーダンスアンプ回路を光受
信回路のプリアンプとして用いる場合、帰還抵抗による
熱雑音を低減するためには、必要十分な帯域を確保でき
る範囲で帰還抵抗の値を大きくすることが重要である。
2モード動作トランスインピーダンスアンプ回路を用い
た光受信回路では最小受光レベルはコールド・モードに
おける“L”レベル信号連続時の出力と識別レベルdの
差電圧で定まり、この差電圧はコールド・モード動作時
の雑音電圧に対して十分な余裕が得られる範囲でしか低
減できない。しかるに、従来のバーストモード光受信回
路では、2モード動作トランスインピーダンスアンプ回
路をプリアンプとして用いているため、ウォーム・モー
ドにおいて必要十分な帯域を確保できる範囲で帰還抵抗
の値を大きくする。この帰還抵抗値が、コールド・モー
ドの動作専用に最適化して設計した場合の値の約1/2
となってしまうという問題点があった。
【0013】従来のバーストモード光受信回路では、2
モード動作トランスインピーダンスアンプ回路をプリア
ンプとして用いているため、同一の直流特性という条件
のもとで、低雑音が要求される差動アンプと、ボルテー
ジフォロワの発振防止のための十分な位相余裕が要求さ
れる高速のピーク値検出回路を同時に実現しなければな
らないため、設計の自由度が少ないという問題点があっ
た。
【0014】本発明は、DC雑音に強く、高感度で、設
計の自由度が大きなバーストモード光受信回路を提供す
ることを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】上述した問題点を解決す
るため、本発明のバーストモード光受信回路では、差動
アンプの逆相出力を、フォトダイオードの接続された前
記差動アンプの正相入力に帰還抵抗を介して帰還し、前
記差動アンプの正相出力を、前記差動アンプの逆相入力
に帰還抵抗を介して帰還して構成した、トランスインピ
ーダンス型プリアンプ回路と、前記プリアンプ回路の後
段に配した、差動アンプの逆相出力を帰還抵抗を介して
前記差動アンプの正相入力に帰還し、前記差動アンプの
正相出力を、前記差動アンプと互いに特性の一致したピ
ーク値検出回路を経て前記差動アンプの逆相入力に帰還
抵抗を介して帰還して構成した、トランスインピーダン
スアンプ回路とを含んでDC結合ディジタル光受信回路
を構成する。
【0016】上述した問題点を解決するため、本発明の
バーストモード光受信回路では、入力ディジタル光信号
の各ビットの光入力レベルのうち最も低い入力レベル
時、あるいは無信号時のプリアンプ回路出力レベルを検
出する“L”レベル検出回路と、前記“L”レベル検出
回路出力と基準電圧との差を増幅して前記プリアンプの
オフセット調整回路の入力に帰還するフィードバック制
御回路を備える。
【0017】上述した問題点を解決するため、本発明の
バーストモード光受信回路では、前記フィードバック制
御回路を備えたプリアンプ回路において、前記“L”レ
ベル検出回路がピーク値検出回路であり、前記プリアン
プと該ピーク値検出回路の間に差動入出力ブースタアン
プを備え、該ブースタアンプの逆相出力が該ピーク値検
出回路入力に接続し、前記基準電圧を前記ブースタアン
プの入力差電圧が零であるときの前記ブースタアンプ出
力に等しい発生電圧を前記ピーク値検出回路と直流動作
点の等しいバッファアンプを経て出力させた電圧とし、
前記オフセット調整回路の入力端子を前記プリアンプ回
路の入力端子に接続された抵抗のプリアンプ回路入力端
子と反対の端子とし、前記フィードバック制御回路を差
動アンプと低域通過フィルタとで構成する。
【0018】
【作用】本発明では、2モード動作トランスインピーダ
ンスアンプ回路の前段にプリアンプ回路が配されている
ため、“L”レベル時のプリアンプ出力をピーク値検出
回路を用いて検出することができ、DC雑音入力を抑制
するフィードバック制御回路の組込みが容易である。
【0019】本発明では、2モード動作トランスインピ
ーダンスアンプ回路の前段にプリアンプ回路が配されて
いるため、コールド・モード動作とウォーム・モード動
作のそれぞれのみに最適化してプリアンプ回路およびト
ランスインピーダンスアンプ回路を設計でき、高感度化
が可能である。また、プリアンプ回路は低雑音特性を最
重視、2段目以降のアンプとして用いられる2モード動
作トランスインピーダンスアンプ回路はピーク値検出回
路の発振防止のための位相余裕を最重視して設計すれば
良いため、設計の自由度が大きい。
【0020】
【実施例】以下、実施例を示して本発明を詳しく説明す
る。
【0021】図1は、本発明の実施例の構成を示すブロ
ック図である。入力信号光を電流に変換するフォトダイ
オード31の出力電流は、差動出力プリアンプ10によ
って差動出力電圧に変換され、波形等化器15、電圧入
力を電流出力に変換するバッファ16を経て、差動アン
プ1の逆相出力を、帰還抵抗3を介して前記差動アンプ
1の正相入力に帰還し、前記差動アンプ1の正相出力
を、前記差動アンプと互いに特性の一致したピーク値検
出回路2を経て前記差動アンプ1の逆相入力に帰還抵抗
4を介して帰還して構成したトランスインピーダンスア
ンプ回路50Cによって識別レベルが自動調整され、後
段の識別回路(図では省略)に入力される。
【0022】また、プリアンプ10の出力は分岐され
て、入力ディジタル光信号の各ビットの光入力レベルの
うち最も低い入力レベル時、あるいは無信号時のプリア
ンプ回路出力レベルを検出する“L”レベル検出回路2
1、基準電圧発生回路22、制御回路23、およびオフ
セット調整回路24を経てプリアンプ10に帰還される
フィードバックループにも入力される。“L”レベルの
信号が入力したときのプリアンプ10の正相出力と逆相
出力の差電圧を“L”レベル検出回路21で検出する。
制御回路23では、“L”レベル検出回路21の出力電
圧と基準電圧発生回路22で発生した基準電圧を比較
し、その差が0になるようにオフセット調整回路24の
入力に制御信号電圧を出力する。本フィードバックルー
プの作用により、入力信号光に光源の消光比劣化、クロ
ストーク光の混入、フォトダイオードの暗電流等によっ
てDC雑音電流がプリアンプ10に入力しても、“L”
レベルの信号が入力したときのプリアンプ10の正相出
力と逆相出力の差電圧がほぼ0に保たれるため、“L”
レベル時の出力の差電圧と識別レベルdとの電圧レベル
差もほぼ一定に保たれ、図4に示すようなDC雑音電流
による符号誤りは生じない。
【0023】2モード動作トランスインピーダンスアン
プ回路50Cの前段にプリアンプ回路10が配されてい
るため、コールド・モード動作もしくはウォーム・モー
ド動作のみに最適化してプリアンプ回路10を設計で
き、高感度化が可能である。また、プリアンプ回路10
は低雑音特性を最重視、2段目のアンプとして用いられ
ている2モード動作トランスインピーダンスアンプ回路
50Cはピーク値検出回路2の発振防止のための位相余
裕を最重視して設計すれば良いため、設計の自由度が大
きい。さらに、2モード動作トランスインピーダンスア
ンプ回路50Cの前段にプリアンプ回路10が配されて
いるため、プリアンプ回路10を信号入力の有無にかか
わらず常に一定の回路電流の流れる差動アンプで構成す
ることができるため、集積化時に問題となるチャンネル
間のクロストークが低減される。
【0024】図2を用いて、DC雑音抑制回路の構成と
動作について説明する。図5は、DC雑音抑制回路の実
施例の構成を示すブロック図である。
【0025】プリアンプ10は、差動アンプ11の逆相
出力を正相入力に帰還抵抗13を介して帰還し、正相出
力を逆相入力に帰還抵抗14を介して帰還して構成し
た、トランスインピーダンス型プリアンプ回路であり、
正相入力にはフォトダイオード31が、逆相入力には、
フォトダイオード31の寄生容量に等しい容量値のコン
デンサ32がともに正電源との間に接続されている。プ
リアンプ10の出力は、リップルを取り除くための波形
等化器211、差動入出力アンプ212、差動入力・シ
ングルエンド出力アンプ213、ボルテージフォロワ型
ピーク値検出回路210で構成された“L”レベル検出
回路21に入力される。基準電圧発生回路22は、
“L”レベル検出回路を構成する差動入力・シングルエ
ンド出力アンプ213の定電流源部から取り出した電圧
を、ピーク値検出回路210と直流特性の等しいボルテ
ージフォロワ型バッファ220を介して出力する。制御
回路23は、差動入出力アンプ230、抵抗231、2
32、コンデンサ233、234で構成されており、抵
抗とコンデンサの値の積を時定数とする積分回路を構成
している。基準電圧発生回路22の出力と“L”レベル
検出回路21の出力との差を増幅、積分してオフセット
調整回路24に出力する。オフセット調整回路24は、
プリアンプ10の正相入力に接続された抵抗241と逆
相入力に接続された抵抗242であり、制御回路230
の出力電圧をプリアンプ入力電流に変換する。
【0026】プリアンプ10の正相入力に入力されるD
C雑音電流が増加した場合の動作を説明する。DC電流
の増加により、プリアンプ10の正相出力と逆相出力の
差電圧が増加する。“L”レベル検出回路21内のピー
ク値検出回路210に入力される電圧は、この差電圧を
反転増幅した値であるから、“L”レベル時、すなわち
入力ディジタル光信号の各ビットの光入力レベルのうち
最も低い入力レベル時、あるいは無信号時の値がピーク
値として検出される値となる。このため、ピーク値検出
回路210の出力電圧、すなわち、“L”レベル検出回
路21の出力電圧が減少し、基準電圧発生回路22の出
力電圧との差が増加する。したがって、制御回路23の
差動アンプ230の正相出力電圧が増加することによ
り、オフセット調整回路24の抵抗242の両端の電圧
が減少し、差動アンプ230の逆相出力電圧が減少する
ことによりオフセット調整回路24の抵抗241の両端
の電圧が増加する。かくして、プリアンプ10の正相入
力から流出する電流が増加、逆相入力から流出する電流
が減少することとなり、フィードバックループの開ルー
プゲインをAとすると、フォトダイオード31からプリ
アンプ10の正相入力に流入するDC雑音電流による出
力電圧のオフセットが、1/(1+A)に抑制される。
本実施例では、開ループゲインAの値が1000である
ため、一例として、光パワーレベル−25dBmのDC
雑音光が入力しても、−40dBmの信号光の受信が可
能である。
【0027】また、制御回路23に入力される基準電圧
と“L”レベル検出回路出力電圧の温度依存性、電源電
圧依存性の低減も重要である。本実施例では、基準電圧
として、電源電圧から、抵抗225における電圧降下を
差し引いた電圧にバッファ220のオフセットを加えた
電圧、“L”レベル検出回路出力電圧として、電源電圧
から、抵抗215における電圧降下を差し引いた電圧に
ピーク値検出回路210のオフセットを加えた電圧を用
いている。ここで、トランジスタ214、224の特性
が等しいため、トランジスタ214、224のコレクタ
電流は等しい。また、抵抗215の抵抗値は抵抗225
の抵抗値の2倍である。定常状態において、“L”レベ
ル信号入力時の差動アンプ212の出力差電圧は零であ
るから、抵抗215を流れる電流はトランジスタ214
のコレクタ電流の半分の値となり、抵抗225を流れる
電流の半分となる。したがって、温度、電源電圧が変動
しても抵抗215の電圧降下と抵抗225の電圧降下は
一致し、“L”レベル信号入力時のプリアンプ10の出
力差電圧、あるいは差動アンプ212の出力差電圧が零
となる動作点で制御回路230への入力差電圧が零とな
って、安定動作する。
【0028】本実施例においては、“L”レベル入力時
のプリアンプ10の出力差電圧が零となる様にフィード
バック制御を行っているが、出力差電圧が零以外の一定
の電圧値となる様に基準電圧の値を設定してフィードバ
ック制御を行っても良い。
【0029】本実施例の回路はすべて差動アンプで構成
しているため、用いているトランジスタ素子の相対精度
さえ良ければ、トリミング等の複雑な調整なしに良好な
耐温度変動特性、耐電源電圧変動特性が比較的少ない素
子数で得られるため、集積回路化に非常に適している。
【0030】本実施例においてはプリアンプとして差動
入出力のトランスインピーダンスアンプを用いている
が、シングルエンド入出力、シングルエンド入力・差動
出力、差動入力・シングルエンド出力のいずれの入出力
形式のプリアンプを用いても良い。
【0031】
【発明の効果】以上、説明した様に、本発明によれば、
DC雑音に強く、高感度で、設計の自由度が大きく、集
積化時のチャンネル間クロストークが少なく、識別レベ
ル設定値の温度変動が少なく、かつ識別レベルの微調整
が容易で、ATCのリセット時間の短く、周波数特性等
化の容易なバーストモード光受信回路を構成することが
可能であり、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の構成を示すブロック図。
【図2】DC雑音抑制回路の実施例の構成を示すブロッ
ク図。
【図3】2モード動作トランスインピーダンスアンプ回
路の動作原理を示す波形説明図。
【図4】従来の2モード動作トランスインピーダンスア
ンプ回路にDC雑音を入力したときの動作を示す波形説
明図。
【符号の説明】
1、11、212、230 差動アンプ回路 2、210 ピーク値検出回路 3、4、13、14、215、225、231、23
2、241、242 抵抗 5 定電圧源 6、32、233、234 コンデンサ 10 プリアンプ回路 15、211 波形等化器 16、220 バッファ 21 “L”レベル検出回路 22 基準電圧発生回路 23 制御回路 24 オフセット調整回路 31 フォトダイオード 50A、50B、50C トランスインピーダンスアン
プ回路 51A、51B、51C 入力電流波形 52A、52B、52C 出力電圧波形 61、62、63 パルス列 213 エミッタ結合増幅回路 214、224 トランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H04B 10/26 10/28

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プリアンプ回路と、前記プリアンプ回路
    の後段に配した、電圧入力を電流出力に変換する電圧・
    電流変換バッファと、前記電圧・電流バッファの後段に
    配した差動アンプの逆相出力を帰還抵抗を介して前記差
    動アンプの正相入力に帰還し、前記差動アンプの正相出
    力を前記差動アンプと互いに特性の一致したピーク値検
    出回路を経て前記差動アンプの逆相入力に帰還抵抗を介
    して帰還して構成した、トランスインピーダンスアンプ
    回路とを含んで構成され、前記プリアンプ回路が入力デ
    ィジタル光信号の各ビットの光入力レベルのうち最も低
    い入力レベル時、あるいは無信号時のプリアンプ回路出
    力レベルを検出する“L”レベル検出回路と、前記
    “L”レベル検出回路出力と基準電圧との差を増幅して
    前記プリアンプのオフセット調整回路の入力に帰還する
    フィードバック制御回路を備えていることを特徴とする
    ディジタル光受信回路。
  2. 【請求項2】 プリアンプ回路において、前記“L”レ
    ベル検出回路への入力が差動入力であることを特徴とす
    る請求項1記載のディジタル光受信回路におけるプリア
    ンプ回路。
  3. 【請求項3】 プリアンプ回路において、前記“L”レ
    ベル検出回路がピーク値検出回路であり、前記プリアン
    プ回路と該ピーク値検出回路の間に差動入出力ブースタ
    アンプを備え、該ブースタアンプの逆相出力が該ピーク
    値検出回路入力に接続されており、前記基準電圧が前記
    ブースタアンプの入力差電圧が零であるときの前記ブー
    スタアンプ出力に等しい発生電圧を前記ピーク値検出回
    路と直流動作点の等しいバッファアンプを経て出力させ
    た電圧であり、前記オフセット調整回路が前記プリアン
    プ回路の入力端子と前記フィードバック制御回路の出力
    端子との間に接続された抵抗であり、 前記フィードバック制御回路が差動アンプと低域通過フ
    ィルタとで構成されていることを特徴とする請求項1記
    載のディジタル光受信回路におけるプリアンプ回路。
  4. 【請求項4】 プリアンプ回路において、前記基準電圧
    が前記ブースタアンプの定電流源回路内に配された抵抗
    の出力電圧を前記ピーク値検出回路と直流動作点の等し
    いバッファアンプを経て出力させた電圧であることを特
    徴とする請求 項1記載のディジタル光受信回路における
    プリアンプ回路。
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