JP2006311030A - Transimpedance amplifier - Google Patents
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Abstract
【課題】高感度および広入力ダイナミックレンジを実現し、バーストデータに対応した瞬時応答を実現するとともに、ノイズに対する動作安定性を実現する。
【解決手段】利得切替判断回路250で、中間段バッファ回路230からの差動出力信号である比較入力電圧Vcを第1のヒステリシス特性で比較判定した結果に基づき利得切替信号SELを出力することにより第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得を切り替える利得切替動作を行い、フィルタ回路223で、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220の周波数特性のうち高周波帯域を削減する。
【選択図】 図1
A high sensitivity and a wide input dynamic range are realized, an instantaneous response corresponding to burst data is realized, and operation stability against noise is realized.
A gain switching determination circuit 250 outputs a gain switching signal SEL based on a result of comparison determination of a comparison input voltage Vc, which is a differential output signal from an intermediate buffer circuit 230, with a first hysteresis characteristic. A gain switching operation for switching the gains of the first and second transimpedance amplifier core circuits 210 and 220 is performed, and the filter circuit 223 reduces the high frequency band of the frequency characteristics of the second transimpedance amplifier core circuit 220.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、光受信回路において、受光素子が光電気変換した電流信号を受信し電圧信号に変換増幅するトランスインピーダンスアンプにかかり、特に、ダイナミックレンジの大きな入力電流に対応できるトランスインピーダンスアンプに関する。 The present invention relates to a transimpedance amplifier that receives a current signal photoelectrically converted by a light receiving element and converts and amplifies it into a voltage signal in an optical receiving circuit, and more particularly to a transimpedance amplifier that can handle an input current having a large dynamic range.
高速データ伝送を可能とする光伝送システム、光インターコネクション、パッシブオプティカルネットワーク(以下、PONという:Passive Optical Network)システム等の光伝送回路では、光信号を電気信号に変換する光受信回路において、トランスインピーダンスアンプを用いる。
トランスインピーダンスアンプは、受信した光信号を受光素子により光電気変換して得られた入力電流Iinを入力とし、帰還抵抗の値に比例するトランスインピーダンス利得によって、出力電圧Voutに変換して出力するものである。
In an optical transmission circuit such as an optical transmission system capable of high-speed data transmission, an optical interconnection, or a passive optical network (hereinafter referred to as PON) system, an optical receiving circuit that converts an optical signal into an electric signal includes a transformer. Use an impedance amplifier.
The transimpedance amplifier receives the input current Iin obtained by photoelectrically converting the received optical signal by the light receiving element, converts it into an output voltage Vout by a transimpedance gain proportional to the value of the feedback resistor, and outputs it. It is.
この種のトランスインピーダンスアンプでは、入力電流Iinが大きくなると出力電圧Voutの振幅が飽和し波形歪が生じる。
したがって、従来のトランスインピーダンスアンプは、高感度と広ダイナミックレンジ特性を両立させるために、入力電流Iinが大きくなった場合に帰還抵抗の値を小さくしてトランスインピーダンス利得を下げることで、大電流入力時も歪の少ない出力電圧Voutを得るようにしている。
In this type of transimpedance amplifier, when the input current Iin increases, the amplitude of the output voltage Vout is saturated and waveform distortion occurs.
Therefore, in order to achieve both high sensitivity and wide dynamic range characteristics, the conventional transimpedance amplifier reduces the value of the feedback resistor and lowers the transimpedance gain when the input current Iin increases, thereby increasing the large current input. The output voltage Vout with little distortion is also obtained.
図15に、従来のトランスインピーダンスアンプ300の基本構成を示す(例えば、非特許文献1など参照)。このトランスインピーダンスアンプ300は、増幅回路311と利得切替回路312とを有し、受光素子100から出力された入力電流Iinを電圧変換して信号増幅を行い出力電圧Voutを得る回路である。利得切替回路312は、帰還抵抗RFとダイオードD1を並列に接続した構成である。
FIG. 15 shows a basic configuration of a conventional transimpedance amplifier 300 (see, for example, Non-Patent Document 1). The
このトランスインピーダンスアンプ300では、入力電流Iinが大きくなった場合、増幅回路311の入力端子と出力端子との電圧差が大きくなって、帰還抵抗RFと並列に挿入したダイオードD1がオンする。これにより、等価的に帰還抵抗の値が下がるため、トランスインピーダンス利得が下がり、大電流が入力された場合でも出力電圧Voutの飽和を回避できる。
In the
図16に、利得切替回路として、ダイオードのオン/オフにより1つの帰還抵抗RFの値を切り替えるだけでなく、複数の帰還抵抗を切替接続するよう構成した従来の他のトランスインピーダンスアンプ400の基本構成を示す(例えば、特許文献1など参照)。このトランスインピーダンスアンプ400は、トランスインピーダンスアンプコア回路410と、利得切替判断回路420とを備えている。トランスインピーダンスアンプコア回路410は、増幅回路411と利得切替回路412とを有し、受光素子100から出力された入力電流Iinを電圧変換して信号増幅を行う。利得切替判断回路420は、トランスインピーダンスアンプコア回路410からの出力電圧Voutに応じて利得切替回路412での利得切り替えを制御する。
FIG. 16 shows a basic configuration of another
このトランスインピーダンスアンプ400は、スイッチが直列接続された複数の帰還抵抗で利得切替回路412を構成し、増幅回路411からの出力電圧Voutの直流レベルを利得切替判断回路420によりモニタして得た利得切替信号SELによって、利得切替回路412のスイッチをオン/オフして帰還抵抗の値を切り替えるものである。
In this
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
通常、高速データ伝送を可能とする光伝送システム、特にPONシステムにおいては、高感度で広入力ダイナミックレンジ、かつバースト応答性が要求される。図17にPONシステムの構成を示す。このPONシステムは、1台の局側装置(OLT:Optical Line Terminal)501と複数台の宅側装置(ONU:Optical Network Unit)511〜51nとからなり、光カプラ502などのパッシブデバイスと光ファイバ503を介して接続されている。
Usually, an optical transmission system that enables high-speed data transmission, particularly a PON system, requires high sensitivity, a wide input dynamic range, and burst response. FIG. 17 shows the configuration of the PON system. This PON system is composed of one station side device (OLT: Optical Line Terminal) 501 and a plurality of home side devices (ONU: Optical Network Units) 511 to 51n, and a passive device such as an
この際、各宅側装置511〜51nからの上り(ONUからOLTへ)のデータすなわちパケット521〜52nは、それぞれの経路の違いにより、局側装置501への到達時の光パワーが異なってくる。このため、局側装置501の光受信回路で用いられるトランスインピーダンスアンプ(TIA:TransImpedance Amp)には広いダイナミックレンジが要求される。
At this time, the upstream (from ONU to OLT) data from each of the home-
図17のPONシステムでは、ある宅側装置がパケットを送出している間(パケット期間)は、他の宅側装置はパケットを送出できないので、伝送効率を高めるには、パケット間の時間を短くする必要がある。図18に示すように、パケット520の先頭には、プリアンブル531と呼ばれる特定ビットが用意され、局側装置501でパケットの同期に使用される。
In the PON system of FIG. 17, while a certain home-side device is sending packets (packet period), other home-side devices cannot send packets, so to increase transmission efficiency, shorten the time between packets. There is a need to. As shown in FIG. 18, a specific bit called a
前述したように、局側装置501への到達時の光パワーの差Pdに起因して、各パケット520の信号振幅はパケットごとに異なっている。また、伝送効率を高めるためには、短いプリアンブル531でパケットを同期させて後続のペイロード532を受信しなければならず、短いプリアンブル531で、瞬時に利得を切り替えることができる光受信回路が必要となる。このため、光受信回路には、瞬時応答が可能で、広ダイナミックレンジを有するトランスインピーダンスアンプが要求される。
As described above, the signal amplitude of each packet 520 varies from packet to packet due to the optical power difference Pd when reaching the station-
しかしながら、前述した従来技術では、例えば、図15で説明した従来のトランスインピーダンスアンプ300によれば、帰還抵抗RFに並列にダイオードD1を挿入する構成であるため、入力電流Iinが大きくなった場合、出力電圧Voutの直流伝達特性に大きな歪が生じてしまい、出力電圧Voutの波形のデューティが悪化してしまう。デューティ特性が悪くなると符号誤りが生じ伝送特性の劣化を引き起こすという問題があった。
However, in the conventional technique described above, for example, according to the
また、図16で説明した従来のトランスインピーダンスアンプ400によれば、直流伝達特性の歪の問題は解決できるが、利得切替判断回路420での利得切替の判断は、通常、トランスインピーダンスアンプ400の出力電圧Voutの高レベルと低レベルを、ハイレベルホールド回路、ローレベルホールド回路でそれぞれホールドし、その電位差が一定以上になったことをコンパレータ423等で識別することで切替判断を行うため、ホールドに時間がかかり、瞬時応答性に劣ってしまうという問題があった。
Further, according to the
すなわち、ハイレベルホールド回路は、オペアンプ421、コンデンサC1、ダイオードD2で構成され、またローレベルホールド回路は、オペアンプ422、コンデンサC2、ダイオードD3で構成され、ホールド性を確保するには、コンデンサC1,C2に大きな容量を持たせることが必要であるが、その場合、コンデンサC1,C2に充電するまでの時間がかかるため瞬時応答が難しくなる。また、LSI内にコンデンサC1、C2を構成した場合はレイアウト面積が大きくなってしまう。
That is, the high level hold circuit is composed of an
さらに、高感度で広ダイナミックレンジを実現するために、利得切替回路412の帰還抵抗の本数が2本以上に増えた場合、利得切替判断アルゴリズムで利得の状態を把握しておく必要があり、回路構成の複雑化とともに瞬時応答性を下げる要因となる。なお、利得状態を把握する回路例としては、例えば図19に示すようなSRラッチ回路431,432とアンド回路43を使用した論理回路によって状態を保持する保持回路430が知られている。
Further, in order to realize a high sensitivity and a wide dynamic range, when the number of feedback resistors of the
以上のように、従来の高感度で広入力ダイナミックレンジを実現するトランスインピーダンスアンプでは、バーストデータに対応した瞬時応答を実現できないという課題があった。また、瞬時応答性を重視した場合、ノイズによる誤動作が増加する傾向があるため、ノイズを抑制して動作安定性を得るための構成も必要となるが、前述した従来技術では、このようなノイズに対する動作安定性についてあまり考慮されていないという課題があった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、高感度および広入力ダイナミックレンジを実現でき、バーストデータに対応した瞬時応答を実現できるとともに、ノイズに対する動作安定性を実現できるトランスインピーダンスアンプを提供することを目的としている。
As described above, the conventional transimpedance amplifier that achieves a wide input dynamic range with high sensitivity has a problem that it cannot realize an instantaneous response corresponding to burst data. In addition, when emphasis is placed on instantaneous response, malfunctions due to noise tend to increase, so a configuration for suppressing noise and obtaining operational stability is also necessary. There has been a problem that the operational stability with respect to is not considered much.
The present invention is intended to solve such a problem. A transimpedance amplifier capable of realizing high sensitivity and a wide input dynamic range, realizing an instantaneous response corresponding to burst data, and realizing operation stability against noise. The purpose is to provide.
このような目的を達成するために、本発明にかかるトランスインピーダンスアンプは、入力端子へ入力された電流を所望の利得で増幅し電圧信号として出力する第1のトランスインピーダンスアンプコア回路と、この第1のトランスインピーダンスアンプコア回路と同じ構成で入力端子が開放された第2のトランスインピーダンスアンプコア回路と、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路からの出力信号を差動増幅して出力する中間段バッファ回路と、この中間段バッファ回路から出力された差動出力信号を比較入力電圧とし、この比較入力電圧を第1のヒステリシス特性で比較判定した結果に基づき第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の利得を切り替える利得切替信号を出力する利得切替判断回路とを備え、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路は、利得切替信号に基づき利得を切り替える利得切替回路を有し、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路は、利得切替信号に基づき利得を切り替える利得切替回路と、当該第2のトランスインピーダンスアンプコア回路から出力する電圧信号の高周波成分を減衰させるフィルタ回路とを有している。 In order to achieve such an object, a transimpedance amplifier according to the present invention includes a first transimpedance amplifier core circuit that amplifies a current input to an input terminal with a desired gain and outputs the amplified signal as a voltage signal. A second transimpedance amplifier core circuit having the same configuration as that of the first transimpedance amplifier core circuit and having an input terminal opened, and output signals from the first and second transimpedance amplifier core circuits are differentially amplified and output. An intermediate stage buffer circuit and a differential output signal output from the intermediate stage buffer circuit is used as a comparison input voltage, and the first and second transimpedances are based on a result of comparison and determination of the comparison input voltage using the first hysteresis characteristic. Gain switching judgment circuit for outputting a gain switching signal for switching the gain of the amplifier core circuit The first transimpedance amplifier core circuit includes a gain switching circuit that switches the gain based on the gain switching signal, and the second transimpedance amplifier core circuit includes a gain switching circuit that switches the gain based on the gain switching signal; And a filter circuit for attenuating the high frequency component of the voltage signal output from the second transimpedance amplifier core circuit.
この際、フィルタ回路として、容量素子を用いてもよい。 At this time, a capacitive element may be used as the filter circuit.
また、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路に、入力端子に接続された信号入力端子へ入力された電流を帰還抵抗値で定まる利得で増幅し信号出力端子から電圧信号として出力する増幅回路を設け、利得切替回路により、増幅回路の信号入力端子と信号出力端子の間に接続されて、利得切替信号に基づき帰還抵抗値を切り替えるものとし、フィルタ回路を、増幅回路の信号入力端子と信号出力端子の間に接続された容量素子で実現してもよい。 In addition, the first transimpedance amplifier core circuit is provided with an amplifier circuit that amplifies the current input to the signal input terminal connected to the input terminal with a gain determined by the feedback resistance value and outputs it as a voltage signal from the signal output terminal, The gain switching circuit is connected between the signal input terminal and the signal output terminal of the amplifier circuit, and the feedback resistance value is switched based on the gain switching signal, and the filter circuit is connected between the signal input terminal and the signal output terminal of the amplifier circuit. You may implement | achieve with the capacitive element connected between.
あるいは、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路に、入力端子に接続された信号入力端子へ入力された電流を帰還抵抗値で定まる利得で増幅し信号出力端子から電圧信号として出力する増幅回路を設け、利得切替回路により、増幅回路の信号入力端子と信号出力端子の間に接続されて、利得切替信号に基づき帰還抵抗値を切り替えるものとし、フィルタ回路を、増幅回路の信号入力端子と所定電源電位との間に接続された容量素子で実現してもよい。 Alternatively, the first transimpedance amplifier core circuit is provided with an amplifier circuit that amplifies the current input to the signal input terminal connected to the input terminal with a gain determined by the feedback resistance value and outputs the amplified signal as a voltage signal from the signal output terminal. The gain switching circuit is connected between the signal input terminal and the signal output terminal of the amplifier circuit, and the feedback resistance value is switched based on the gain switching signal. The filter circuit is connected to the signal input terminal of the amplifier circuit and the predetermined power supply potential. It may be realized by a capacitive element connected between the two.
あるいは、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路に、入力端子に接続された信号入力端子へ入力された電流を帰還抵抗値で定まる利得で増幅し信号出力端子から電圧信号として出力する増幅回路を設け、利得切替回路により、増幅回路の信号入力端子と信号出力端子の間に接続されて、利得切替信号に基づき帰還抵抗値を切り替えるものとし、フィルタ回路を、増幅回路の信号出力端子と所定電源電位との間に接続された容量素子で実現してもよい。 Alternatively, the first transimpedance amplifier core circuit is provided with an amplifier circuit that amplifies the current input to the signal input terminal connected to the input terminal with a gain determined by the feedback resistance value and outputs the amplified signal as a voltage signal from the signal output terminal. The gain switching circuit is connected between the signal input terminal and the signal output terminal of the amplifier circuit, and the feedback resistance value is switched based on the gain switching signal. The filter circuit is connected to the signal output terminal of the amplifier circuit and the predetermined power supply potential. It may be realized by a capacitive element connected between the two.
この際、フィルタ回路に、利得切替信号に基づき容量素子の少なくともいずれか一方の接続端子を切り離すスイッチを設けてもよい。
また、スイッチを、利得切替回路が最も高い利得を選択している状態で導通させるようにしてもよい。
また、スイッチとして、MOSトランジスタを用いてもよい。
At this time, the filter circuit may be provided with a switch that disconnects at least one of the connection terminals of the capacitive element based on the gain switching signal.
Further, the switch may be turned on in a state where the gain switching circuit selects the highest gain.
Further, a MOS transistor may be used as the switch.
本発明によれば、利得切替判断回路により、中間段バッファ回路からの差動出力信号である比較入力電圧が第1のヒステリシス特性で比較判定された結果に基づき利得切替信号が出力されて、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の利得が切り替えられる利得切替動作が行われるとともに、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路のフィルタ回路により、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路から高周波成分が減衰した出力信号が出力される。 According to the present invention, the gain switching determination circuit outputs the gain switching signal based on the result of the comparison determination of the comparison input voltage, which is the differential output signal from the intermediate buffer circuit, using the first hysteresis characteristic. A gain switching operation for switching the gains of the first and second transimpedance amplifier core circuits is performed, and a high frequency component is attenuated from the second transimpedance amplifier core circuit by the filter circuit of the second transimpedance amplifier core circuit. An output signal is output.
これにより、比較入力電圧に基づき利得切替要否を判断するためにヒステリシス特性が利用されるため、利得切替判断のための比較入力電圧を応答時間の遅いレベルホールド回路で保持する必要がなくなり、入力電流に応じて変化する比較入力電圧に基づき瞬時に利得切替判断が可能となり、バーストデータに対応した瞬時応答を実現できる。また、フィルタ回路により、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路からの出力信号の雑音帯域を削減でき、十分な低雑音特性が得られる。 As a result, hysteresis characteristics are used to determine whether or not gain switching is necessary based on the comparison input voltage, so there is no need to hold the comparison input voltage for gain switching determination with a level hold circuit with a slow response time. Gain switching can be determined instantaneously based on a comparison input voltage that changes in accordance with the current, and an instantaneous response corresponding to burst data can be realized. Further, the noise band of the output signal from the second transimpedance amplifier core circuit can be reduced by the filter circuit, and a sufficiently low noise characteristic can be obtained.
また、利得切り替えを行う場合、歪みの少ない差動信号を生成するために参照電位を出力する第2のトランスインピーダンスコア回路は、第1のトランスインピーダンス回路の出力電位と同じ出力電位を生成する必要があるが、第2のトランスインピーダンスコア回路の雑音帯域を削減するフィルタ回路をスイッチで切替制御を行うことにより、雑音特性を改善できるとともに瞬時応答性と動作安定を得ることができる。
したがって、低雑音性を重視した場合でも、ノイズを抑制して動作安定を得ることができ、瞬時応答性と動作安定性とを兼ね備えたトランスインピーダンスアンプを実現できる。
In addition, when performing gain switching, the second transimpedance core circuit that outputs a reference potential to generate a differential signal with less distortion needs to generate the same output potential as the output potential of the first transimpedance circuit. However, by performing switching control of the filter circuit that reduces the noise band of the second transimpedance core circuit with a switch, noise characteristics can be improved and instantaneous response and operation stability can be obtained.
Therefore, even when importance is placed on low noise, it is possible to obtain stable operation by suppressing noise, and it is possible to realize a transimpedance amplifier having both instantaneous response and operational stability.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプについて説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプの構成を示すブロック図である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, a transimpedance amplifier according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the transimpedance amplifier according to the first embodiment of the present invention.
このトランスインピーダンスアンプ200は、高速データ伝送を可能とする光伝送システム、光インターコネクション、パッシブオプティカルネットワーク(PON)システム等の光伝送回路において、受光素子100で受信した光ファイバからの光信号を電気信号に変換する光受信回路で用いられる。
The
図1に示すように、トランスインピーダンスアンプ200は、主な回路構成として、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220、中間段バッファ回路230、出力バッファ回路240、および利得切替判断回路250を備えている。
As shown in FIG. 1, the
第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210は、入力端子が受光素子100の出力端子に接続されて、受光素子100から出力された入力電流Iinを電圧変換して信号増幅を行い、入力電流Iinに応じて変化する出力電圧V1を出力端子から出力する増幅回路211と、この増幅回路211の入力端子と出力端子との間に接続されて、利得切替判断回路250からの利得切替信号SELに応じて増幅回路211のトランスインピーダンス利得を切り替える利得切替回路212とを有している。
The first transimpedance
第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220は、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210の増幅回路211と同様であるものの入力端子が開放されており、出力電圧V1の参照電圧として入力電流Iinに応じて変化しない一定の出力電圧V2を出力端子から出力する増幅回路221と、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210の利得切替回路212と同様の利得切替回路222と、増幅回路221から出力される出力電圧V2の高周波成分を減衰させるフィルタ回路223とを有している。
The second transimpedance
中間段バッファ回路230は、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の出力端子が差動入力端子に接続されて、この差動入力端子に入力された出力電圧V1,V2を差動増幅し(例えば、利得=1)、出力電圧V3(非反転出力)および出力電圧V4(反転出力)からなる差動出力信号として差動出力端子から出力するバッファ回路である。
出力バッファ回路240は、中間段バッファ回路230の差動出力端子が差動入力端子に接続されて、この差動入力端子に入力された出力電圧V3,V4を差動増幅し(例えば、利得=1)、出力電圧Voutp(非反転出力)およびVoutn(反転出力)を、トランスインピーダンスアンプ200の出力電圧Voutとして出力するバッファ回路である。
In the intermediate
In the
利得切替判断回路250は、中間段バッファ回路230の出力電圧V3,V4からなる比較入力電圧Vc(=V4−V3)を入力として、この比較入力電圧を第1のヒステリシス特性で比較判定した結果に基づき第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得切替回路212,222に利得切替信号SELを出力する利得切替コンパレータ251を有し、この利得切替信号SELにより、受光素子100からの入力電流Iinに応じて第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得を切り替える判断回路である。
The gain
本実施の形態では、利得切替判断回路250で、中間段バッファ回路230からの差動出力信号である比較入力電圧Vcを第1のヒステリシス特性で比較判定した結果に基づき利得切替信号を出力することにより、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得を切り替える利得切替動作を行うとともに、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220から高周波成分を減衰させた出力電圧V2を出力するようにしたものである。
In the present embodiment, the gain
[トランスインピーダンスアンプコア回路]
次に、図2および図3を参照して、本発明の第1の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプで用いられる第1のトランスインピーダンスアンプコア回路について詳細に説明する。図2は、本発明の第1の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプで用いられる第1のトランスインピーダンスアンプコア回路の構成を示す回路図である。図3は、本発明の第1の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプで用いられる第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の構成を示す回路図である。
[Transimpedance amplifier core circuit]
Next, the first transimpedance amplifier core circuit used in the transimpedance amplifier according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2 and FIG. FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a first transimpedance amplifier core circuit used in the transimpedance amplifier according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a second transimpedance amplifier core circuit used in the transimpedance amplifier according to the first embodiment of the present invention.
図2に示すように、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210は、増幅回路211と利得切替回路212とから構成されている。
増幅回路211は、入力端子に接続された信号入力端子へ入力された入力電流Iinを帰還抵抗値で定まる利得で増幅し信号出力端子から電圧信号として出力する増幅回路である。
利得切替回路212は、増幅回路211の信号入力端子と信号出力端子の間に接続されて、利得切替判断回路250からの利得切替信号SELに基づき増幅回路211の帰還抵抗値を切り替える回路である。図2において、利得切替回路212は、抵抗素子RFaと抵抗素子RFb(抵抗値:RFa>RFb)の並列回路から構成されており、抵抗素子RFbには利得切替信号SELに応じてオン/オフするスイッチSW1が直列接続されている。
As shown in FIG. 2, the first transimpedance
The amplifier circuit 211 is an amplifier circuit that amplifies an input current Iin input to a signal input terminal connected to the input terminal with a gain determined by a feedback resistance value, and outputs the amplified signal as a voltage signal from the signal output terminal.
The
このスイッチSW1は、例えばNMOSトランジスタからなり、そのゲート端子に入力される利得切替信号SELがLOWレベルの場合に非導通(オフ)状態となって、利得切替回路212全体の帰還抵抗値は抵抗素子RFaの抵抗値となる。一方、ゲート端子に入力される利得切替信号SELがHIGHレベルの場合に導通(オン)状態となって、抵抗素子RFaと抵抗素子FRbが並列接続され、利得切替回路212全体の帰還抵抗値は抵抗素子RFaと抵抗素子FRbの並列接続抵抗値となる。
したがって、利得切替信号SELがLOWレベルの場合は帰還抵抗値が大きいため、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210の利得が大きくなり、利得切替信号SELがHIGHレベルの場合は帰還抵抗値が小さいため、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210の利得は小さくなる。
The switch SW1 is composed of, for example, an NMOS transistor. When the gain switching signal SEL input to the gate terminal thereof is at a low level, the switch SW1 is turned off (off), and the feedback resistance value of the entire
Therefore, since the feedback resistance value is large when the gain switching signal SEL is LOW level, the gain of the first transimpedance
図3に示すように、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220は、増幅回路221、利得切替回路222、およびフィルタ回路223から構成されている。
増幅回路221は、信号入力端子へ入力された入力電流Iinを帰還抵抗値で定まる利得で増幅し信号出力端子から電圧信号として出力する増幅回路である。第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220の場合、信号入力端子が開放されているため入力電流Iinがゼロ(無入力)の場合の出力電圧V2(直流電圧)が信号出力端子から出力される。
As shown in FIG. 3, the second transimpedance
The amplifier circuit 221 is an amplifier circuit that amplifies the input current Iin input to the signal input terminal with a gain determined by the feedback resistance value, and outputs the amplified signal as a voltage signal from the signal output terminal. In the case of the second transimpedance
利得切替回路222は、増幅回路221の信号入力端子と信号出力端子の間に接続されて、利得切替判断回路250からの利得切替信号SELに基づき増幅回路221の帰還抵抗値を切り替える回路である。図3において、利得切替回路222は、抵抗素子RFaと抵抗素子RFbの並列回路から構成されており、抵抗素子RFbには利得切替信号SELに応じてオン/オフするスイッチSW1が直列接続されている。なお、利得切替回路222の動作については、前述した利得切替回路212と同様であり、ここでの説明は省略する。
The
フィルタ回路223は、増幅回路221から出力される出力電圧V2の高周波成分を減衰させる回路である。図3には、増幅回路221の信号入力端子と信号出力端子の間に接続された容量素子Cからなるフィルタ回路223が示されており、増幅回路221および利得切替回路222と協働して、ローパスフィルタ機能付きの増幅回路を構成している。
このフィルタ回路223の配置位置については、増幅回路221の信号入力端子と信号出力端子の間に限定されるものではなく、フィルタ回路223Xやフィルタ回路223Yなど、他の位置に配置してもよい。
The
The arrangement position of the
例えば、フィルタ回路223Xは、増幅回路221の信号入力端子と接地電位との間に接続した例を示しており、増幅回路221へ入力される入力信号の高周波成分がフィルタ回路223Xの容量素子Cにより減衰し、結果として低雑音の出力電圧V2が第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220から出力される。
また、フィルタ回路223Yは、増幅回路221の信号出力端子と接地電位との間に接続した例を示しており、増幅回路221から出力される出力電圧V2の高周波成分がフィルタ回路223Yの容量素子Cにより減衰し、結果として低雑音の出力電圧V2が第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220から出力される。
なお、フィルタ回路223X,223Yにおいて、容量素子の一端が接続される接地電位は、低インピーダンスであれば任意の電源電位でよい。
For example, the
Further, the
In the
[第1の実施の形態の動作]
次に、図4〜図7を参照して、本発明の第1の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプの動作について説明する。図4は、本発明の第1の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプの各部における信号波形例である。図5は、利得切替コンパレータが持つヒステリシス特性例である。図6は、利得切替コンパレータの動作特性例である。図7は、本発明の第1の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプの動作例を示すタイミングチャートである。
[Operation of First Embodiment]
Next, the operation of the transimpedance amplifier according to the first exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a signal waveform example in each part of the transimpedance amplifier according to the first exemplary embodiment of the present invention. FIG. 5 is an example of hysteresis characteristics of the gain switching comparator. FIG. 6 is an example of operating characteristics of the gain switching comparator. FIG. 7 is a timing chart showing an operation example of the transimpedance amplifier according to the first exemplary embodiment of the present invention.
まず、図4を参照して、第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220、中間段バッファ回路230、および出力バッファ回路240の動作について説明する。
光ファイバを介して宅側装置(ONU)から局側装置(OLT)へ到達した光信号は、局側装置の光波長分割多重回路(WDM:Wavelength Division Multiplex)で分離された後、光受信回路の受光素子100により光電気変換され、入力電流Iinとしてトランスインピーダンスアンプ200へ入力される。
First, operations of the first transimpedance
An optical signal that arrives at the station side device (OLT) from the home side device (ONU) via the optical fiber is separated by an optical wavelength division multiplex circuit (WDM) of the station side device, and then an optical reception circuit. The
トランスインピーダンスアンプ200の第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210は、入力された入力電流Iinを増幅回路211で電圧変換して信号増幅を行い、この入力電流Iinに応じて変化する出力電圧V1を出力する。
一方、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220は、常時、出力電圧V1の参照電圧として入力電流Iinに応じて変化しない一定の出力電圧V2を出力している。
The first transimpedance
On the other hand, the second transimpedance
中間段バッファ回路230には、これら第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210の出力電圧V1と、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220の出力電圧V2が入力され、入力電流Iinが大きくなると出力電圧V3,V4との間の電位差(V4−V3)が大きくなるような差動出力信号が得られる。これら出力電圧V3,V4は、所定の中心電位V0を中心として上下に対称な振幅を持つ信号波形となる。
中間段バッファ回路230の差動出力信号は、出力バッファ回路240に入力され、出力電圧Voutp(非反転出力)およびVoutn(反転出力)からなるトランスインピーダンスアンプ200の出力電圧Voutとして出力される。
The intermediate
The differential output signal of the intermediate
次に、図5〜図7を参照して、利得切替判断回路250の動作について説明する。
中間段バッファ回路230の差動出力信号は、比較入力電圧Vcとして利得切替判断回路250へ供給され、利得切替判断回路250の利得切替コンパレータ251へ入力される。
図5に示すように、利得切替コンパレータ251は、所定の電圧検出レベルVhからなるヒステリシス特性(第1のヒステリシス特性)を有している。ここでは、ヒステリシスコンパレータの立ち上がり動作が行われる差動入力端子の入力電圧すなわち比較入力電圧を電圧検出レベルという。
Next, the operation of the gain
The differential output signal of the intermediate
As shown in FIG. 5, the gain switching comparator 251 has a hysteresis characteristic (first hysteresis characteristic) composed of a predetermined voltage detection level Vh. Here, the input voltage at the differential input terminal where the rising operation of the hysteresis comparator is performed, that is, the comparison input voltage is referred to as a voltage detection level.
本実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプ200の構成では、常に、受光素子100から入力電流Iinが入力されるため、出力電圧V2>出力電圧V1となり、比較入力電圧Vc(=V4−V3)>0である。
このような比較入力電圧Vcを差動入力とする利得切替コンパレータ251では、比較入力電圧Vcが電圧検出レベルVhと比較されることになる。したがって、比較入力電圧Vcが電圧検出レベルVhを超えた時点で、利得切替コンパレータ251からの出力すなわち利得切替信号SELの論理が反転する。
In the configuration of the
In the gain switching comparator 251 that uses the comparison input voltage Vc as a differential input, the comparison input voltage Vc is compared with the voltage detection level Vh. Therefore, when the comparison input voltage Vc exceeds the voltage detection level Vh, the output from the gain switching comparator 251, that is, the logic of the gain switching signal SEL is inverted.
この際、一度反転した場合、そのヒステリシス特性の立ち下がり動作まで比較入力電圧Vcが変化しない限り、出力論理はリセットされない。本実施の形態では、比較入力電圧Vc>0であるため、ヒステリシス特性の立ち下がり動作まで比較入力電圧Vcが変化せず、結果として一度反転した場合には、その論理が保持される。したがって、入力信号Iinがゼロの場合の比較入力電圧Vcを基準電圧Vnとした場合、利得切替コンパレータ251では、基準電圧Vnより高い比較入力電圧Vcに対するヒステリシス特性(立ち上がり動作領域)しか利用されていない。
本実施の形態では、パケットを受信する前に、利得切替信号SELの論理を「利得大」に初期化しておき、利得切替コンパレータ251のヒステリシス特性における立ち上がり動作に応じて、利得切替信号SELの論理を「利得大」から「利得小」へ切り替えている。
At this time, once inverted, the output logic is not reset unless the comparison input voltage Vc is changed until the falling operation of the hysteresis characteristic. In this embodiment, since the comparison input voltage Vc> 0, the comparison input voltage Vc does not change until the falling operation of the hysteresis characteristic, and when it is inverted once as a result, the logic is retained. Therefore, when the comparison input voltage Vc when the input signal Iin is zero is set to the reference voltage Vn, the gain switching comparator 251 uses only the hysteresis characteristic (rise operation region) for the comparison input voltage Vc higher than the reference voltage Vn. .
In this embodiment, before receiving a packet, the logic of the gain switching signal SEL is initialized to “high gain”, and the logic of the gain switching signal SEL is changed according to the rising operation in the hysteresis characteristic of the gain switching comparator 251. Is switched from “high gain” to “low gain”.
なお、利得切替信号SELの初期化については、外部からのリセット信号に応じて、利得切替コンパレータ251内部のヒステリシスコンパレータの比較電位を強制的に初期値に戻すスイッチ(MOSトランジスタ)を、利得切替コンパレータ251内に設ければよい。外部リセット信号については、公知の技術を利用して、網側からパケットごとに送られているリセット信号を検出して得ることができる。 As for initialization of the gain switching signal SEL, a switch (MOS transistor) that forcibly returns the comparison potential of the hysteresis comparator in the gain switching comparator 251 to the initial value in response to an external reset signal is provided. 251 may be provided. The external reset signal can be obtained by detecting a reset signal sent for each packet from the network side using a known technique.
したがって、図6に示すように、入力電流Iinが電流値I1に到達した時点で、比較入力電圧Vcが電圧検出レベルVhへ到達し、利得切替コンパレータ251が立ち上がり動作して、利得切替信号SELの論理が「利得大」から「利得小」へ切り替えられる。これにより、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得が小さくなり、結果としてトランスインピーダンスアンプの出力電圧Voutや比較入力電圧Vcは小さくなる。
Therefore, as shown in FIG. 6, when the input current Iin reaches the current value I1, the comparison input voltage Vc reaches the voltage detection level Vh, the gain switching comparator 251 rises, and the gain switching signal SEL The logic is switched from “high gain” to “low gain”. As a result, the gains of the first and second transimpedance
これにより、図7に示すように、時刻T1においてパケットの受信が開始されて入力電流Iinが増加し、時刻T2において比較入力電圧Vcが電圧検出レベルVhへ到達した場合、利得切替コンパレータ251からの利得切替信号SELが「利得大」から「利得小」へ反転する。これにより、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得が小さくなる。
As a result, as shown in FIG. 7, when reception of a packet is started at time T1, the input current Iin increases, and when the comparison input voltage Vc reaches the voltage detection level Vh at time T2, the gain switching comparator 251 The gain switching signal SEL is inverted from “high gain” to “low gain”. Thereby, the gains of the first and second transimpedance
この後、利得低減により比較入力電圧Vcが電圧検出レベルVhを下回っても、利得切替コンパレータ251のヒステリシス特性により、Vc<−Vhとならない限り利得切替コンパレータ251は立ち下がり動作せず、利得切替信号SELは「利得大」から「利得小」へは反転しない。これにより、利得切替信号SELの論理が「利得大」から「利得小」へ切り替えられた後、利得低減さらには入力電流Iinの低減が発生した場合でも、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得は保持され、安定した出力電圧Voutが出力される。
Thereafter, even if the comparison input voltage Vc falls below the voltage detection level Vh due to the gain reduction, the gain switching comparator 251 does not perform the falling operation unless the Vc <−Vh is satisfied due to the hysteresis characteristic of the gain switching comparator 251, and the gain switching signal SEL does not reverse from “high gain” to “low gain”. As a result, the first and second transimpedance amplifier cores can be used even when the gain is reduced or the input current Iin is reduced after the logic of the gain switching signal SEL is switched from “high gain” to “low gain”. The gains of the
このように、本実施の形態では、利得切替判断回路250で、中間段バッファ回路230からの差動出力信号である比較入力電圧Vcを第1のヒステリシス特性で比較判定した結果に基づき利得切替信号SELを出力することにより、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得を切り替える利得切替動作を行うようにしたので、比較入力電圧Vcに基づき利得切替要否を判断するためにヒステリシス特性が利用されるため、利得切替判断のための比較入力電圧Vcを応答時間の遅いレベルホールド回路で保持する必要がなくなり、入力電流Iinに応じて変化する比較入力電圧Vcに基づき瞬時に利得切替判断が可能となり、バーストデータに対応した瞬時応答を実現できる。
As described above, in the present embodiment, the gain
さらに、本実施の形態では、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220にフィルタ回路223を設け、高周波成分を減衰させた出力電圧V2を出力するようにしたので、リファレンス電圧となる出力電圧V2の信号帯域を削減でき、十分な低雑音特性が得られる。
Further, in the present embodiment, the
本実施の形態のように、トランスインピーダンスアンプコア回路を2つ設け、そのうち一方の第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210を、受光素子100からの入力電流Iinを増幅するメインコアとして用い、他方の第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220を、リファレンス電位を発生させるダミーコアとして用いる構成のトランスインピーダンスアンプでは、低雑音化するためメインコアとダミーコアで同一の回路構成を用いる。
しかしながら、このような構成では、高い瞬時応答性か得られるものの、ダミーコアもメインコアと同一の広い周波数特性を持つため、本来、直流成分しか必要のないリファレンス電圧にノイズによる高周波成分が現れやすく、雑音特性が悪化する原因となる。
As in this embodiment, two transimpedance amplifier core circuits are provided, and one of the first transimpedance
However, in such a configuration, although high instantaneous response can be obtained, since the dummy core has the same wide frequency characteristics as the main core, a high-frequency component due to noise tends to appear in the reference voltage that originally requires only a DC component, This will cause the noise characteristics to deteriorate.
本実施の形態では、このダミーコアに相当する第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220にフィルタ回路223を設けて、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220の周波数特性のうち高周波帯域を削減するようにしたので、リファレンス電圧すなわち出力電圧V2の信号帯域を削減でき、十分な低雑音特性が得られる。
したがって、瞬時応答性を重視した場合でも、ノイズを抑制して動作安定性を得ることができ、瞬時応答性と動作安定性とを兼ね備えたトランスインピーダンスアンプを実現できる。
In the present embodiment, a
Therefore, even when emphasis is placed on instantaneous response, noise can be suppressed and operation stability can be obtained, and a transimpedance amplifier having both instantaneous response and operation stability can be realized.
[第2の実施の形態]
次に、図8を参照して、本発明の第2の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプについて説明する。図8は、本発明の第2の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプで用いられる利得切替判断回路の構成を示す回路図である。図9は、本発明の第2の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプで用いられる第1のトランスインピーダンスアンプコア回路の構成例を示す回路図であり、前述の図2と同じまたは同等部分には同一符号を付してある。図10は、本発明の第2の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプで用いられる第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の構成例を示す回路図であり、前述の図3と同じまたは同等部分には同一符号を付してある。
[Second Embodiment]
Next, a transimpedance amplifier according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a gain switching determination circuit used in the transimpedance amplifier according to the second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration example of the first transimpedance amplifier core circuit used in the transimpedance amplifier according to the second embodiment of the present invention. The same reference numerals are given. FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration example of a second transimpedance amplifier core circuit used in the transimpedance amplifier according to the second embodiment of the present invention. The same reference numerals are given.
前述した第1の実施の形態では、トランスインピーダンスアンプコア回路210,220での利得切り替えが「利得大」と「利得小」の1段切り替えの場合を例として説明した。本実施の形態では、利得切り替えが複数段の場合について、具体的には、トランスインピーダンスアンプコア回路210,220での利得切り替えが「利得大」、「利得中」、および「利得小」の2段切り替えの場合を例として説明する。なお、本実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプのうち、利得切替判断回路と第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路以外の構成については、前述した第1の実施の形態と同等であり、ここでの詳細な説明は省略する。
In the first embodiment described above, the case where the gain switching in the transimpedance
図8に示すように、前述した第1の実施の形態で説明した利得切替判断回路250と比較して、本実施の形態で用いる利得切替判断回路250Aには、前述した利得切替コンパレータ251に加えて、利得切替コンパレータ252とスイッチ253とが追加されている。このうち、利得切替コンパレータ252については、前述した利得切替コンパレータ251と同等である。
As shown in FIG. 8, compared to the gain
スイッチ253は、中間段バッファ回路230の差動出力端子と、利得切替コンパレータ252の差動入力端子との間に設けられたスイッチ回路である。スイッチ253の切替制御入力端子には、利得切替コンパレータ251の出力端子が接続されており、利得切替コンパレータ251から出力される第1の利得切替信号SEL1の論理が「利得大」から「利得中」へ反転した時点で「オフ」から「オン」へ動作して、比較入力電圧Vcを利得切替コンパレータ252へ供給する。
The switch 253 is a switch circuit provided between the differential output terminal of the intermediate
利得切替コンパレータ252は、差動入力端子がスイッチ253を介して中間段バッファ回路230の差動出力端子に接続されて、この差動入力端子に入力された比較入力電圧Vcをヒステリシス特性で比較判定し、その結果に応じた利得切替信号SEL2を出力端子から出力することにより、トランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得を「利得中」から「利得小」へ切り替える利得切替動作を行うヒステリシスコンパレータである。
The gain switching comparator 252 has a differential input terminal connected to the differential output terminal of the
また、図9に示すように、前述した第1の実施の形態で説明した第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210と比較して、本実施の形態で用いる第1のトランスインピーダンスアンプコア回路210Aには、利得切替回路212に代えて利得切替回路212Aが設けられている。
Further, as shown in FIG. 9, compared to the first transimpedance
利得切替回路212Aは、利得切替回路212の抵抗素子RFaに対して、抵抗素子RFc(抵抗値:RFa>RFb>RFc)とスイッチSW2の直列接続回路が並列的に追加されている。この際、スイッチSW1が第1の利得切替信号SEL1の論理に応じて動作し、スイッチSW2が第2の利得切替信号SEL2の論理に応じて動作する。スイッチSW1,SW2をオフさせた状態で帰還抵抗値が最も大きく「利得大」となる。以下、スイッチSW1,SW2を順にオンさせることにより帰還抵抗値が段階的に小さくなり、「利得大」→「利得中」→「利得小」と遷移する。
In the
また、図10に示すように、前述した第1の実施の形態で説明した第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220と比較して、本実施の形態で用いる第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220Aには、利得切替回路222に代えて利得切替回路222Aが設けられており、フィルタ回路223に代えてフィルタ回路223Aが設けられている。
Further, as shown in FIG. 10, the second transimpedance
利得切替回路222Aは、利得切替回路212Aと同様の構成であり、スイッチSW1,SW2を順にオンさせることにより帰還抵抗値が段階的に小さくなり、「利得大」→「利得中」→「利得小」と遷移する。
フィルタ回路223Aは、容量素子CとスイッチSWcの直列接続回路から構成されており、第1の利得切替信号SEL1および第2の利得切替信号SEL2の論理に応じて切り替えられる第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220Aの利得に合わせて、容量素子Cの接続/開放が制御される。
The
The
[第2の実施の形態の動作]
次に、図11を参照して、本発明の第2の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプの動作について説明する。図11は、利得切替コンパレータの動作特性例である。図12は、本発明の第2の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプの動作例を示すタイミングチャートである。ここでは、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210A,220Aの利得が最大のときのみフィルタ回路223Aを動作させ、他の利得のときにはフィルタ回路223Aを非動作状態とする場合について説明する。
[Operation of Second Embodiment]
Next, the operation of the transimpedance amplifier according to the second exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 is an example of operating characteristics of the gain switching comparator. FIG. 12 is a timing chart showing an operation example of the transimpedance amplifier according to the second exemplary embodiment of the present invention. Here, a case will be described in which
図11に示すように、入力電流Iinが増加して電流値I1に到達するまでの期間すなわち初期状態には、比較入力電圧Vcが電圧検出レベルVhより小さいため利得切替信号SEL1が「利得大」の論理を示す。これに応じてスイッチ253はオフ状態に制御されており、利得切替コンパレータ252に比較入力電圧Vcは供給されないため、利得切替信号SEL2は「利得中」の論理を示す。したがって、利得切替回路212A,212BのスイッチSW1,SW2はオフ状態となって「利得大」が選択される。
As shown in FIG. 11, in the period until the input current Iin increases and reaches the current value I1, that is, in the initial state, the gain switching signal SEL1 is “high gain” because the comparison input voltage Vc is smaller than the voltage detection level Vh. The logic of Accordingly, the switch 253 is controlled to be in an OFF state, and the comparison input voltage Vc is not supplied to the gain switching comparator 252. Therefore, the gain switching signal SEL2 indicates a “medium gain” logic. Accordingly, the switches SW1 and SW2 of the
また、利得切替信号SEL1によりスイッチSWcがオン状態となって容量素子Cが増幅回路221の信号入力端子と信号出力端子との間に接続されてフィルタ回路223Aが動作する。これにより、「利得大」が選択された場合、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220の周波数特性のうち高周波帯域が削減されて、リファレンス電圧すなわち出力電圧V2の信号帯域が削減され、低雑音特性を有するトランスインピーダンスアンプが実現される。
Further, the switch SWc is turned on by the gain switching signal SEL1, and the capacitor C is connected between the signal input terminal and the signal output terminal of the amplifier circuit 221, and the
その後、入力電流Iinが増加して電流値I1に達した時点で、比較入力電圧Vcが電圧検出レベルVhに到達し、利得切替コンパレータ251が立ち上がり動作して、利得切替信号SEL1の論理が「利得大」から「利得中」へ切り替えられる。これにより、利得切替回路212A,212BのスイッチSW1がオン状態に制御されて帰還抵抗値が小さくなり「利得中」が選択される。
また、利得切替信号SEL1によりスイッチSWcがオフ状態となって容量素子Cが増幅回路221の信号入力端子と信号出力端子との間から切り離されてフィルタ回路223Aが非動作となる。これにより、「利得大」以外が選択された場合、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220の周波数特性は削減されなくなる。
Thereafter, when the input current Iin increases and reaches the current value I1, the comparison input voltage Vc reaches the voltage detection level Vh, the gain switching comparator 251 starts up, and the logic of the gain switching signal SEL1 is “gain”. “Large” to “Medium”. As a result, the switch SW1 of the
Further, the switch SWc is turned off by the gain switching signal SEL1, and the capacitive element C is disconnected from between the signal input terminal and the signal output terminal of the amplifier circuit 221, and the
利得切替信号SEL1の論理が「利得大」から「利得中」へ切り替えられた場合、スイッチ253がオン状態となって比較入力電圧Vcが利得切替コンパレータ252へ供給される。この際、前述したように第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210A,220Aの利得が「利得中」に制御されるため、結果としてトランスインピーダンスアンプの出力電圧Voutや比較入力電圧Vcが低減する。このため、利得切替コンパレータ252では、比較入力電圧Vcが電圧検出レベルVhに到達せず、利得切替信号SEL2の論理は「利得中」のままとなる。
When the logic of the gain
その後、入力電流Iinがさらに増加して電流値I2に到達した時点で、比較入力電圧Vcが電圧検出レベルVhへ再び到達し、利得切替コンパレータ252が立ち上がり動作して、利得切替信号SEL2の論理が「利得中」から「利得小」へ切り替えられる。これにより、利得切替回路212A,212BのスイッチSW2がオン状態に制御されて帰還抵抗値がさらに小さくなり「利得小」が選択される。
また、利得切替信号SEL1によりスイッチSWcはオフ状態のままであり容量素子Cが増幅回路221の信号入力端子と信号出力端子との間から切り離されてフィルタ回路223Aが非動作のままとなる。これにより、「利得大」以外が選択された場合、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220の周波数特性は削減されなくなる。
Thereafter, when the input current Iin further increases and reaches the current value I2, the comparison input voltage Vc reaches the voltage detection level Vh again, the gain switching comparator 252 rises, and the logic of the gain switching signal SEL2 becomes Switching from “medium gain” to “small gain”. As a result, the switch SW2 of the
Further, the switch SWc remains in the OFF state by the gain switching signal SEL1, and the capacitive element C is disconnected from between the signal input terminal and the signal output terminal of the amplifier circuit 221, and the
これにより、図12に示すように、時刻T11においてパケットの受信が開始されて比較入力電圧Vcが電圧検出レベルVhへ到達するまでの期間では、利得切替コンパレータ251からの利得切替信号SEL1が「利得大」を示し、利得切替信号SEL2が「利得中」を示すことから、スイッチSW1,SW2がオフして、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得が「利得大」となる。また、スイッチSWcがオンして、フィルタ回路223Aが接続され、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220の周波数特性が削減される。
As a result, as shown in FIG. 12, the gain switching signal SEL1 from the gain switching comparator 251 is “gain” during the period from the start of packet reception at time T11 until the comparison input voltage Vc reaches the voltage detection level Vh. “High” and the gain switching signal SEL2 indicates “medium gain”, so that the switches SW1 and SW2 are turned off, and the gains of the first and second transimpedance
その後、入力電流Iinが増加し、時刻T12において比較入力電圧Vcが電圧検出レベルVhへ到達した場合、利得切替コンパレータ251からの利得切替信号SEL1が「利得大」から「利得中」へ反転する。これにより、スイッチSW1がオンして、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得が「利得中」となり、比較入力電圧Vcは低減する。また、スイッチSWcがオフして、フィルタ回路223Aが切り離され、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220の周波数特性は削減されなくなる。
Thereafter, when the input current Iin increases and the comparison input voltage Vc reaches the voltage detection level Vh at time T12, the gain switching signal SEL1 from the gain switching comparator 251 is inverted from “high gain” to “medium gain”. As a result, the switch SW1 is turned on, and the gains of the first and second transimpedance
その後、入力電流Iinが増加し、時刻T13において比較入力電圧Vcが再び電圧検出レベルVhへ到達した場合、利得切替コンパレータ252からの利得切替信号SEL2が「利得中」から「利得小」へ反転する。これにより、スイッチSW2がオンして、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得が「利得小」となる。また、スイッチSWcがオフしているため、フィルタ回路223Aが切り離されており、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220の周波数特性は削減されていない。
Thereafter, when the input current Iin increases and the comparison input voltage Vc reaches the voltage detection level Vh again at time T13, the gain switching signal SEL2 from the gain switching comparator 252 is inverted from “medium gain” to “low gain”. . Thereby, the switch SW2 is turned on, and the gains of the first and second transimpedance
このように、本実施の形態では、前述した第1の実施の形態の利得切替判断回路250を構成する利得切替コンパレータ251に加えて、同等の利得切替コンパレータ252を設け、利得切替コンパレータ251から出力される第1の利得切替信号SEL1の論理が反転した時点でスイッチ253を「オフ」から「オン」へ動作させて、比較入力電圧Vcを利得切替コンパレータ252の差動入力端子へ供給するようにしたので、前述した第1の実施の形態の作用効果が得られるとともに、第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得を複数段で切り替えることができる。
As described above, in this embodiment, in addition to the gain switching comparator 251 constituting the gain
なお、本実施の形態では、「利得大」、「利得中」、および「利得小」の2段切り替えを行う場合を例として説明したが、これに限定されるものではなく、3段以上の場合には、スイッチを介して利得切替コンパレータを必要な段数だけ直列接続し、前段の利得切替コンパレータから出力される利得切替信号で当該スイッチのオン/オフを制御すればよい。
また、本実施の形態では、各利得切替コンパレータで、同一のヒステリシス特性すなわち電圧検出レベルを用いる場合を例として説明したが、これに限定されるものではなく、それぞれ個別のヒステリシス特性すなわち電圧検出レベルを用いてもよい。
In the present embodiment, the case of performing two-stage switching of “high gain”, “medium gain”, and “low gain” has been described as an example, but the present invention is not limited to this and is not limited to this. In such a case, the necessary number of stages of gain switching comparators may be connected in series via a switch, and on / off of the switch may be controlled by a gain switching signal output from the previous stage gain switching comparator.
In the present embodiment, the case where the same hysteresis characteristic, that is, the voltage detection level is used in each gain switching comparator has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and each hysteresis characteristic, that is, the voltage detection level is used. May be used.
また、本実施の形態では、トランスインピーダンスアンプコア回路220Aのフィルタ回路223AのスイッチSWcを利得切替信号SEL1で制御して、利得切替回路222Aで「利得大」が選択されている場合にのみフィルタ回路223Aを動作させるようにしたので、利得が最大の場合にのみ、第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220Aの周波数特性のうち高周波帯域を削減することができ、リファレンス電圧すなわち出力電圧V2の追従性が維持されて、トランスインピーダンスアンプの瞬時応答性を維持できる。
Further, in the present embodiment, the filter circuit is controlled only when “high gain” is selected by the
前述したように、リファレンス電圧を発生させるダミーコアすなわち第2のトランスインピーダンスアンプコア回路220では、フィルタ回路223を追加することにより、ダミーコアの周波数特性のうち高周波帯域を削減して、リファレンス電圧すなわち出力電圧V2の信号帯域を削減でき、低雑音特性を有するトランスインピーダンスアンプを実現できる。
一方、本実施の形態のような第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路210,220の利得を複数段で切り替える構成では、利得切り替えに応じてリファレンス電圧の直流電位も変化する。
As described above, in the dummy core that generates the reference voltage, that is, the second transimpedance
On the other hand, in the configuration in which the gains of the first and second transimpedance
したがって、このような構成で、常時、フィルタ回路を動作させた場合、フィルタ回路の容量素子と帰還抵抗の時定数に応じて、利得切り替え時のリファレンス電圧の変化に遅れが生じ、トランスインピーダンスアンプの入力電流Iinの変化に対する出力電圧Voutの追従性が低下する。 Therefore, when the filter circuit is always operated with such a configuration, a change occurs in the reference voltage at the time of gain switching according to the time constant of the capacitor element and the feedback resistor of the filter circuit, and the transimpedance amplifier The followability of the output voltage Vout with respect to the change of the input current Iin decreases.
本実施の形態では、トランスインピーダンスアンプコア回路の利得が最大の場合にのみフィルタ回路を動作状態とするようにしたので、利得切り替えが行われる時点でフィルタ回路の容量素子が切り離されて利得切り替え時のリファレンス電圧の変化に遅れが生じなくなり、トランスインピーダンスアンプの入力電流Iinの変化に対する出力電圧Voutの追従性が良好となり、トランスインピーダンスアンプの瞬時応答性を維持することができる。 In this embodiment, since the filter circuit is set to the operating state only when the gain of the transimpedance amplifier core circuit is maximum, the capacitive element of the filter circuit is disconnected at the time of gain switching and the gain switching is performed. No delay occurs in the change of the reference voltage, the followability of the output voltage Vout with respect to the change of the input current Iin of the transimpedance amplifier is improved, and the instantaneous response of the transimpedance amplifier can be maintained.
また、ノイズによりリファレンス電圧に発生する高周波成分は利得が高い場合に顕著であり、利得が最大の場合にのみフィルタ回路を動作させることにより、トランスインピーダンスアンプとして十分な低雑音特性が得られる。
なお、本実施の形態では、利得が最大の場合以外の状態において、利得切替信号SEL1が「利得中」を示すことに着目し、この利得切替信号SEL1よりフィルタ回路のスイッチSWcを制御する構成を例として説明したが、利得切替信号SEL1が利得が最大の場合以外の状態において「利得大」を示す構成を採用する場合、各利得切替信号から利得が最大の場合を示す信号を論理回路により生成し、その信号に基づきSWcを制御すればよい。
Further, the high frequency component generated in the reference voltage due to noise is conspicuous when the gain is high. By operating the filter circuit only when the gain is maximum, low noise characteristics sufficient as a transimpedance amplifier can be obtained.
In the present embodiment, focusing on the fact that the gain switching signal SEL1 indicates “medium gain” in a state other than the case where the gain is maximum, a configuration in which the switch SWc of the filter circuit is controlled by the gain switching signal SEL1. Although described as an example, when the gain switching signal SEL1 adopts a configuration indicating “high gain” in a state other than the case where the gain is maximum, a signal indicating the case where the gain is maximum is generated from each gain switching signal by a logic circuit Then, SWc may be controlled based on the signal.
[第3の実施の形態]
次に、図13,図14を参照して、本発明の第3の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプで用いられるトランスインピーダンスアンプコア回路の具体例について説明する。図13は、本発明の第3の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプで用いられる第1のトランスインピーダンスアンプコア回路の主要部構成例を示す回路図である。図14は、本発明の第3の実施の形態にかかるトランスインピーダンスアンプで用いられる第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の主要部構成例を示す回路図である。
[Third Embodiment]
Next, a specific example of the transimpedance amplifier core circuit used in the transimpedance amplifier according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration example of a main part of a first transimpedance amplifier core circuit used in the transimpedance amplifier according to the third embodiment of the present invention. FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration example of a main part of a second transimpedance amplifier core circuit used in the transimpedance amplifier according to the third embodiment of the present invention.
図13のトランスインピーダンスアンプコア回路210Bには、利得を「利得大」、「利得中」、および「利得小」の2段切り替えを行う利得切替回路212Bとして、トランスインピーダンス利得を決める帰還抵抗RF1,RF2,RF3、開ループ利得を決める負荷抵抗RL1,RL2,RL3が設けられており、それら帰還抵抗および負荷抵抗をNMOSトランジスタMN1〜MN4をスイッチとして所望の抵抗値に切り替える。なお、帰還抵抗および負荷抵抗を切り替えるスイッチとしてのNMOSトランジスタMN1〜MN4は切替信号の論理を反転すればPMOSトランジスタでも実現可能である。
The transimpedance
一方、図14のトランスインピーダンスアンプコア回路220Bは、前述した図13の構成に加えて、容量素子CとスイッチSWcに相当するMOSトランジスタMP5の直列接続回路からなるフィルタ回路223Bが設けられている。なお、容量素子Cを接続/開放するスイッチとしてのPMOSトランジスタMP5は切替信号の論理を反転すればNMOSトランジスタでも実現可能である。
On the other hand, the transimpedance
また、図13および図14では、帰還抵抗を切り替えるスイッチに使用するNMOSトランジスタMN1、MN2の基板端子を、ソースではなく接地電位(GND)へ接続し、基板電位をソース電位より低電位としている。このようにすることで、空乏層が広がり、NMOSトランジスタのドレイン・ソース間の寄生容量を減らして、トランスインピーダンスアンプの帯域を改善できるため、高速動作が可能となる。 In FIGS. 13 and 14, the substrate terminals of the NMOS transistors MN1 and MN2 used for the switch for switching the feedback resistor are connected to the ground potential (GND) instead of the source, and the substrate potential is set lower than the source potential. By doing so, the depletion layer is widened, the parasitic capacitance between the drain and source of the NMOS transistor can be reduced, and the band of the transimpedance amplifier can be improved, so that high-speed operation is possible.
本トランスインピーダンスアンプは、高速データ伝送を可能とする光伝送システム、光インターコネクション、パッシブオプティカルネットワーク,(以下、PONと称する)システム等の光伝送回路において、光信号を電気信号に変換する光受信回路に好適である。 This transimpedance amplifier is an optical receiver that converts an optical signal into an electrical signal in an optical transmission circuit such as an optical transmission system, an optical interconnection, a passive optical network (hereinafter referred to as a PON) system that enables high-speed data transmission. Suitable for circuit.
100…受光素子、200…トランスインピーダンスアンプ、210,210A,210B…第1のトランスインピーダンスアンプコア回路、211…増幅回路、212,212A,212B…利得切替回路、220,220A,220B…第2のトランスインピーダンスアンプコア回路、221…増幅回路、222,222A,222B…利得切替回路、223,223A,223B…フィルタ回路、230…中間段バッファ回路、240…出力バッファ回路、250,250A…利得切替判断回路、251,252…利得切替コンパレータ、253…スイッチ、501…局側装置(OLT)、502…光カプラ、503…光ファイバ、511〜51n…宅側装置(ONU)、521〜52n…パケット、Iin…入力電流、V1,V2…出力電圧、V3…出力電圧(非反転出力)、V4…出力電圧(反転出力)、Vc…比較入力電圧、Vh…電圧検出レベル、SEL,SEL1,SEL2…利得切替信号、Vout…出力電圧、Voutp…出力電圧(非反転出力)、Voutn…出力電圧(反転出力)。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
この第1のトランスインピーダンスアンプコア回路と同じ構成で入力端子が開放された第2のトランスインピーダンスアンプコア回路と、
前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路からの出力信号を差動増幅して出力する中間段バッファ回路と、
この中間段バッファ回路から出力された差動出力信号を比較入力電圧とし、この比較入力電圧を第1のヒステリシス特性で比較判定した結果に基づき前記第1および第2のトランスインピーダンスアンプコア回路の利得を切り替える利得切替信号を出力する利得切替判断回路とを備え、
前記第1のトランスインピーダンスアンプコア回路は、前記利得切替信号に基づき利得を切り替える利得切替回路を有し、
前記第2のトランスインピーダンスアンプコア回路は、前記利得切替信号に基づき利得を切り替える利得切替回路と、当該第2のトランスインピーダンスアンプコア回路から出力する電圧信号の高周波成分を減衰させるフィルタ回路とを有する
ことを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。 A first transimpedance amplifier core circuit that amplifies the current input to the input terminal with a desired gain and outputs it as a voltage signal;
A second transimpedance amplifier core circuit having the same configuration as the first transimpedance amplifier core circuit and having an input terminal opened;
An intermediate buffer circuit that differentially amplifies and outputs the output signals from the first and second transimpedance amplifier core circuits;
The differential output signal output from the intermediate stage buffer circuit is used as a comparison input voltage, and the gains of the first and second transimpedance amplifier core circuits are based on the result of comparing and determining the comparison input voltage with the first hysteresis characteristic. A gain switching determination circuit that outputs a gain switching signal for switching
The first transimpedance amplifier core circuit includes a gain switching circuit that switches a gain based on the gain switching signal;
The second transimpedance amplifier core circuit includes a gain switching circuit that switches a gain based on the gain switching signal, and a filter circuit that attenuates a high-frequency component of a voltage signal output from the second transimpedance amplifier core circuit. Transimpedance amplifier characterized by that.
前記フィルタ回路は、容量素子からなることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。 The transimpedance amplifier according to claim 1,
The transimpedance amplifier, wherein the filter circuit includes a capacitive element.
前記第1のトランスインピーダンスアンプコア回路は、前記入力端子に接続された信号入力端子へ入力された電流を帰還抵抗値で定まる利得で増幅し信号出力端子から電圧信号として出力する増幅回路を有し、
前記利得切替回路は、前記増幅回路の信号入力端子と信号出力端子の間に接続されて、前記利得切替信号に基づき前記帰還抵抗値を切り替え、
前記フィルタ回路は、前記増幅回路の信号入力端子と信号出力端子の間に接続された容量素子からなることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。 The transimpedance amplifier according to claim 1,
The first transimpedance amplifier core circuit includes an amplifier circuit that amplifies a current input to a signal input terminal connected to the input terminal with a gain determined by a feedback resistance value and outputs the current signal as a voltage signal from a signal output terminal. ,
The gain switching circuit is connected between a signal input terminal and a signal output terminal of the amplifier circuit, and switches the feedback resistance value based on the gain switching signal.
The transimpedance amplifier, wherein the filter circuit includes a capacitive element connected between a signal input terminal and a signal output terminal of the amplifier circuit.
前記第1のトランスインピーダンスアンプコア回路は、前記入力端子に接続された信号入力端子へ入力された電流を帰還抵抗値で定まる利得で増幅し信号出力端子から電圧信号として出力する増幅回路を有し、
前記利得切替回路は、前記増幅回路の信号入力端子と信号出力端子の間に接続されて、前記利得切替信号に基づき前記帰還抵抗値を切り替え、
前記フィルタ回路は、前記増幅回路の信号入力端子と所定電源電位との間に接続された容量素子からなることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。 The transimpedance amplifier according to claim 1,
The first transimpedance amplifier core circuit includes an amplifier circuit that amplifies a current input to a signal input terminal connected to the input terminal with a gain determined by a feedback resistance value and outputs the current signal as a voltage signal from a signal output terminal. ,
The gain switching circuit is connected between a signal input terminal and a signal output terminal of the amplifier circuit, and switches the feedback resistance value based on the gain switching signal.
The transimpedance amplifier, wherein the filter circuit includes a capacitive element connected between a signal input terminal of the amplifier circuit and a predetermined power supply potential.
前記第1のトランスインピーダンスアンプコア回路は、前記入力端子に接続された信号入力端子へ入力された電流を帰還抵抗値で定まる利得で増幅し信号出力端子から電圧信号として出力する増幅回路を有し、
前記利得切替回路は、前記増幅回路の信号入力端子と信号出力端子の間に接続されて、前記利得切替信号に基づき前記帰還抵抗値を切り替え、
前記フィルタ回路は、前記増幅回路の信号出力端子と所定電源電位との間に接続された容量素子からなることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。 The transimpedance amplifier according to claim 1,
The first transimpedance amplifier core circuit includes an amplifier circuit that amplifies a current input to a signal input terminal connected to the input terminal with a gain determined by a feedback resistance value and outputs the current signal as a voltage signal from a signal output terminal. ,
The gain switching circuit is connected between a signal input terminal and a signal output terminal of the amplifier circuit, and switches the feedback resistance value based on the gain switching signal.
The transimpedance amplifier, wherein the filter circuit includes a capacitive element connected between a signal output terminal of the amplifier circuit and a predetermined power supply potential.
前記フィルタ回路は、前記利得切替信号に基づき前記容量素子の少なくともいずれか一方の接続端子を切り離すスイッチを備えることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。 In the transimpedance amplifier according to any one of claims 2 to 5,
The transimpedance amplifier, wherein the filter circuit includes a switch that disconnects at least one connection terminal of the capacitive element based on the gain switching signal.
前記スイッチは、前記利得切替回路が最も高い利得を選択している状態で導通することを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。 The transimpedance amplifier according to claim 6,
The transimpedance amplifier, wherein the switch conducts in a state where the gain switching circuit selects the highest gain.
前記スイッチは、MOSトランジスタからなることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
The transimpedance amplifier according to claim 6 or 7,
The transimpedance amplifier, wherein the switch is made of a MOS transistor.
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