JP2009088587A - 増幅回路及びこれを備える光ピックアップ - Google Patents

Abstract

【課題】出力回路の設計が容易な増幅回路及びこれを備える光ピックアップを提供する。
【解決手段】本発明による増幅回路は、入力信号が供給される差動増幅回路２０と、差動増幅回路２０の出力をそれぞれ受ける複数の出力回路３０−１〜３と、を備える。これによれば、出力回路を複数用意したので、用途別に出力回路を設計することができる。したがって、増幅回路において出力回路の設計が容易化されている。また、光ピックアップ内の増幅回路において、出力回路の設計が容易化される。
【選択図】図１

Description

本発明は増幅回路に関し、特に、フォトダイオードの出力信号の増幅に用いることが好適な増幅回路に関する。また、本発明はこのような増幅回路を備えた光ピックアップに関する。

ＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク等の光ディスクへのデータの記録及び再生を行う光記録再生装置は光ピックアップを備えている。光ピックアップには、光源であるレーザーダイオードや、光ディスクにて反射したレーザービームを受光するフォトダイオードなどが備えられている。フォトダイオードは、受光したレーザービームを電気信号に変換する素子であり、その出力信号を参照することにより光ディスクに記録されている情報を読み取ることが可能となる。

しかしながら、フォトダイオードの出力信号は極めて微弱であることから、これを外部に出力するためには、増幅回路が必要である。したがって、光ピックアップにはこのような増幅回路（受光アンプ）も搭載されることになる。

この種の増幅回路には、一般に、バイポーラトランジスタによって構成される半導体ＩＣ（バイポーラＩＣ）が用いられる（特許文献１〜５参照）。これは、バイポーラＩＣは広帯域化が容易という利点を有しているためである。しかしながら、バイポーラＩＣには、製造時に用いるフォトマスクの数が多く、低コスト化が難しいという問題がある。また、消費電力が比較的大きいという問題もある。したがって、製造コストを低減するとともに低消費電力化するためには、上記のような問題のないＭＯＳトランジスタからなる半導体ＩＣを用いることが好適であると考えられる。

図７は、ＭＯＳトランジスタを用いる増幅回路の一例を示す図である。この例における増幅回路１００１は、フォトダイオード１０００の出力信号を増幅するためのものであり、入力用の差動増幅回路１００３と出力回路１００４とが従属接続された２段構成のオペアンプ１００２と、帰還抵抗１００６と、を備えている。この例では、差動増幅回路１００３及び出力回路１００４内のスイッチ素子としてＭＯＳトランジスタが用いられており、出力回路１００４の出力端が帰還抵抗１００６及び外部出力端子ＯＴに接続されている。
特開２００４−２３５７６４号公報 特開２００５−９４１４９号公報 特開２００５−２１０１４７号公報 特開２００７−１５０６０８号公報 特開２００７−１２２８４１号公報

しかしながら、上記従来の増幅回路では、出力回路の設計に困難が生ずる場合があった。すなわち、出力回路の出力端が帰還抵抗と外部出力端子の両方に接続されており、出力回路は、帰還ループを安定させるための条件と、出力負荷（外部出力端子に接続される負荷）を駆動させるための条件と、の両方を満たす必要があるが、これらの条件が大きく異なる場合がある。そのような場合、適切な出力回路を設計することが困難となる。

したがって、本発明の目的は、出力回路の設計が容易な増幅回路を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、フォトダイオード用の改良された増幅回路を提供することにある。

また、本発明のさらに他の目的は、このような増幅回路を備える光ピックアップを提供することにある。

本発明による増幅回路は、入力信号が供給される差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力をそれぞれ受ける複数の出力回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、出力回路を複数用意したので、用途別に出力回路を設計することができる。したがって、増幅回路において出力回路の設計が容易化されている。

また、上記増幅回路において、前記複数の出力回路のうちの少なくとも１つの出力端は前記差動増幅回路の入力端と接続され、前記複数の出力回路のうちの他の少なくとも１つの出力端は外部出力端子と接続される、こととしてもよい。これによれば、帰還ループ用の増幅回路と、外部出力用の出力回路と、を別々に設計することができる。

また、上記増幅回路において、前記入力信号がフォトダイオードの出力信号であることとしてもよい。これによれば、フォトダイオードの出力信号を増幅するための増幅回路において、出力回路の設計が容易化される。

また、本発明にかかる光ピックアップは、レーザービームを受光するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの出力信号を増幅する増幅回路とを備える光ピックアップであって、前記増幅回路は、入力信号が供給される差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力をそれぞれ受ける複数の出力回路と、を備える、ことを特徴とする。また、上記光ピックアップにおいて、前記増幅回路は３つの出力回路を備え、前記３つの出力回路のうちの第１の出力回路の出力端は前記差動増幅回路の入力端と接続され、前記３つの出力回路のうちの第２の出力回路の出力端はサーボ信号用外部出力端子と接続され、前記３つの出力回路のうちの第３の出力回路の出力端は、複数の増幅回路の出力を合成する合成回路を介して、データ信号用外部出力端子と接続される、こととしてもよい。これらによれば、光ピックアップ内の増幅回路において、出力回路の設計が容易化される。

このように、本発明によれば、ＭＯＳトランジスタを用いる増幅回路において、出力回路の設計が容易化される。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１にかかる増幅回路１及びフォトダイオード２の基本構成を示す回路図である。

図１に示すように、増幅回路１はオペアンプ１０を備えて構成される。このオペアンプ１０は、差動増幅回路２０と、３つのソースフォロア回路３０−ｎ（ｎ＝１〜３）と、を備えている。

オペアンプ１０においては、差動増幅回路２０と各ソースフォロア回路３０とが従属接続されている。差動増幅回路２０の反転入力端子（−）にはフォトダイオード２が接続され、差動増幅回路２０の非反転入力端子（＋）には基準電圧源１４が接続されている。また、差動増幅回路２０の出力端は各ソースフォロア回路３０−ｎの入力端に接続されている。

ソースフォロア回路３０−１の出力端は、差動増幅回路２０の反転入力端子（−）と抵抗１６を介して接続される。これにより帰還回路が構成され、増幅回路１は所謂反転増幅回路となっている。一方、ソースフォロア回路３０−２及び３の出力端は、それぞれ外部出力端子ＯＴ１及びＯＴ２と接続される。

フォトダイオード２は、光ディスクにて反射したレーザービームを受光し、光電変換を行う素子である。一例では、フォトダイオード２はＰＮダイオード、逆バイアス電源、抵抗を含んで構成され、ＰＮダイオードにレーザービームが当たることによって抵抗の両端の電圧が変動する。この電圧は所定の電圧値（バイアス電圧）を基準として上下に変動し、フォトダイオード２の出力Ｖｉｎとなる。以下では、このバイアス電圧は１．６５Ｖであるとする。

フォトダイオード２の出力Ｖｉｎはまず差動増幅回路２０に供給され、さらに差動増幅回路２０の出力が各ソースフォロア回路３０−ｎに供給される。その結果、増幅回路１の２つの出力Ｖｏｕｔ１及びＶｏｕｔ２には、それぞれ受光したレーザービームの強度に応じた出力が得られる。

図２は、本実施形態による増幅回路１をより詳細に示す回路図である。

図２に示すように、差動増幅回路２０は、カレントミラー接続されたＰチャンネルＭＯＳトランジスタ２１，２２と、トランジスタ２１，２２にそれぞれ直列接続されたＮチャンネルＭＯＳトランジスタ２３，２４と、トランジスタ２３，２４のソースに接続された定電流源２５によって構成されている。トランジスタ２３のゲートはフォトダイオード２に接続され、トランジスタ２４のゲートは基準電圧源１４に接続されている。基準電圧源１４はフォトダイオード２のバイアス電圧と同値の電圧（ここでは１．６５Ｖ。）を発生する。差動増幅回路２０の出力は、トランジスタ２１とトランジスタ２３の接続点から取り出される。

各ソースフォロア回路３０−ｎは、ここではいずれも同様の構成としている。すなわち、ソースフォロア回路３０−ｎは、差動増幅回路２０の出力がゲートに供給されるＮチャンネルＭＯＳトランジスタ３１−ｎと、トランジスタ３１−ｎのソースに接続された定電流源３２−ｎによって構成されている。ソースフォロア回路３０−ｎの出力は、トランジスタ３１−ｎのソースから取り出される。そして、ソースフォロア回路３０−１の出力は差動増幅回路２０の反転入力端子（−）に入力される。また、ソースフォロア回路３０−２の出力は増幅回路１の出力Ｖｏｕｔ１となる。さらに、ソースフォロア回路３０−３の出力は増幅回路１の出力Ｖｏｕｔ２となる。なお、各トランジスタ３１−ｎは、いわゆるデプレッション型のＭＯＳトランジスタである。すなわち、各トランジスタ３１−ｎのしきい値電圧Ｖｔｈはゼロ又はマイナス値である。

なお、トランジスタ２１，２２の各ソース，及び各トランジスタ３１−ｎのドレインには電源電圧Ｖｄｄが供給されている。

以上説明したように、本実施形態にかかる増幅回路１によれば、ＭＯＳトランジスタ出力回路を用途別に３つに分けたので、ＭＯＳトランジスタを用いる増幅回路１において、出力回路の設計が容易化されている。すなわち、本実施形態にかかる増幅回路１では、出力回路には、帰還ループを安定させられること、外部出力端子ＯＴ１に接続される負荷を適切に駆動させられること、外部出力端子ＯＴ２に接続される負荷を適切に駆動させられること、の３要件が求められる。従来は１つの出力回路がこれらの３要件全てを満たすように設計する必要があったが、本実施形態では、ソースフォロア回路３０−１〜３が、それぞれ１つずつ要件を満たせばよい。したがって、出力回路の設計が容易化されている。

なお、本実施形態では３つの出力回路を用いる例を取り上げて説明したが、この数は３つに限られるものではなく、必要に応じて適宜決定され得る。

ここで、増幅回路１のダイナミックレンジについて説明しておく。増幅回路１の電圧増幅度は、抵抗１６の抵抗値とフォトダイオード２の内部抵抗値の調節により、適宜設定される。ただし、フォトダイオード２の出力電圧がバイアス電圧の電圧値１．６５Ｖである場合、電圧増幅度にかかわらず、各ソースフォロア回路３０−ｎの出力電圧（各トランジスタ３１−ｎのソース電圧）は約１．６５Ｖ程度となる。

例えばトランジスタ３１−２のしきい値電圧をＶｔｈとすると、トランジスタ３１−２のゲート電圧はＶｏｕｔ＋Ｖｔｈで与えられるが、本実施形態においてはトランジスタ３１−２がデプレッション型であるため、Ｖｔｈ≦０である。したがって、トランジスタ３１−２のゲート電圧は、ソース電圧とほぼ同じか、寧ろこれよりも低くなる。例えば、しきい値電圧Ｖｔｈがほぼ０Ｖであるとすると、トランジスタ３１−２のゲート電圧は出力Ｖｏｕｔ１の電圧とほぼ一致することになる。その結果、例えば出力Ｖｏｕｔ１の電圧が約１．６５Ｖであるとすれば、トランジスタ３１−２のゲート電圧も約１．６５Ｖとなる。

これにより、カレントミラー回路を構成するトランジスタ２１，２２のソースドレイン間電圧が従来に比べて拡大される。つまり、トランジスタ３１−２としてエンハンスメント型のトランジスタを用いると、トランジスタ３１−２のゲート電圧は出力Ｖｏｕｔの電圧よりもしきい値電圧分高くなり、その結果、トランジスタ２１，２２のソースドレイン間電圧が低下し、ダイナミックレンジが狭くなる。このため、ダイナミックレンジを十分に確保するためには、上述したように、電源電圧Ｖｄｄを高くする必要が生じる。

これに対し、本実施形態では、トランジスタ３１−２としてデプレッション型のトランジスタを用いていることから、電源電圧Ｖｄｄが比較的低くてもダイナミックレンジを十分に確保することが可能となる。例えば、電源電圧Ｖｄｄが３．３Ｖであるとすると、トランジスタ２１，２２のソースドレイン間電圧の振幅の最大値（差動増幅回路２０が出力し得る信号の振幅の最大値）は約１．６５Ｖ（＝３．３Ｖ−１．６５Ｖ（フォトダイオード２のバイアス電圧の電圧値））となり、十分な振幅が確保される。なお、この場合における増幅回路１のダイナミックレンジの上限値は３．３Ｖとなる。

上記事情は、ソースフォロア回路３０−１及び３においても同様である。すなわち、本実施形態にかかる増幅回路１によれば、各トランジスタ３１−ｎのゲート電圧を比較的低い値に抑えることができ、前段の差動増幅回路２０が出力し得る信号の振幅の最大値が比較的大きくなる。このため、入力電圧が比較的高い場合においても、比較的低い電源電圧を用いて十分なダイナミックレンジを確保することが可能になる。

［実施形態２］
実施形態１において説明した増幅回路１は、フォトダイオード２と同一チップ上に集積することができ、このようなチップは、通常、フォトダイオードＩＣ（ＰＤＩＣ）と呼ばれる。本実施形態では、このＰＤＩＣを用いる光記録再生装置の回路構成の具体例を挙げ、さらに、この光記録再生装置内において用いられる光ピックアップの構成について説明する。

まず、図３は、光ディスクの記録再生を行う光記録再生装置において用いられるＰＤＩＣ１００の外観例を示す図である。同図に示すＰＤＩＣ１００は、光記録再生装置の中でも特にＣＤ(Compact Disc)／ＤＶＤ／ＢＤ(Blu-ray Disc(登録商標))コンパチブルレコーダーに用いられるものであり、２０個のフォトダイオード（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ１，ｅ２，ｆ１，ｆ２）を備えている。各フォトダイオードは、それぞれ受光部Ｒ−１〜６のいずれかに配置されている。

受光部Ｒ−１〜３はＢＤ／ＤＶＤ記録再生用に用いられるものである。受光部Ｒ−１は４つのフォトダイオードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄにより構成され、ＢＤ又はＤＶＤで反射したメインビームＭＢを受光する。また、受光部Ｒ−２は４つのフォトダイオードＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４により構成され、ＢＤ又はＤＶＤで反射したサブビームＳＢ１を受光する。また、受光部Ｒ−３は４つのフォトダイオードＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４により構成され、ＢＤ又はＤＶＤで反射したサブビームＳＢ２を受光する。

受光部Ｒ−４〜６はＣＤ記録再生用に用いられるものである。受光部Ｒ−４は４つのフォトダイオードａ，ｂ，ｃ，ｄにより構成され、ＣＤで反射したメインビームＭＢを受光する。また、受光部Ｒ−５は２つのフォトダイオードｅ１，ｅ２により構成され、ＣＤで反射したサブビームＳＢ１を受光する。また、受光部Ｒ−６は２つのフォトダイオードｆ１，ｆ２により構成され、ＣＤで反射したサブビームＳＢ２を受光する。

図４及び図５は、上記ＰＤＩＣ１００の内部回路構成を示す図である。なお、図４及び図５は、２つの図で１つのＰＤＯＣ１００の内部回路構成を示しており、実際には図４の下部と図５の上部とがつながっている。各フォトダイオードにかかる回路構成には互いに類似している部分が多いので、以下では、フォトダイオードＡ及びフォトダイオードａに着目して説明を行うこととする。

図４に示す回路４０は、フォトダイオードＡ及びフォトダイオードａの他、抵抗１６、差動増幅回路２０、ソースフォロア回路３０−１〜３、スイッチ４１、２つのリミッタ回路４２、スイッチ４３、抵抗４４を含んで構成される。抵抗１６、差動増幅回路２０、及びソースフォロア回路３０−１〜３は実施形態１で説明したものであり、実施形態１にかかる増幅回路１を構成している。

差動増幅回路２０の反転入力端子（−）には、外部からの制御に応じたスイッチ４１の動作により、記録再生対象メディアがＢＤ又はＤＶＤである場合にフォトダイオードＡが接続され、記録再生対象メディアがＣＤである場合にフォトダイオードａが接続される。一方、差動増幅回路２０の非反転入力端子（＋）には、所定電圧の電源Ｖｓが接続される。抵抗１６、差動増幅回路２０、及びソースフォロア回路３０−１〜３により構成される増幅回路１は、フォトダイオードの出力信号に増幅処理を施す。

ゲイン制御部５０は、外部からの指示に従ってスイッチ４３を制御する。これにより抵抗４４の帰還回路への組み入れと、それによる増幅回路１のゲイン制御が可能になっている。

各リミッタ回路４２は、ソースフォロア回路３０−２又は３から出力された信号の振幅が所定の最大値を超えている場合、超えた分の振幅をクリップして、後段に出力する。

ソースフォロア回路３０−２に対応するリミッタ回路４２の出力信号は、端子ＶＡ／Ｖａ（サーボ信号用外部出力端子）から出力される。端子ＶＡ／Ｖａからの出力信号は、図示しない制御回路において、光スポットのデフォーカスやトラックからのずれを検出するためのサーボ信号として用いられる。

一方、ソースフォロア回路３０−３に対応するリミッタ回路４２の出力信号は、合成回路６０に入力される。合成回路６０には、この出力信号の他、フォトダイオードＢ，Ｃ，Ｄ又はフォトダイオードｂ，ｃ，ｄからも同様にリミッタ回路の出力信号が入力される。これらの各出力信号は合成され、端子ＶＲＦＰ及び端子ＶＲＦＮ（データ信号用外部出力端子）から出力される。なお、端子ＶＲＦＰ及び端子ＶＲＦＮの出力信号は互いに逆相となる。こうして出力される信号は、図示しない制御回路において、記録されているデータを示すデータ信号として用いられる。

次に、図６は、上記ＰＤＩＣ１００を備える光ピックアップ１０１の構成を示す模式図である。

図６に示すように、光ピックアップ１０１は、レーザ光源１０２と、レーザ光源１０２からのレーザービームを複数に分割する回折格子１０３と、回折格子１０３から出射されたレーザービームを平行光にするコリメートレンズ１０４と、平行光とされたレーザービームを光ディスク２００側へ導くミラー１０５と、ミラー１０５で反射されたレーザービームを円偏光に変換して対物レンズ１０６に入射する１／４波長板１１０と、１／４波長板１１０から入射されたレーザービームをディスク面に収束させる対物レンズ１０６と、光ディスク２００により反射されミラー１０５でさらに反射された光をＰＤＩＣ１００側へ導くビームスプリッタ１０７と、ビームスプリッタ１０７からの反射光を収束させるアナモフィックレンズ１０８と、アナモフィックレンズ１０８によって収束された反射光を受光するＰＤＩＣ１００とを備えている。ＰＤＩＣ１００は、上述したように２０個のフォトダイオードを備え、各フォトダイオードは、上記反射光を受光して光電変換し、反射光の強度に応じた電圧信号を出力する。

なお、光ディスク２００に対する対物レンズ１０６の位置は、対物レンズ駆動装置１０９によって高精度に制御される。詳細には、対物レンズ１０６をフォーカス方向へ駆動することにより、光ディスク２００の記録面にビームスポットの焦点を合わせるフォーカス補正が行われ、トラッキング方向へ駆動することにより、光ディスク２００のトラックにビームスポットを追従させるトラッキング補正が行われる。また、タンジェンシャル方向を回転軸にして対物レンズ１０６をトラッキング方向に回転させることにより、ディスクの反りに対応するチルト角の補正が行われる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、本発明による増幅回路をＰＤＩＣに適用した場合を例に説明したが、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。

また、差動増幅回路の構成についても図２に示した構成に限定されず、これとは異なる回路構成を有していても構わない。

本発明の実施形態１にかかる増幅回路の基本構成を示す回路図である。 本発明の実施形態１にかかる増幅回路をより詳細に示す回路図である。 本発明の実施形態２にかかるＰＤＩＣの外観例を示す図である。 本発明の実施形態２にかかるＰＤＩＣの内部回路構成を示す図である。 本発明の実施形態２にかかるＰＤＩＣの内部回路構成を示す図である。 本発明の実施形態２にかかるＰＤＩＣを備える光ピックアップの構成を示す模式図である。 本発明の背景技術にかかる増幅回路の基本構成を示す回路図である。

符号の説明

１ 増幅回路
２，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，ｅ１，ｅ２，ｆ１，ｆ２ フォトダイオード
１０ オペアンプ
１４ 基準電圧源
１６，４４ 抵抗
２０ 差動増幅回路
２１，２２ ＰチャンネルＭＯＳトランジスタ
２３，２４ ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ
３１ デプレッション型トランジスタ
２５，３２ 定電流源
３０ ソースフォロア回路
４０ 回路
４１，４３ スイッチ
４２ リミッタ回路
５０ ゲイン制御部
６０ 合成回路
１００ ＰＤＩＣ
１０１ 光ピックアップ
１０２ レーザ光源
１０３ 回折格子
１０４ コリメートレンズ
１０５ ミラー
１０６ 対物レンズ
１０７ ビームスプリッタ
１０８ アナモフィックレンズ
１０９ 対物レンズ駆動装置
１１０ １／４波長板
２００ 光ディスク

Claims (5)

1. 入力信号が供給される差動増幅回路と、
   前記差動増幅回路の出力をそれぞれ受ける複数の出力回路と、
   を備えることを特徴とする増幅回路。
2. 前記複数の出力回路のうちの少なくとも１つの出力端は前記差動増幅回路の入力端と接続され、
   前記複数の出力回路のうちの他の少なくとも１つの出力端は外部出力端子と接続される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の増幅回路。
3. 前記入力信号がフォトダイオードの出力信号であることを特徴とする請求項１又は２に記載の増幅回路。
4. レーザービームを受光するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの出力信号を増幅する増幅回路とを備える光ピックアップであって、
   前記増幅回路は、
   入力信号が供給される差動増幅回路と、
   前記差動増幅回路の出力をそれぞれ受ける複数の出力回路と、
   を備える、
   ことを特徴とする光ピックアップ。
5. 前記増幅回路は３つの出力回路を備え、
   前記３つの出力回路のうちの第１の出力回路の出力端は前記差動増幅回路の入力端と接続され、
   前記３つの出力回路のうちの第２の出力回路の出力端はサーボ信号用外部出力端子と接続され、
   前記３つの出力回路のうちの第３の出力回路の出力端は、複数の増幅回路の出力を合成する合成回路を介して、データ信号用外部出力端子と接続される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の光ピックアップ。

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