JP4246149B2 - 光受信機回路 - Google Patents

Description

本発明は光受信機回路、特にＣＡＴＶ用途の光受信機回路に関する。

最新の技術において、電気信号の減衰のための多くの減衰器が公知である。米国特許第５，４４８，２０７号明細書は、素子パラメータの変動に関する挿入損失が小さく許容差が広い減衰器を開示している。複数の減衰器段の中で最も大きな減衰率を有する減衰器段はΠ型減衰器段で形成され、複数の減衰器段の中で最も小さな減衰率を有する減衰器段はＴ型減衰器段で形成される。これにより、精度が変動しやすい大きな減衰率を有する減衰器段はΠ型減衰器段で形成されることにより精度が高くなる。さらに、小さな減衰率を有する減衰器段はＴ型減衰器段で構成され、これにより挿入損失を低くすることが可能になる。この回路はいわゆるキャラクタリスティック・インピーダンス・回路である。これは、この減衰器回路の入力および出力インピーダンスが減衰のセッティングに関わらず一定であり、ソースインピーダンスおよび負荷インピーダンスと同じであることにより良好なマッチング機能を持つことを意味する。

米国特許第５，５６３，５５７号明細書は、スイッチを有する単位ステップ減衰器と、スイッチに並列に接続される減衰抵抗器と、２つの終端抵抗器とを備える減衰器装置を開示している。３つのトランスファゲートおよびスイッチＦＥＴのゲート電流を制御する３つの電流源ＦＥＴを有する３つの電流源回路が備えられている。たとえ様々な減衰レートが要求されようとも、信号伝送損失およびレイアウト領域を最小化することができる。この回路もまた、キャラクタリスティック・インピーダンス・回路である。上述のように、これは、この減衰器回路の入力および出力インピーダンスが一定であることを意味する。米国特許第５，５６３、５５号明細書は、信号送信源、回路の周波数特性、および回路の減衰率を扱っている。

特開平１０−１７３４６４号公報は、スルー状態および減衰状態での位相シフトを最小限にするステップ減衰器を開示している。この減衰器は抵抗器と、ＭＯＳＦＥＴと、入力端子、出力端子および制御端子に対応する抵抗器を有する位相補償回路と、で構成され、抵抗器およびＦＥＴは減衰スイッチセッティング回路を形成している。通電動作時の通電位相と減衰動作時との間のシフト量は、減衰スイッチセッティング回路の制御端子と位相補償回路の制御端子とに印加される制御信号経由で最小化される。

特開平７−２４９９５４号公報は、挿入損失および回路サイズが低減され、ステップ減衰器のＩＣ集積が高性能化され、減衰のファクタを要求された値まで段状に変えることができるステップ減衰器を開示している。入力信号を通電／遮断するためのいくつかのＦＥＴスイッチが入力端子と出力端子との間に接続され、任意の減衰値を持つ固定減衰器がスイッチと並列に配置されている。このような回路はカスケード状に接続され、各ＦＥＴスイッチは選択的にオン／オフされて要求されている減衰値を得る。スイッチの総数および信号通電スイッチの数は従来の減衰器と比較して低減することができ、このステップ減衰器はより小さいチップ領域で実現できる上に、挿入損失がより小さい。

特開平７−８７０２４号公報は、受信光のパワーが高いときに受信機の出力の歪みなどの、光受信機の劣化を押さえることにより、光受信機のダイナミックレンジを広げることが意図された、光受信機が開示されている。第１段増幅器の前段にステップ減衰器が加えられ、後段に可変減衰器が加えられる。第１段増幅器の入力レベルは受信光のパワーが小さいときにはステップ減衰器の減衰を減らすことにより減衰され、受信光のパワーが大きいときにはステップ減衰器の減衰を増すことにより減衰され、これにより段増幅器として発生された歪みを押さえる。

特開平１０−１７３４６４号公報、特開平７−２４９９５４号公報および特開平７−８７０２４号公報もまた、固定された入力および出力インピーダンスのために考案されたものである。

従来のＣＡＴＶシステム（共同アンテナテレビシステム＝Ｃｏｍｍｏｎ Ａｎｔｅｎｎａ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）においては、システムは電気信号を光信号に変換し、光信号を送信機経由でグラスファイバケーブルを通して第一次ハブへ送信するヘッドエンドに接続されたアンテナユニットから情報信号を受信する。第一次ハブはヘッドエンドから光信号を受信し、光信号をＲＦ信号に変換する第二次ハブに光信号を送信する。ＲＦ信号は同軸ケーブルを介して消費者に送信される。このようなシステムの問題点は、光受信機内で共通に用いられる利得制御回路が情報信号を歪ませることである。よって、このような光受信機内の歪みを低減するために様々な研究が行われてきた。

本発明の目的は、相互変調歪みに関して改良された光受信機回路と、一定出力信号レベルを提供することである。

この目的を達成するために、本発明による光受信機回路は、光を電力に変換する光変換器回路と、電力の固有値を検知するセンサ回路と、可変減衰をし、減衰は光受信機回路の一定出力信号レベルを得るためにセンサ回路から出力される電力の固有値により制御される、減衰器回路と、出力回路とを備える。光入力信号レベルを検知し、減衰器回路をセンサ回路の出力に切り換えることにより、歪みのない自動利得制御回路を実現することができる。この光受信機回路は実質的に相互変調歪みが低減され、故にＣＡＴＶ光受信機に特に適している。

本発明の好適な実施形態によれば、光変換器回路はフォトダイオードを備える。これは光を電力に変換するために考え得るベストの方法であることが証明されている。

本発明のさらなる好適な実施形態によれば、センサ回路は光変換器回路に出力される電力の固有値として制御電圧Ｖ_{ＣＯＮＴＲ}を得るための光変換器回路に接続される抵抗器回路を有する。このような光変換器回路に接続された抵抗器回路は信頼性があり、電力出力の固有値としての制御電圧Ｖ_{ＣＯＮＴＲ}を得る簡単な方法である。

本発明のさらなる好適な実施形態によれば、減衰器回路はアクティブ状態に選択的に切り換え可能である複数の減衰器段を有するステップ減衰器回路である。個々の減衰器段を１つ１つあるいはグループで選択的に切り換えることにより、最小の数の減衰器段で様々な減衰値を効果的に得ることが可能である。

本発明のさらなる好適な実施形態によれば、センサ回路は制御電圧Ｖ_{ＣＯＮＴＲ}を減衰器回路の減衰器段を制御するデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を有する。光入力信号レベルをＡ／Ｄ変換器の入力で検知し、Ａ／Ｄ変換器の出力経由で減衰器回路を切り換えることにより、歪みのない自動利得制御回路を効果的に実現可能である。

本発明のさらなる好適な実施形態によれば、各減衰器段は異なる減衰値を有する。それぞれ異なる減衰値を有する個々の減衰器段を１つ１つまたはグループでアクティブ状態へと選択的に切り換えることにより、最低数の減衰器段を用いながら減衰値をさらに効果的に増すことができる。

本発明のさらなる好適な実施形態によれば、減衰器段は抵抗器と、抵抗器と直列の半導体スイッチとを有するＴ型減衰器段である。挿入損失はＴ型減衰器段によって効果的に低減できる。

本発明のさらなる好適な実施形態によれば、減衰器段は、２つの抵抗器およびこれらの抵抗器と直列の半導体スイッチを有し、抵抗器の１つが他の半導体スイッチによってブリッジされるＴ型減衰器段である。これにより、１つの同じ減衰器段の減衰率が変動することを効果的に可能にする。

本発明のさらなる好適な実施形態によれば、減衰器段の各入力端を区別するためにコンデンサが備えられ、さらに減衰器段の入力端を光受信機回路の出力に結合する入力コンデンサと、減衰器回路の出力を出力回路に結合する出力コンデンサとが備えられる。

本発明のさらなる好適な実施形態によれば、半導体スイッチは例えばＡ／Ｄ変換器の出力によって効果的に制御され、チップ上への集積に関して効果のあるＭＯＳＦＥＴである。

本発明のさらなる好適な実施形態によれば、出力回路は、光受信機回路を効果的に完成する、整合回路と、増幅器段と、出力変圧器とを有する。

本発明を特徴付けるこれら及び他の多くの新規性のある効果および特徴は、添付の請求項によって明らかにされる。しかし、本発明、その効果、およびその使用により得られる物（オブジェクト）をよりよく理解するために、添付の図面および本発明の実施形態を説明する以下の記載が参照される。

図１は、最新のＣＡＴＶシステムを示す図である。このシステムはアンテナユニット２および／またはネットワーク基幹回線（バックボーン）４からの情報信号を受信する。アンテナユニット２および／またはネットワーク基幹回線４は、ヘッドエンド１２に接続される。ヘッドエンド１２はすべての信号を光信号に変換し、光信号をファイバ基幹回線１４と呼ばれるグラスファイバケーブル経由で一次ハブ６、８および１０に送信する。一次ハブ６、８または１０はヘッドエンド１２から光信号を受信し、この光信号をファイバーリングと呼ばれる二次リング１８経由で二次ハブ１６および２０に送信する。

二次ハブすなわち光受信機回路１６および２０は、光信号を一次ハブから受信し、光信号をＲＦ信号に変換する。ＲＦ信号は同軸ケーブル２５およびＲＦ増幅器２２および２４、つまりいわゆるラストマイル２６経由で消費者、すなわち住宅２８、３０、および３２に送信される。住宅にはレジデンシャルゲートウェイおよび住宅内通信網が備えられる。これは基本的にレジデンシャルゲートウェイ３４を有する住宅２８に示される。例えば、住宅内通信および外部との通信のためにコンピュータ、電話およびゲーム装置がレジデンシャルゲートウェイ３４に結合される。

図２は、光受信機回路のブロック図である。光受信機回路、例えば光受信機回路２０は、入力端子３６経由で光信号を受信する。入力端子３６は光変換器回路３８に接続される。光変換器回路３８は、端子４０によってバイアス電圧に接続され、端子４２によって接地される。光変換器回路３８は光信号を電気信号に変換する。光変換器回路３８は光信号を電気信号に変換するフォトダイオードを有する。

光変換器回路３８の電気信号は減衰器回路４４に送信される。減衰器回路４４は光変換器回路３８の電気信号を減衰して自己の出力に整合回路（マッチングネットワーク）４６につながる一定信号レベルを供給させる。整合回路４６は減衰器回路４４の出力を増幅器段４８に整合する。増幅器段４８は出力変圧器５０用に整合回路の出力信号を増幅するための、２つの増幅器５４および５６を有する。出力変圧器５０は自己の入力の平衡信号を自己の出力５２の非平衡信号に変換する。整合回路４６、増幅器段４８および出力変圧器５０は出力回路を形成する。

図３は、減衰器回路４４の回路図を示す。フォトダイオードに代表される光制御電流源５６が減衰器回路４４の２つの入力端子に並列に接続される。負荷インピーダンス１０８（２７０Ω）が減衰器回路の出力端子に接続される。光制御電流源５６を動作させるために、抵抗器５４がバイアス電圧供給源と光制御電流源５６との間に接続される。光制御電流源５６の反対側には、抵抗器５８が光制御電流源５６と接地との間に接続される。抵抗器５８の両端では、抵抗器６０および比較器／レベルセッティング回路６２経由でＡ／Ｄ変換器６４に印加される電圧が測定される。

比較器／レベルセッティング回路６２は、Ａ／Ｄ変換器６４用の制御電圧Ｖ_{ＣＯＮＴＲ}を生成する。Ｖ_{ＣＯＮＴＲ}は減衰器回路４４の減衰器段用にＡ／Ｄ変換器６４の出力信号を決定する。Ａ／Ｄ変換器６４の出力６６は第１の減衰器段の端子６８に結合される。第１の減衰器段は３，０００Ωの抵抗を有する抵抗器８６と、ＭＯＳＦＥＴ８８との直列接続を有する。端子６８は抵抗器８６とＭＯＳＦＥＴ８８のドレインとの間に接続される。ＭＯＳＦＥＴ８８のゲート端子（コンタクト）は接地される。減衰器段は光制御電流源５６に並列に接続される。

光制御電流源５６と第１の減衰器段とは、２つのコンデンサ１１０および１３０によって分けられ（セパレートされて）ている。Ａ／Ｄ変換器６４の端子７０が第２の減衰器段の端子７２に結合される。第２の減衰器段は１，４００Ωの抵抗を有する抵抗器９０およびＭＯＳＦＥＴ９２の直列接続を有する。端子７２は抵抗器９０と、ＭＯＳＦＥＴ９２のドレイン端子（コンタクト）との間に接続される。第１および第２の減衰器段はコンデンサ１１２および１３２によって分けられている。

第２の減衰器段は光制御電流源５６に並列に接続される。ＭＯＳＦＥＴ９２のゲート端子は接地される。Ａ／Ｄ変換器６４の端子７４は、第３の減衰器段の端子７６に結合される。第３の減衰器段は光制御電流源５６に並列に接続される。第２および第３の減衰器段はコンデンサ１２２および１３４によってセパレートされている。

第３の減衰器段は、５００Ωの抵抗を有する抵抗器９４と、２２０Ωの抵抗を有する抵抗器９６と、ＭＯＳＦＥＴ９８との直列接続を有する。端子７６が抵抗器９６とＭＯＳＦＥＴ９８のドレイン端子との間に接続される。ＭＯＳＦＥＴ９８のゲート端子は接地される。追加のＭＯＳＦＥＴ１００が抵抗器９６に並列に接続される。抵抗器９６とＭＯＳＦＥＴ１００とは、コンデンサ１４２と１４４とによってセパレートされている。コンデンサ１４２は抵抗器９６とＭＯＳＦＥＴ９８のドレイン端子の間に接続される。コンデンサ１４４は抵抗器９４と抵抗器９６との間に接続される。ＭＯＳＦＥＴ１００のゲート端子は接地される。Ａ／Ｄ変換器６４の端子７８は、第４の減衰器段の端子８０に接続される。

第４の減衰器段は光制御電流源５６に並列に接続する。第４の減衰器段は、３２５Ωの抵抗を有する抵抗器１０２と、ＭＯＳＦＥＴ１０４との直列接続を有する。端子８０が抵抗器１０２とＭＯＳＦＥＴ１０４のドレイン端子との間に接続される。ＭＯＳＦＥＴ１０４のドレインは接地される。端子８０は抵抗器１０２とＭＯＳＦＥＴ１０４のドレイン端子との間に接続される。第３および第４の減衰器段はコンデンサ１２４および１３６によって分けられている。ＭＯＳＦＥＴ１００のドレイン端子は端子８０に接続される。Ａ／Ｄ変換器６４の端子８２は、第５の減衰器段の端子８４に結合される。

第５の減衰器段は１３０Ωの抵抗を有する抵抗器１０６と、ＭＯＳＦＥＴ１０９との直列接続を有する。第４および第５の減衰器段は、コンデンサ１２６および１３８によってセパレートされている。第５の減衰器段は光制御電流源５６と並列に接続される。ＭＯＳＦＥＴ１０９のゲート端子は接地される。端子８４は抵抗器１０６とＭＯＳＦＥＴ１０９のドレイン端子との間に接続される。第５の減衰器段および負荷１０８はコンデンサ１２８および１４０によってセパレートされている。減衰器段はＶ_{ＣＯＮＴＲ}の値とは独立してＡ／Ｄ変換器６４にセットされ、故に減衰は、減衰器段と負荷１０８との間の電流源部５６の電流の分流によって決定される。さらに、減衰器回路の効果的な特徴は、減衰器回路が光受信機の相互変調歪みを低減することである。

ＭＯＳＦＥＴ８８、９２、９８、１００、１０４および１０９は同じタイプである。このタイプのＭＯＳＦＥＴは、ゲート・ソース間電圧が５Ｖの時高抵抗、ゲート・ソース間電圧が０Ｖの時低抵抗（約１０Ω）を有する。ゲート・ソース間電圧が２Ｖから２．８Ｖの間の時、ＦＥＴ抵抗はから低抵抗から高抵抗へと線形に変化する。ＭＯＳＦＥＴを例えば２５０Ωの抵抗器に直列に接続した後、つまり、プッシュサイドとプルサイドの間に接続した後、光受信機ユニットの応答性は外部電圧によって調整可能である。

上述のＭＯＳＦＥＴを用いて形成される減衰器回路は、この電界効果トランジスタがスイッチとして用いることが可能であることを示す。スイッチを介して光受信機回路内での抵抗器の接続や切断が可能である。異なる抵抗値を有するいくつかのスイッチをこのモジュール内に置くことにより、ステップ減衰器の構築が可能になる。電気的減衰として０．５ｄＢのステップサイズを用いることにより、入力光の０．２５ｄＢステップ毎に減衰器は調整される。これは、入力光を増すと、電気的出力は（理論的には）０．５ｄＢの振幅の鋸歯状信号となることを意味する。

ＭＯＳＦＥＴ１００の機能は、他のＭＯＳＦＥＴの機能よりも複雑である。ＭＯＳＦＥＴ１００は、４ｄＢの減衰を与える抵抗器１０２（３２５Ω）と、並列に接続されていてさらに２ｄＢの減衰を与える抵抗器９４（５００Ω）により、６ｄＢの減衰を提供する。抵抗器１０２（３２５Ω）が接続されていないとき、抵抗器９４（５００Ω）と抵抗器９６（２２０Ω）との直列接続により、２ｄＢの減衰が与えられる。５００Ωと７２０Ωとの差を得るために、追加のＭＯＳＦＥＴ１００が、ＭＯＳＦＥＴ１０４が駆動されたときに（＝減衰＞４ｄＢ）抵抗器９６（２２０Ω）を短絡させるために用いられる。

入力光をＡ／Ｄ変換器６４の入力で検知して、ＭＯＳＦＥＴ８８、９２、９８、１００、１０４および１０９をＡ／Ｄ変換器６４の出力で切り換えることにより、歪みのない自動利得制御回路を実現することができる。この回路は０．５ｄＢのステップサイズと、９ｄＢのレンジを有する。

この回路は、光変換器回路３８と、整合回路４６、増幅器段４８および出力変圧器５０を有する出力回路との間に接続される。減衰器回路内の信号は、平衡化される。減衰器回路は、プッシュサイドとプルサイドとの間に接続される。

図４は、入力光ｄＢｍの関数としての二次歪み（セカンドオーダーデストーション）（ｄ２）ｄＢｃのグラフを示す。二次歪み（ｄ２）は、二次歪み積によって定義され、この二次歪み積は、測定周波数でのＲＦ信号のピークレベルと、測定周波数での信号のピークレベルとのｄＢの違いであり、これは、測定周波数における二次変調積（ｆ１±ｆ２）を有する２つのＣＷ信号によって発生されるものである。

“ｄ２（減衰なし）”曲線は、入力光が増すと線形に増大する。“ｄ２（減衰あり）”曲線は最大値まで増大し、最大値に達した後入力光がさらに増大すると垂直に下がる。曲線の勾配は再び最大値に達するまで線形に増大する。最大値に達した後、入力光がさらに増大する場合は曲線はもう一つの低めの値に達するまで再び下がり、次に再び上昇する。上述の減衰の平均値は入力光について水平的な線となる。この水平的な線は、“平均ｄ（減衰あり）”曲線で表される。

入力光が０ｄＢｍを越えるときの応答の最大値は、０．８ｄＢｍＶである。０ｄＢｍを越える入力光の最大値は１．６ｄＢである。減衰曲線“ｄ２（減衰あり）”の応答及び形状（どちらも低周波数）は、閾値より上で「ほとんど」一定である。実際の減衰値は、利得制御無しの標準部分の減衰に等しい。光利得制御がされ、ステップ減衰器を有する上述の光受信機回路を用いることにより、光受信機回路は、例えば２ｄＢの光調整レンジを有するように設計することができる。より低いキャパシタンスを有するＭＯＳＦＥＴを用いることにより、光入力信号レベルの関数としての応答曲線の変動をさらに改善することができる。

本明細書によってカバーされる、本発明の新規性のある特徴や効果は上述の記載で説明されてきた。しかし、多くの意味でここでの開示内容は例示的なものでしかないことが理解されるべきである。特に形状、サイズ、および部品の配置については、本発明の範囲を逸脱することなく詳細においての変更が可能である。言うまでもなく、本発明の範囲は添付の請求項によって定義される。

最新のＣＡＴＶシステムを示す図。 光受信機ユニットを示すブロック図。 本発明による減衰器回路の回路図。 入力光の関数としての二次歪み（ｄ２）のグラフ。

Claims (9)

1. 光受信機回路であって、
   光を電力に変換する光変換器回路と、
   前記電力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を備え、前記電力の固有値を検知するセンサ回路と、
   前記光変換器回路に結合される複数の減衰器段を備えるカスケードを備えるステップ減衰器回路と、
   を備え、
   前記減衰器段は、選択的にアクティブ状態に切り替え可能であり、
   各々の前記複数の減衰器段は、各々前記アクティブ状態である時と前記アクティブ状態でない時の、２つだけの異なる減衰設定に切り替え可能なように構成され、
   各々の前記減衰器段は、前記アクティブ状態で、互いに異なる所定の減衰値を有し、前記光受信機回路の一定の出力信号レベルを得るために、前記デジタル信号により制御されて前記アクティブ状態に切り替わることを特徴とする、光受信機回路。
2. 前記減衰器段は、各々第１の入力と第２の入力と、第１の出力と第２の出力と、を有し、
   前記第１の入力は前記第１の出力に結合され、
   前記第２の入力は前記第２の出力に結合され、
   前記減衰器段は、前記第１の入力と前記第２の入力との間に結合される、抵抗と半導体スイッチとの直列配置を備え、
   前記半導体スイッチは、前記デジタル信号により制御されることを特徴とする、請求項１に記載の光受信機回路。
3. 前記減衰器段の各入力端を分けるためにコンデンサが備えられ、前記減衰器段の前記入力端を前記光受信機回路の出力に結合する入力コンデンサと、前記減衰器回路の出力を前記出力回路に結合する出力コンデンサとがさらに備えられていることを特徴とする、請求項２に記載の光受信機回路。
4. 前記コンデンサは、前記減衰器段の連続するもの中の各々の前記抵抗の直列配置の第１端子間、及び前記減衰器段の前記連続するもの中の各々の直列配置の第２端子間に結合されていることを特徴とする、請求項３に記載の光受信機回路。
5. 前記減衰器段の第１のものは、追加の抵抗（９６）を前記直列配置中に備える減衰器段であって、
   前記追加の抵抗（９６）は、前記デジタル信号により制御される、追加の半導体スイッチによりブリッジされていることを特徴とする、請求項２に記載の光受信機回路。
6. 前記減衰器段の前記第１のもの中の、前記追加の抵抗（９６）と前記抵抗と前記半導体スイッチとの間の、前記直列配置中の第１回路ノードを備え、
   前記第１回路ノードは、前記減衰器段の前記第１のものに隣接する前記減衰器段の第２のもの中の第２回路ノードに結合され、
   前記第２回路ノードは、前記抵抗（９６）と、前記減衰器段の前記第２のもの中の前記半導体スイッチと、を接続していることを特徴とする、請求項５に記載の光受信機回路。
7. 前記半導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする、請求項３乃至５のいずれかに記載の光受信機回路。
8. 前記光変換器回路はフォトダイオードを有することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の光受信機回路。
9. 前記センサ回路は、前記光変換器回路に接続される抵抗器回路を有し、前記光変換器回路によって出力される前記電力の前記固有値として制御電圧ＶＣＯＮＴＲを得ることを特徴とする、請求項１に記載の光受信機回路。

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