JPS60263546A - 光受信回路の基準電位発生回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 例技術分野 この発明は、光受信回路の基準電位発生回路に関する。

光受信回路は、光通信システムの受信側に設けられる。

光受信回路は、光を電気信号に変換するホトダイオード
、アバランシェホトダイオードナトの光電変換素子と、
これに流れる電流を増幅する増幅回路と、増幅された信
号をＨ，Ｌの２値に変換し、元のデジタル信号に復元す
る二値化回路と、適当なレベルの出力を与える出力段と
よりなっている。

イ）従来技術とその問題点 デジタル信号を扱うのであるから、微少信号を増幅し、
コンパレータで基準値と比較し、ＨとＬレベルに二値化
すれば、もとのデジタル信号と同じものを復元できる。

従来の光受信回路は、このように入力信号をそのまま、
二値化していた。しかし、この回路にはいくつかの欠点
がある。

ひとつは、増幅率を大きくするために、大きい値の帰還
抵抗が必・要である、と贋うことである。

個別部品で作るなら差支えないが、全体をモノリシック
に作製する場合には、このような大きい値の抵抗を作る
ことができない。

もうひとつは、光強度の大きさが間穎なのであるから、
直流増幅しなければならない、という事である。直流増
幅回路を何段にも重ねて、光信号に比例した電圧信号を
得るようにする。そうすると、直流のノイス成分が信号
中に含まれてしまう。

ホトダイオードには、六方光が０の時でも電流が流れる
。暗電流という。また差動増幅回路には直流オフセット
がある。暗電流は微少な電流にすぎないが、温度によっ
て著しく変化する。これらの直流のノイズ分も同様に増
幅するから、畠カ中に、直流ノイズ分が含まれる。

また、光ファイバの長さや、発光素子の特性によって、
光信号が存在する時の受光素子のレベルも一定ではない
。つまシ、受光側に於てＨレベルも一定でない。

受光側に於て、Ｌレベル、Ｈレベルともに変動すること
が多い。受光側では、信号Ｖｓを一定の基準電圧Ｖｃと
比較し、その大小によシ、Ｈ，Ｌレベルに弁別する。従
って、基準電圧ｖｃは、最小の入力信号のＨレベルの半
分程度にすることが多い。

たとえこのようにしても、六方光の強度により、Ｈレベ
ルである時間の長さが変動してしまい、正確に送信され
たものを復元することができない。

（つ）微分信号を用いる光受信回路 そこで、本発明者は受信信号をそのまま処理するのでは
なく、いちど微分することにした。もとの信号は、Ｈレ
ベルとＬレベルとよシなる矩形波信号であるから、Ｈよ
ｆｉＬへ立下る時に、負の微分パ）ｖス、ＬよりＨへ立
上る時に、正の微分パルスを生ずる。基準値は０レベル
とすればよい。

微分信号であるから、暗電流のような直流ノイズ分は全
てカットされる。また、大信号であっても、小信号であ
っても立上りに正のパルス、立下りに負のパルスを生じ
、基準値を０としておけば、信号の大小によらず、正し
くＨレベルである時間と、Ｌレベルである時間とを復元
することができる。

こうして、微少信号でも正しく処理できるので、ダイナ
ミックレンジが広くなシ、歪みも少なくなる。

しかし、微分信号にしてから二値化するのであるから、
単なる固定の基準値Ｖｃによって、信号を二値化するこ
とができない。

微分信号は、立上り時に正パルス、立下り時に負パルス
を生ずるが、無変化の時は０になる。基準値ＶＣを０に
しても、無変化の時は、これを正しく弁別できない。

正パルスから負パルスまでは、出力がＨになり、負パル
スから正パルスまでは出力がＬになるようにすべきであ
る。そこで微分信号Ｗの方にヒステリシス±Δを加える
が、基準値Ｖｃの方に逆方向のヒステリシス±Δを加え
るかする。

このような二値化は、ヒヌテリシス伺コンパＶ−夕によ
ってなすことができる。

ヒステリシスは、コンパレータの出力がＨかしかによっ
て、次のように与えることができる。

（ａ＋　コンパレータの出力がＨの場合基準値を　Ｖｃ
　−Δ （ｂ）　コンパレータの出力がＬの場合基準値を　ＶＣ
＋Δ にする。これは基準値に正負のヒステリシスを与えるも
のであるが、微分信号Ｗに反対向きのヒステリシスを与
えてもよい。

国）電流帰還によるヒステリシス 前節に説明したように、コンパレータの基準値に、正負
同量のヒステリシスを与える必要がある。

ＶＣは微分信号の平゛均値であるから、一定随とはいえ
ず、変動する値である。

すると、変動値を中心として、正負同量のヒステリシス
を与えなければならない。ヒステリシフ幅は、受信可能
な信号の強さを制限するわけであるから、できるだけ狭
い方が良い。数十ｍＶ程度であることが望ましい。つま
り、小さいヒステリシスで、Ｖｃを中心として、上下対
称に与えなければならないのである。

そこで、本発明者は、電流帰還によって、ヒステリシス
を正確に加えることができるような回路を考えた。この
回路情例えば、特願昭５８−１９４７０９号（昭和５８
年１０月１７日出願）の中で明らかにしている。

電流帰還によるヒステリシスの与え方は、２つの定電流
回路ＩａとＩｂを使い、電源とＩａ、Ｉｂとアースを直
列に接続し、Ｉａとｒｂの接続点をコンパレータの基準
値側の入力に接続し、この入力と基準電圧ＶＣとを抵抗
Ｈによってつなぐことによって実現される。ここで、Ｉ
ｂがＩａの２倍であるようにしておく。

コンパレータの出力の値によって、よりの定電流回路を
切換えるようにする。

Ｉｂと、Ｉａ及びコンパレータの入力とを接続すると、
定電流回路からＩａの電流、抵抗Ｒを通じてＩａの電流
が、工２へと流れる（２Ｉａ＝Ｉｂ）。

このため、基準値側の入力は、Ｖｃよシも、ＲＩａだけ
電圧が低くなる。

Ｉｂと、Ｉａ及びコンパレータの入力との接続を遮断す
ると、定電流回路Ｉａの全電流は、抵抗Ｒ１を、先はど
とは反対の方向へ流れることになる。このため、基準値
側の入力は、ＶＣよりも、ＲＩａだけ電圧が高くなる。

　□ これが電流帰還型ヒステリシス回路である。定電流回路
を組合わせて使うから、それ自身によって、その電圧が
決定されず、常に定電流を流しうるから、ＶＣを中心と
して、±Ｉａの電流をＲに流すことにより、正負のヒス
テリシス±ＲＩａ　を与えることができる。

本発明は、ヒステリシス付コンパレータの回路に関する
ものではないので、詳細には説明し−ない。

（３）　基準電位の設定の困難 受信信号をいったん微分してから二値化するのであるか
ら、コンパレータに信号と、基準値とを入力し、これに
よって大小を比較するようにしなければならない。

基準値は既に述べたように、固定の基準電位に正負のヒ
ステリシス±Δを加えたものである。つまシ、固定基準
電位Ｖｃをどのように与えるか、という問題がある。こ
れは、微分信号の平均値でなければならない。つまり、
受信さ５れた信号をＳこれの微分をＤとし、平均値を〈
〉で示すことにすると、 Ｄ　＝　Ｓ　＋　Ｆ　（１１ である。Ｆは微分信号のもつ直流分である。これは回路
の構成によるが信号Ｓの大きさや周期には全く依存しな
い。

基準電位Ｖｃは Ｖｃ　＝　＜Ｄ＞　（２１ である。

（１）の微分演算については、遅延回路と、差動増幅回
路とを組合わせて微分信号を得るようにしている。

（２）の平均値をとる操作は、もつとも簡単には、抵抗
とコンデンサとを組合わせた平滑回路を用いることによ
ってなされる。

平滑回路によって、微分パルスは平均化されて、平均電
圧を得ることができる。しかし、こうするためには、抵
抗とコンデンサの積によって決まる時定数が、受信パル
スの変化の繰返し周期よりも、ずっと大きくなくてはな
らない。すると、コンデンサの容量が０．１μＦ〜１μ
Ｆにしなければならないことが多い。

光受信回路は、小型化、軽量化を推進し、さらに高信頼
性を得るため、全体をモノリシック化したい、という要
求がある。

モノリシック化する場合、コンデンサは、せいぜい数十
ｐＦ程度のものしか作れないので、０．１μＦのコンデ
ンサとなると、どうしても外付はコンデンサとなってし
まう。こうなると全体を完全にモノリシック化（ＭＩＧ
：化）することができない。

コンパレータの基準電位を得るだめに、外付はコンデン
サを使用しなくても済むような回路構成が強く望捷れる
。

纜）　目　的 本発明は、光受信回路に於て、コンパレータの一方に入
力されるべき基準値の基礎になる、微分信号の平均値に
等しい基準電位を、コンデンサなどを使うことなく設定
できるようにした回路を与えることを目的とする。

（割　構　成 この発明は、受光素子に流れる電流を変換して電圧とし
、これを微分し、増幅する増幅回路と、増幅回路の内、
信号成分が伝達される部分を除いて他の点では全く同等
の基準電位発生部とを設け、ここから基準電位を得るよ
う属したものである。

増幅された微分信号と、基準電位とは、ヒヌテリシス付
コンパレータの２つの入力にそれぞれ加えられ、二値化
された出力を得るようになっている。

り）実施例 第１図は本発明の実施例を示す回路図である。

これは、受光素子１と、増幅部２、基準電位発生部３を
示している。後段には、これらの出力ｖｉｎ、Ｖｒｅｆ
　Ｋ　ｆｍいて、ヒヌテリシス付コンパレータや出力段
が設けられ、る。これら全てがひとつのＩＣチップの上
に作製される。

受光素子１はホトダイオードであって、ｐｎ接合が逆バ
イアスとして使われている。アノードが接地、カソード
が抵抗Ｒ１、ダイオードＤＩのカソード、トランジスタ
Ｔｒｌのベースに接続されている。

まず増幅部２から説明する。

１１、工２、Ｉ３は定電流回路である。゛トフンジヌタ
Ｔｒ、１のエミッタは、ダイオード列Ｄ２を順方向に接
続することによシ、アースに接続されている。ｐｎ接合
の電圧降下分（約０．６　Ｖ　）に、ダイオードの数を
乗じたものが、エミッタの電圧になシ、これに、さらに
ベース・エミッタ降下分を加えたものが、受光素子１の
逆バイアスになる。

ＴｒｉのコレクタＣは定電流回路１１を経て電源ＶＣＣ
ニつながっている。コレクタＣはＦランジスタＴｒ２の
ベースに接続しである。

Ｔｒ２のコレクタは電源Ｖｃｃに接続してあシ、エミッ
タｂは、ダイオード列Ｄａを経て、（ｄ点）定電流回路
工２につながっている。

光が存在しない時、受光素子電流け０である。

この場合、抵抗Ｒ１には、Ｔｒ２のベース電流ｘｂが流
れる。Ｔｒｉのコレクタ電流は一定で委るから、Ｉｂも
建電流である。

ｂ点の電位は、１点よシも、ＲＩＩｂだけ高くなる。

これはｂ点の電位の最小値である。

受光素子に電流Ｉｐが流れると、ｂ点の電位は、ＩｐＲ
ｌだけ、最小値よシ高くなる。

ダイオード列Ｄ３では、一定直流分だけ降下するだけで
あるから、ｄ点の電圧は、一定の直流分と、ＩｐＲｌの
信号分とを含むことになる。

Ｔｒ３、Ｔｒ４は差動増幅回路を構成する。Ｔｒ３のコ
レクタはＶＣＣにつ々いであるが、出力（ここではＭｉ
ｎ　）をとるため、Ｔｒ４のコレクタｇとＶｃｃＯ間に
はＲ４を接続しである。

Ｔｒ３、Ｔｒ４のエミッタは共通になっておシ、定電流
回路工３を経て接地されている。

この差動増幅回路の入力は、Ｔｒ３、Ｔｒ４のベスｅ、
ｆである。電位をｅ、ｆで略記する。

もしも、６＝ｆであれば、工３の半分ずつの電流が、ふ
たつのトランジスタに等電流れる。つまり、ｇ点の電圧
はＶｃｃよＪＲ４Ｉａ／２だけ低い。

もしも、ｅ　（ｆであれば、Ｔｒ４に、■３の全電流が
流れる。ｇ点の電圧はＶｃｃよりＲ４ｌ３だけ低くなる
。

反対に、ｆ　（ｅであれば、Ｔｒ３に、Ｉ３の全電流が
流れる。ｇ点の電圧はＶｃｃに等しい。

さて、ｄ点の電圧は、Ｒ２を経て直接Ｔｒ３のベースｅ
に入力するが、Ｔｒ４のベースｆの方は、ｄ点の信号を
遅延させて入力させる。

遅延のため、抵抗Ｒ３、コンデンサＣ１を使う。

コンデンサＣ１は一端が接地、他端がＴｒ４のベースｆ
につながっている。ベースｆへはｄ点から抵抗Ｒ３によ
って信号が伝わるが、Ｃ１を充放電するに必要な時間だ
け、ｆ点の電圧の変化は遅れる。

ｄ点の電圧に変化がなければ、ｅ＝ｆ’であシ、ｄ点の
電圧が増加する時ばｅ　）　ｆである。ｄ点の電圧が下
降する時はｆ　）　ｅである。

つまり、ｄ点の電位に関し、 （１）増加する時（パルス立上り時）にはｇ　＝　Ｖｃ
ｃ　ｆ３） （２）無変化の時（パルスの値がＨ又はしてあって変動
しない時） ｇ　＝　Ｖｃｃ　−（Ｒ４ｌ８）／２．　（４）（３）
　減少する時（パルス立下り時）にはｇ　＝　Ｖｃｃ−
Ｒ４Ｉ８　（５） となって最も、ｇの値が低くなる。

つまシ、これはｄ点の電圧の微分を与えたということに
なるわけである。

ｇ点の電圧が微分信号であるが、これを適当に直流分を
増減して、ヒステリシス付コンパレータに入力する。そ
こで、ｇ点の電圧をここでは、Ｖｉｎと書いている。

Ｍｉｎの平均値をめて、基準値（’／ｉｎ：）を得なけ
ればならない。

本発明は、Ｍｉｎを平滑化して、平均値をめる、という
考えを捨てている。

基準電位を得るため、信号の伝達する部分を除外して、
増幅部２と同じ回路の基準電圧発生部３を設ける。

基準電圧発生部３も、同じトランジスタ、同じダイオー
ド、抵抗の構成を持っている。定電流回路も同様である
。そこで、対応する素子には同じ番号を付け、ダッシュ
を付することにする。

定数は全て等しく、 Ｉｔ　＝　Ｉｔ’　（６１ １２＝Ｉ２’ Ｒ２＝　Ｒ２’　（７１ Ｒａ　：＝　Ｒ３７ とする。

定電流回路ＩＩ’、Ｔｒｌ’、ダイオード列Ｄ　２’が
Ｖｃｃとアース間に直列につながれている点も同様であ
る。

Ｔｒ２′、Ｄ　３’、Ｉ　２’　カＶｃｃとアース間に
直列につながれている点も同様である。

Ｔｒｌ’の：ＩＬ”夕りとＴｒ２’の’＜−７、Ｔｒｌ
’のベースと受光素子１のカソードが接続されている点
も同じである。

異なる点は、Ｔｒ２’のエミッタｊとａ点をつなぐ抵抗
がない事と、遅延回路のコンデンサＣ１がない事とであ
る。

抵抗Ｒ１に対応するものがないので、ｈ点、５点に点の
電圧は不定となる。

重要なことは、コンデンサＣ１がなく、差動増幅回路Ｔ
ｒ３’、Ｔｒ４’の／＜−ヌｓ、ｔには常に、同一の電
圧が加わるということである。

常に、ｓ　＝ｔテあるから、Ｔｒ３’　、ｊｒ４’に等
しい電流が流れる。工８の半分の電流が、両方のトラン
ジスタに流れる。

Ｕ点の電圧は一定で、 Ｕ　＝　Ｖｃ　−（Ｒ４Ｉａ）／２　（８ｉである。こ
こで、ダッシュを取っているのは、（６）、（７）の関
係があるからである。

ここでＶｒｅｆと書いたＵ点の電位は、（４）式に示す
ように、微分が０の時の増幅部の出力ｇに等しい。

また同時に、微分が正の時の出力ｇ、微分が負の時の出
力ｇの丁度平均になっている。

つまり、Ｖ　ｒｅｆは一定電圧であって、しかも微分増
幅信号Ｖｉｎの平均値であることが分る。つまり、Ｖｒ
ｅｆ’　＝　＜：Ｖｉｎ、＞　（９）である。

（２）他の回路部分の説明 第２図に光受信回路の全体略図を示す。

増幅部２、基準電位発生部３は既に説明したとおりであ
る。

増幅部２は、受光素子１の電流を電圧に変換し、これを
微分し、これを増幅する。微分のために、コンデンサと
、抵抗よシなる遅延回路と差動増幅回路を用いている。

基準電位発生部３は、増幅部２とほぼ同じ回路構成であ
るが、差動増幅回路の前段に遅延回路がなく、２人力は
常に同一になるようにしている。

こうして、微分増幅信号ｖｉｎと、基準電位Ｖｒｅｆを
得るが、このままコンパレータに入力すると、直流レベ
Ｉしが適合しない場合は、直流レベルシフト回路８．９
によシ、適当に直流レベμを変化させる。これは、ダイ
オード列によることもアシ、トランジスタをエミッタフ
ォロワで接続シてもよい。

こうして、レベルを調節した後の微分信号Ｖｓと、基準
値Ｖ、ｃとを得る。これをヒステリシス付コンパレータ
４に入力する。入力抵抗ＲＳＲを経て、差動増幅回路５
に入力するわけであるが、一方の抵抗Ｒがヒステリシス
±Δを与えるために用いられる。

差動増幅回路５の出力により、ヒステリシス付与回路６
の定電流回路Ｉａ、Ｉｂの接続が切換えられる。これは
既に述べたように、Ｉｂの電流がＩ　ａ　（７）　２　
倍であるから、正負等量のヒステリシスを与えることが
できる。

出力段７は差動増幅回路５の二値化された信号を、適当
な電圧のＨレベル、Ｌレベルに変換する。

（：Ｉ）効　果 （１）全回路を完全にＭＩＣ化できる。

平滑コンデンサ（通常０．１〜１μＦ）を外付けする必
要がないからである。

（２）　コンパレータの入力段のＤＣレベルヲＩｌ［、
ｌ：く一致させることができる。

増幅部出力（微分波形）のＤＣレベルを決定する部分を
全て共通にする形で（回路構成、定数を共通化）基準電
位を発生する方式のためである。

また、同−ＭＩＣ内で全く対称なパターンを配置するこ
とにより、精度良く製作できるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基準電位発生回路の実施例を示す回路
図。 第２図は本発明の基準電位発生回路を含む光受信回路の
全体回路構成ブロック図。 １・・・・・・・・受光素子 ２・・・・・・・・増幅部 ３　・・・・・　基準電位発生部 ４　°　・・°゛　ヒヌテリシヌ付コンパレータ■１〜
工３・・定電流回路 ＩＩ′−Ｉ３’・・定電流回路 Ｒ１−Ｒ４・・抵　抗 Ｒ１’−Ｒ４’・・抵　抗 Ｄ１〜Ｄ３・・ダイオード Ｄ２’〜Ｄ３’・・・・　ダイオード Ｔｒｌ、・・・・Ｔｒｉ’・・・・　トランジスタ発明
者　沢　井　孝　典 特許出願人　住友電気工業株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. −ｆ”シタル光信号を受信し二値のデジタル電圧信号に
   変換する光受信回路において、受光素子１と、受光素子
   の電流を抵抗Ｒ１とトランジスタＴｒｌ、Ｔｒ２によっ
   て電圧に変換し、この電圧信号と、この電圧信号をコン
   デンサＣ１と抵抗とよりなる遅延回路を通した遅延信号
   との差を差動増幅する増幅部２と、電流電圧変換用の抵
   抗Ｒ１と遅延回路のコンデンサＣ１を欠く他は増幅部２
   と同じ回路構成よシなる基準電位発生部３とよシなる事
   を特徴とする光受信回路の基準電位発生回路。