JPS6128207A - レベル補償回路 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は微弱な電気信号、たとえば微弱な光信号を光−
電気変換した微弱信号を高利得増幅する増幅器を含む動
作レベル補償回路に関する。さらに、本発明は、このよ
うな微弱信号を交流増幅器を含む増幅器で増幅し、増幅
される信号波形や振幅の変化にもか＼わらず信号波形の
０と々るレベル（０レベル）を常に一定に保つように補
償し、増幅器の直線性を改善し、ダイナミックレンジの
変動を極めて小さくした交流増幅器を含む増幅器の動作
レベルを補償する動作レベル補償回路に関する。

〔従来の技術〕

最近の光通信技術等の先端技術は高速半導体技術に支え
られて著るしい発展をしているが、これらの分野におい
て広帯域でしかも低雑音かつ高利得の増幅器の必要性が
高１っており、その高性能化は重要な問題となっている
。

光信号は光−電気変換したのち増幅されるが、その信号
は微弱であるため、その増幅には高利得が要求され、そ
のだめには避は難いドリフト問題を内蔵する直流増幅器
を多段接続するよりは、十分に低い低域遮断周波数を有
する交流増幅器を用いるのが性能匍のみならず価格面に
おいても有利である。

光通信等においては、直流増幅器を用いる必要性もない
ことから、ドリフト問題もなく、単一電源で動作し、小
型、低消費電力化が可能な交流増幅器が用いられている
。

しかるに、光信号の計測等、たとえばファイバの特性計
測や破断点の探知などにおいて、ファイバの一端から光
パルスを送出し、ファイバの各点から戻ってくる反射波
を増幅し観測する装置（以下、０ＴＤＲという）の場合
には、その反射波である微弱信号のＯレベルを正確に知
ることが必要であり、直流増幅器を用いる必要があった
。

しかし、現実には直流増幅器は、ドリフトの問題や多段
接続の困難性、複数の電源を要する点など微小信号の増
幅には必ずしも適当な増幅器であるとはいえなかった。

とくに、０ＴＤＲの場合は、測定端の近傍からの反射波
の振幅は極めて大きく、遠方からの反射波の振幅は微小
なものであり、その両極端の信号を同時に増幅する増幅
器、すなわちダイナミックレンジの広い増幅器を得るこ
とは重要課題であった。

０ＴＤＲではファイバのレイリー散乱による後方散乱光
とファイバの接続点や破断点など不連続部分におけるフ
レネル反射による反射波を増幅しており、ダイナミック
レンジを大きくとるためおよび、ファイバの減衰特性の
観測の都合上対数増幅器が用いられる。

この対数増幅器では、ドリフトを避けるため、および高
利得を得るため等の理由から、一般に交流増幅器が用い
られる。

ところが、０ＴＤＲでは、前記の理由から、広帯域、高
利得、広ダイナミツクレンジの増幅器が要求されるので
あるが、従来のものは高価であるばか９か、交流増幅器
の特性に起因した入力信号の波形、たとえばパルス波形
である場合には、そのデユーティ比等の変動により増幅
器の動作レベルが変動するため、ダイナミックレンジや
精度に重大な影響を及ぼすという欠点があった。

とくに、対数増幅器の場合には、その対数特性から動作
レベルの変動は測定精度の著るしい悪化をもたらすため
に、この動作レベルの安定化のだめの補償なしには十分
な性能を達成できなかったのである。

この問題について、以下第７図（ａ）ないしくｄ）を用
いて具体的に説明する。

第７図において、（ａ）は従来の広帯域受光回路の一例
を示す。１１は直流増幅器である前置増幅器、１２は交
流増幅器で、たとえば、対数増幅器用ＩＣ（集積回路）
である１２ａ、　１２ｂおよび結合コンデンサ１７　、
１８を含み、直流増幅器１１の出力端子２ｏから結合コ
ンデンサ１６を介して信号を加えられる。１４はＡＰＤ
　（アバランシェホトダイオード）等の受光素子でｖＢ
はそのバイアス電源であり、受光素子１４の出力は前置
増幅器１１の入カ端子工５を経て、前置増幅器１１およ
び交流増幅器１２により増幅されて交流増幅器１２の出
力端子１９にその出力を得ることができる。

こ＼で、対数増幅器用ＩＣである１２ａ、　１２ｂなど
の段数は必要に応じて増加され、さらに高利得のものも
可能である。

受光素子１４が、前述した０ＴＤＲにおいて、後方散乱
光を受光すると、前置増幅器１１で増幅され、その出力
端子２０には第７図（ｃ）に示すような波形が得られる
。（ｃ）において点線は後方散乱光が零となるレベル（
０レベル）である。ところがこの信号を、交流増幅器の
各段間の結合コンデンサＣと入力インピーダンスＲを等
測的に示す回路である（ｂ）を通すと、（ｄ）に示すよ
うになり、（ｃ）の波形に対してΔだけシフトするとと
＼なる。このシフトの量Δは後方散乱光の量やフレネル
反射光の大きさ、光パルスのくり返し、すなわちデユー
ティサイクルの変化などで変動する。

このようにＯレベルが変動すると、対数増幅器のごとく
信号のレベルによって利得が変化する場合には、正確な
増幅を期待することができない。

とくに対数増幅器を多段接続するほど、その増幅誤差は
相乗的に増加するため、使用可能なダイナミックレンジ
は著るしく狭いものとなる。

丑だ一般の交流増幅器を使用した場合においても、０レ
ベルの変動のだめ、精度を要するアナ口。

グデジタル変換器等の用途においては、精度劣化の原因
となっていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

交流増幅器に信号が印加されると、その波形によって増
幅器の動作レベルが変動し、増幅度の誤差を生じ、かつ
ダイナミックレンジの変動をもたらすという問題点があ
った。この問題点を解決するものが本発明である。

〔問題点を解決するための手段〕

信号波形を交流増幅器に印加した場合にＯレベルの変動
を生ずる一原因は、その信号波形の正方向の振幅成分（
正方向の波形の面積）と負方向の振幅成分（負方向の波
形の面積）とが等しくないだめであり、このような両振
幅成分が等しくない場合、たとえば、第７図（ｃ）に示
すような波形の場合、正方向の振幅成分に等しい負方向
の振幅成分を合成し、かつ０レベルを補償して交流増幅
器に印加することによって交流増幅器の動作ｌノベルの
変動を除去し、信号のＯレベルの変動を防市せんとする
ものであり、本発明はこのような交流増幅器の動作のレ
ベル補償回路を提供するものである。

〔作　用〕

本発明は信号波形のうち、信号がＯレベルとなる期間に
、たとえば信号波形の正方向の振幅成分に等しい負の振
幅成分を合成せしめることによって交流増幅器の動作の
レベルを補償するように作用するものである。

〔実施例〕

以下、第１図に本発明の一実施例を示し説明する。こ＼
で第７図の構成要素に対応するものについては同一の符
号を付しである。

第１図において、４７は非反転増幅器で５１　、５２　
。

５３は増幅度を設定する抵抗、２１は演算増幅器、５４
は入力バイアス抵抗である。この抵抗５］、　、　５２
　、５３を選ぶことによって非反転増幅器の増幅度は、
任意に設定することができる。２２および２３はともに
演算増幅器であり、２３は高入力インピーダンスのＦ”
　Ｅ　Ｔ入力タイプのもので、開ループ利得が大きく、
かつオフセット電圧のドリフトの小さい増幅器である。

２８および３０は演算増幅器２２の利得を設定するため
の抵抗、３１は演算増幅器２２の高域制限をし、動作の
安定をはかるだめのコンデンサであり、このように接続
された演算増幅器２２は反転増幅器を構成している。

演算増幅器２３の出力端子３３と演算増幅器２２の反転
入力端子（−の記号が付しである端子）は抵抗３２を介
して結合されている。３４は演算増幅器２３の高域制限
をし、動作の安定をはかるたＪ六・・デ〜す、３５およ
び３６はそれぞれ演算増幅器２３０反転および非反転入
力端子（それぞれ−および」−の記号が付されている）
に結合されたサンプリング信号蓄積用のコンデンサであ
る。

抵抗３７は前置増幅器１１の出力端子２ｏに出力される
信号の高周波成分に影響を与えない程度のインピーダン
スを有し、低周波成分を抽出するだめに用いられている
。抵抗３８も同様の目的のために用いられている。

２４および２５はともにスイッチであり、高速動作をす
る半導体アナログスイッチ２４ａ、　２４ｂ　　および
２５ａ　、　２５ｂ　　を含む。

２６はスイッチ制御回路であってスイッチ２５および２
６のスイッチ切換のだめの制御信号を発生１２、線路３
９〜４２によってこれらのスイッチを制御する。２７は
スイッチ２５と結合コンデンサ１６の結合部に配された
本発明に係るレベル補償回路の出力端子である。

４６はｌノベル制御回路で演算増幅器２２，２３、スイ
ッチ２４などを含む。

第２図ｔ１、第１図に示す回路の各部の波形を示すもの
で、これを用いて回路動作を説明する。

第２図において、（ａｌ）は回路動作の基本となるタイ
ミング用の第１クロツクであり、この第１クロツクに同
期して、たとえば、図示されてい々いレーザダイオード
が駆動され、ファイバの後方散乱光の光−電気変換され
た信号が前置増幅器１１で増幅され、出力端子２０に（
ｂ）に示す波形が得られる。

この出力端子２０の信号は非反転増幅器４７で利得とレ
ベルを設定・調整されて、抵抗２８を介して演算増幅器
２２０反転入力端子に入力され、増幅されたのち、演算
増幅器２２の出力には（Ｃ）に示すように、（１））の
波形とは逆極性の波形を得る。

一方スイッチ制御回路２６１ハ、想路４３により　（ａ
ｌ）に示す第１クロツクが印加され、スイッチ制御回路
２６が内蔵するたとえば、双安定回路で（ａ２）に示す
第２クロツクを得、この第２クロツクで単安定マルチバ
イブレータをトリガして（ｅ）に示す波形を旬、この波
形の後縁部である立下りでさらに別個の単安定マルチバ
イブレータをトリガして（ｆ）に示す波形を得る。

同様にして、さらに別個の２つの岸安定マルチバイブレ
ータにより、　（ａ２）に示す第２クロツクから（ｇ＞
および（ｈ）に示す波形を得る。この（ｈ）に示す波形
から交互に１つおきにパルス波形を取り出して（ｊ）お
よび（ｋ）に示す波形を得る。

これらの波形は、それぞれ、線路４３には（ａｌ）が、
線路３９には（ｊ）が、線路４０には（１（）が、線路
４２には（ｆ）が、線路４１には（ｆ）に示した波形の
反転した信月すなわち（ｆ）が単安定マルチバイブレー
タのＱ出力信号であればＱ出力信号が印加されるように
なっている。

このときアナログスイッチ２４ａは（ｊ）に示す波形の
低レベルでオンとなり、蓄積用のコンデンサ３５に（ｂ
）に示す波形の信号が十分に小さくなったときのレベル
（０レベル）を記憶する。同様にして、アナログスイッ
チ２４ｂは（ｋ）に示す波形の低レベルでオンとなり、
蓄積用のコンデンサ３６に（ｃ）に示す波形の信号が十
分に小さくなったときのレベルを記憶する。このとき、
蓄積用のコンデンサ３５および３６の蓄積したレベルに
差異があると、誤差検出用の差動増幅器として動作する
演算増幅器２３の出力端子３３に誤差電圧が増幅されて
あられれ、抵抗３２を介して演算増幅器２２の反転入力
端子に印加され、抵抗３８、アナログスイッチ２４ｂを
介してコンデンサ３６に負帰還されるから、コンデンサ
３６に蓄積された信号のレベルはコンデンサ３５に蓄積
された信号のレベル（０レベル）に等しくなる。すなわ
ち、この負帰還ループを含む回路はレベル制御回路とし
て動作する。

そこで、アナログスイッチ２５ａが（ｆ）に示す波形の
高レベルでオンとなり、アナログスイッチ２５ｂが（ｆ
）に示す低レベルでオンとなると出力端子２７には（ｂ
）および（ｃ）に示す波形の合成された（ｄ）に示す波
形が得られる。すなわち、こ＼でスイッチ２５は信号合
成回路として動作する。

出力端子２７に得られた（ｄ）に示す波形は、その０レ
ベルを等しくする（ｂ）および（ｃ）に示す波形を合成
した合成信号であるから、０レベルの上下の面積は等し
く、これが交流増幅器１２に結合コンデンサ１６を介し
て印加されてもレベル変動を生ずることなく精度の高い
増幅を可能とする。

もしも、前記負帰還ループがないならば出力端子２７に
は（１）に示すように正側の波形と負側の面積が同じで
あっても、Δであられす０レベルのシフトを生じた波形
しか得られないのである。

本実施例では（ｃｌ）に示す波形において、（ｂ）に示
す波形に対応する部分のみを観測の対称としている。

そこで（ｆ）に示す信号の代りに（、）に示す信号を用
いることも可能である。その場合には（ｂ）に示す波形
の立−Ｌり部分、すなわち、０ＴＤＲの近傍のファイバ
の後方散乱光の部分は観測が困難となる。（ｆ）に示す
信号を用いるならば、波形の立上り部分から０ＴＤＲの
観測用ブラウン管（図示せず）の管面上に表示すること
が可能となる。この波形の立」−り部分を表示する寸で
の時間（遅延時間）、すなわち（ｆ）に示す波形の立上
りと（ｂ）に示す波形の立上りにおける時間差の調整も
容易にすることができる〃・らブラウン管面に波形の立
上り部分から完全に表示することが可能である。

変形例（その１） 第１図の演算増幅器２３を含む負帰還回路の誤差検出能
力は、本発明のレベル補償回路の後段に接続される交流
増幅器の利得よりも十分に大きいことが必要である。そ
こで一般の演算増幅器の開ループ利得（たとえば１０５
〜１０６程度）よりも大きい利得を必要とする場合には
第１図に示す演算増幅器２３の出力端子３３と抵抗３２
との間に、第３図に示す増幅器を挿入することが望まし
い。こ＼で５５は演算増幅器、５６．５７は利得設定の
ための抵抗、５８は入力バイアス用の抵抗、その他は第
１図に同じである。

微弱信号の増幅には、本発明のレベル補償回路の後段に
接続される交流増幅器の利得の大なるものが用いられる
ため第３図に示す増幅器の付加が効果的であるが、さら
にこのような場合に、演算増幅器２３としてオフセット
電圧の小さなものを用いるかあるいは、図示していない
オフセット電圧主調を行うことも重要である。これは、
０ＴＤＲにおいて、微弱信号の雑音除去のために続開的
雑音処理の一手法である平均化を行うのが一般的である
が、この場合に後方散乱光の減衰した波形を対数変換し
て表示する場合に、前記オフセット電圧が十分に小さく
ないと、対数表示した場合の波形の直線性を損ねるから
である。

変形例（その２） 第１図に示したスイッチ制御回路２６の動作において（
ｊ）と（ｋ）が同時に低レベルとならないようにするの
が望せしい。なぜなら、第１図に示す演算増幅器２３の
２つの入力が同時に変動すると発振など好１しくない問
題が生ずることがあるからである。

以上の説明から明らかなごとく、スイッチ制御回路２６
の信号発生のタイミングは、第２図に説明したものに限
定されるものではない。

変形例（その３） 第１図に示した前置増幅器２０の負荷駆動能力が十分で
あるならば非反転増幅器４７は省くことかできる。この
とき必要があれば、抵抗２８を可変抵抗にしてもよいこ
とは、第１図についての説明から明らかであろう。

変形例（その４） 第１図に示すスイッチ２５を第４図に示すトランスファ
型のものに変更してもよいことは明らかであろう。

変形例（その５） 第１図に示す前置増幅器１１として第５図に示すような
出力が正、負両極性が得られる増幅器を用いる場合には
、第５図に示す２０ａの出力端子は抵抗３７およびアナ
ログスイッチ２５ａに接続し、２ｏｂの出力端子は非反
転増幅器４７に接続し、第中図に示すような反転増幅器
を２０ａの出力端子側あるいは、２０ｂの出力端子側、
または非反転増幅器４７とレベル制御回路４６との間に
挿入することにより、第１図の場合と同様の効果を得る
ことができることは以上の説明から明らかであろう。

変形例（その６） 第１図において入力端子１５に印加される信号が０レベ
ルを含まない場合には、この入力端子１５寸たけ出力端
子２０を図示されていないスイッチに」：り一定期間接
地等することに」：っであるいは、０ＴＤＲの場合受光
素子の前に光シャッタあるい（ｄ光スイッチを設けて後
方散乱光を０とすることによっても０レベルを得ること
ができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、入力信号波形が変化し
てもその０レベルは固定され、精度の高い増幅が可能と
なり、広いダイナミックレンジを確保することができる
。

本発明の実施例によれば、交流増幅器１２として高利得
の対数増幅器を用いた場合にその効果は顕著である。

交流増幅器１２として線型増幅器を用いた場合、高利得
の直流増幅器と同様の機能を得ることができ、かえって
、ドリフトのない高精度の増幅器が得られる。

本発明によれば０レベルをサンプリングし負帰還により
レベル補償を行うため、温度変化等に対しても安定な動
作が期待できる。

本発明によるならば、利得が８０ｄＢ以上にもおよぶ交
流増幅器をも安定に動作せしめるだめのレベル補償回路
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図は第１
図の動作を説明するための波形図、第３図〜第６図は別
の実施例を説明するための回路図、第７図は従来例を説
明するための図である。 １１・・・前置増幅器、１２・・・交流増幅器、１４・
・・受光素子、１５・・・入力端子、１６．１７．１８
・・・結合コンデンサ、２１．２２．２３．５０．５５
・・・演算増幅器、２４．２５・・・スイッチ、２６・
・・スイッチ制御回路、４６・・・レベル制御回路、４
７・・・非反転増幅器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力信号を増幅する前置増幅器と、前記前置増幅
   器の出力信号の一部から得た第１の信号と、他部から得
   た前記第１の信号とは同一の振幅で反対の極性を有する
   第２の信号と、前記第１の信号の０レベルと同じ値の０
   レベルを有する第２の信号を得るためのレベル制御手段
   と、前記第１の信号と前記第２の信号とを順次切換えて
   合成信号を得るためのスイッチ手段とを含み、前記合成
   信号を交流増幅器に印加することを特徴とするレベル補
   償回路。
2. （２）前記合成信号を得るためのスイッチ手段がトラン
   スファ型のスイッチを含む特許請求の範囲第１項記載の
   レベル補償回路。
3. （３）前記レベル制御手段が、前記第１の信号の０レベ
   ルを検出し蓄積するための第１のスイッチと第１の蓄積
   コンデンサと、前記第１の蓄積コンデンサに蓄積された
   信号が一方の端子に印加される演算増幅器と、前記演算
   増幅器の出力と前記前置増幅器の出力からの信号とが印
   加されて前記第２の信号を出力する反転増幅器と、前記
   反転増幅器の出力信号の０レベルを検出し蓄積するため
   の第２のスイッチと第２の蓄積コンデンサと、前記第２
   の蓄積コンデンサに蓄積された信号が前記演算増幅器の
   他方の端子に印加されることによつて負帰還路を形成す
   る特許請求の範囲第１項記載のレベル補償回路。
4. （４）前記レベル制御手段における前記演算増幅器の増
   幅度の不足を補うための増幅器を含む特許請求の範囲第
   ３項記載のレベル補償回路。