【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、トランスインピーダンス増幅器と、供給電圧源と前記トランスインピーダンス増幅器の入力の間の直流回路内に含まれるフォトダイオードと、直流回路内の直流電流を制限する素子と、AC電圧源として作動しフォトダイオードの交流電圧をトランスインピーダンス増幅器内に流れる交流電流に変換するインピーダンスを含むフォトダイオードから供給される交流回路より成る光受信機に関する。

［従来の技術］ そのような光受信機は、西ドイツ特許第DE−OS36 33 98
4号明細書に開示されている。

［発明の解決すべき課題］ この従来技術の光受信機では、直流電流が大きく減少した場合に、フォトダイオードを跨がって発生した交流電圧をトランスインピーダンス増幅器内に流れる交流電流に変換するよう動作するAC回路は、フォトダイオードからフォトダイオードのDC回路の部分を介して接地まで流れる。

本発明の目的は、この従来技術の光受信機に基礎を置いた改良された光受信機を提供することである。

［課題解決のための手段］ この目的は、本発明の光受信機によって達成される。 本発明は、トランスインピーダンス増幅器と、供給電圧源とトランスインピーダンス増幅器の入力端子との間の直流回路内に含まれているフォトダイオードと、直流回路内の直流電流を制限する素子とを具備している光受信機において、 フォトダイオードのトランスインピーダンス増幅器の入力端子に接続されている端子と反対側の端子とトランスインピーダンス増幅器の出力端子との間に接続されている交流回路を具備し、この交流回路はフォトダイオードから電流を供給されて交流電源として作動してフォトダイオードの交流電圧を前記トランスインピーダンス増幅器の出力端子に流れる交流電流に変換するインピーダンスを具備することを特徴とする。

［実施例］ 従来技術の光受信機と類似の第１図の光受信機は、本質的にフォトダイオードPDとフォトダイオードPD用の供給電圧U ₀とトランスインピーダンス増幅器TIV（破線で囲まれている）を含む。 フォトダイオードPDの陽極１は、
トランスインピーダンス増幅器TIVの入力に直接接続される。

トランスインピーダンス増幅器は任意の通常で構成されることができ、フィードバック抵抗R _Tによって分路を作られている−V _Oの利得を有する増幅回路Ｖによって特徴付けられる。 それはフォトダイオードPDの光電流を同じ参照符号によって示される出力に現れる出力電圧Uaに変換させる。

第１図の光受信機が上述された従来の技術の受信機と共通する別の特徴は、フォトダイオードのDC回路がフォトダイオードのカソード端子２と供給電圧源U ₀の可変抵抗
R _Vを含むことである。 上記の明細書に詳細に開示されているようなこの抵抗は、フォトダイオードに入射する高レベルの光においてフォトダイオードのDC回路を制限するように作用し、したがってフォトダイオードのDC動作点を変える。

この説明は、第２図によって簡単に繰り返されるであろう。 第２図は、受信される光信号の３つの異なったレベル、p ₁ ＜p ₂ ＜p ₃ 、のためのフォトダイオードの特性をそれぞれフォトダイオードの電流と電圧を表すIdとUdによって概略的に示す。 Idは線形的にUdに依存し、直線の傾斜はフォトダイオードのDC回路の抵抗の値に依存する。
この直線と特性の交点は、フォトダイオードのDC動作点である。

それらの急に傾斜する部分のフォトダイオードの特性と交差するゆるやかに傾斜する直線、すなわち動作点AP4
とAP5とAP6を通過する直線は、たとえ高い光レベルでさえトランスインピーダンス増幅器のための最大許容電流
Imaxを越えられないことを保証する。 ところがDC回路の抵抗が小さい値である場合の動作点AP1とAP2とAP3を通過するId/Ud関数においては、高い光レベルP3で許容されない動作点AP3が得られることを、第２図において認めることができる。

最初に記述した明細書から既知のように、動作点AP1乃至AP3から動作点AP4乃至AP6への転換は、抵抗を小さい値から大きい値に変えることによってもたらされる。 高い抵抗すなわち動作点AP4乃至AP6において、光レベルの変化の場合フォトダイオードを通る電流における変化がほとんどなく電圧Udのみ変化する、それ故このモードにおいてフォトダイオードはAC電圧源である。

この交流電圧をトランスインピーダンス増幅器用の入力電流として作用する交流電流に変換するために、従来の技術は、フォトダイオードのDC回路に部分的に含まれる
AC回路を使用し、それから接地される。 この関係において、本発明は従来の技術とはかなり異なる。

本発明にしたがって、AC回路は、トランスインピーダンス増幅器TIVの入力に接続されないフォトダイオード端子すなわち端子２からトランスインピーダンス増幅器の出力まで及ぶ。 第１図に示すようにそれは、抵抗R _Sおよびこの抵抗に直列接続されるキャパシタC _Sから成るインピーダンスを含み、そしてACパスからDCパスを絶縁するように作用する。 適当な電流および電圧の状態下において、キャパシタC _Sは省くことができる。 抵抗R _Sの代わりに、出力電圧Uaの一定化が要求される場合に、抵抗および並列なキャパシタを含むインピーダンス、または複素能動または受動RLC4端子ネットワークでも可能である。

どんだ場合においても、端子２からトランスインピーダンス増幅器TIVの出力までの接続は、トランスインピーダンス増幅器TIVの接地端子からフォトダイオードを通りインピーダンスR _S ,C _Sおよび出力電圧Uaを介して接地に戻るAC回路を完成する。

以下において、キャパシタC _Sが非常に高い容量を有するすなわち実質的に交流電流に対して短絡回路であると仮定して、この実施例の回路のダイナミックレンジ用の抵抗R _VおよびR _Sの重要性が説明される。

等価回路図によって、この実施例の回路に対して示すと次の通りである。

_V /（R

_V ＋R

_S ） （２） Id＝フォトダイオードを介して流れる電流の強さ Rd＝フォトダイオードの微分内部抵抗 R

_T ＝フィードバック抵抗R

_Tの値 V

_O ＝増幅回路Ｖの利得 R

_V ＝抵抗R

_Vの値 R

_S ＝抵抗R

_Sの値 Ua＝トランスインピーダンス増幅器の出力Uaの（接地に対する）電圧 である。

前記Uaの表示は、R _S /R _Tが約ゼロであるようにR _SがR _Tと比べて非常に小さいという仮定に基づいている。 しかしながらこれは、この実施例の光受信機の機能のために予め要求されないが、しかし光受信機の説明を容易にするための助けになる。

したがって出力電圧Uaは、可変抵抗R _VおよびRdに依存する。 低い光レベル（例えばP1,P2）で、この実施例の回路は従来の技術の回路のように、動作点AP1,AP2で有利に作用される。 上記のこれらの動作点は、非常に小さい値R _Vによって予め決定さる。 一方、フォトダイオードの微分抵抗Rdは、 Rd＝dUd/dId によって与えられ、フォトダイオードの特性が非常にゆるやかな傾斜を有するので、これらの動作点で非常に高い。 これらの状態（R _Vは非常に小さく、Rdが非常に大きい）において、式（１）は、 UaR _T・Id （３） となる。

これは、R _Vが全ての“普通の”トランスインピーダンス光受信機でされるように非常に小さくされる場合に、この回路が従来の技術の光受信機のようにふるまうことを示す。

しかしながら、高い光レベでトランスインピーダンス光受信機の過負荷を回避するために、R _Vが再び上記従来技術の光受信機の原理にしたがって、ダイオード特性の急に上昇する部分すなわちAP4乃至AP6の動作点を得るように非常に大きく選択される場合において、状態は以下の通りである。 微分内部抵抗Rdはこれらの動作点で非常に低く、これらの状態（R _Vは非常に大きく、Rdが非常に小さい）で、（１）式は、 α1,Rd/R _T ＜＜１ およびほとんどの場合において、 1/V _O ＜＜１であるので、 UaRd・Id （４） と成る。

式（４）において、RdはIdの関数である。 フォトダイオードの特性の式から、 Rd＝（1/m）（U _T /Id） （５） を得る。

したがってRd・Idの積は一定である、すなわちU _Tがフォトダイオードの熱電圧と呼ばれるときU _T /mと等しい。 ｍ
は、ショットキー単一ダイオード理論（U.Tietzeおよび
Ch.Schenk著、テキスト“halbleiter−Schaltungstechn
ik"8訂springer−Verlag,Berlin,Heidelberg,New York,
London,Paris,Tokio,1986年,24頁参照）から偏差を与える修正因数である。

上述より、特性の急な上昇部分に動作点を置く抵抗R _Vの値のそのような変化を介して、トランスインピーダンス増幅器の出力電圧が一定の電圧に制御され得ることが判り、それ故トランスインピーダンス増幅器TIVも、次の回路も過負荷されることはない。 従来の技術の回路によってそのような低い値への出力電圧の限界は、それらから生じる不都合なしに達成できないことが示されている。

さて、疑問は実際の回路において、抵抗R _Vの値が上記動作点の変化が高い光レベルで達成されるような方法において、いかに変化され得るかということである。

これは従来技術の回路におけると同様の方法すなわち適当な抵抗を抵抗の大部分の供給から回路に選択的に接続することによって、および高い光レベルが要求されるような場合に、ある抵抗から別の抵抗に変化することによって、成されることが可能である。 必要な電流制限は、
また連続可変抵抗R _Vおよび上述されるような光レベルにしたがってこの抵抗の抵抗値を制御する制御回路によって成し遂げられることが可能である。

しかしながら理想的解決手段は、光レベルが上昇する時それ自身によってフォトダイオードのDC回路における直流電流を限定する素子であり、したがって上記動作点の変化を自動的に引き起こすことである。 本発明の本質的な解釈にしたがって、これは、一定のベース電流でバイポーラトランジスタの出力特性に似ている電流−電圧特性を有する回路で第１図の抵抗R _V置換することによって成し遂げられる。

良く知られているように、一定のベース電流でのバイポーラトランジスタの出力特性は、電流が電圧の増加と共にまず始めに所定の値まで急激に上昇し、それからほぼ一定に保たれることを示す。 一定電流のこの領域において、トランジスタ回路はほぼ理想の電流源である。 そのようなトランジスタ回路およびそれらの出力特性は、関連文献にすなわち上述の文献の28頁および29頁に開示される。

第３図は、抵抗R _Vをトランジスタ回路によって置換した第１図の回路とは異なる本発明にしたがった回路を示す。 後者は、バイポートpnpトランジスタＴから成る。
トランジスタＴのエミッタはエミッタ抵抗R _Eを介して供給電圧源U _Oに接続され、コレクタはフォトダイオードの端子２に結合される。 図示されていない手段によって、
ベース電流Ibは一定であることが確実とされる。

電流と電圧の問題を考慮する簡単な考察は、このトランジスタ回路の動作の結果として、電流Idはまず初めに、
点AP1乃至AP3を通る急峻な直線と同様にダイオード電圧
Udを増大することによって負方向で急に増大するが、しかしまもなく傾斜はゆるやかとなり徐々により単調となることを示す。 そのような曲線は第２図に示され動作点
AP7乃至AP9を与える。

したがってトランジスタ回路は、Imaxを越える動作点が形成されないような方法において、電流Idを制限する。
任意の制御またはスイッチング動作なしに、高い光レベルで特性（AP8,AP9）の急上昇部分に動作点が確実に位置される。 言い換えるとダイオード電流Idは、動作点AP
1乃至AP3を通る直線を有する場合のように光レベルの増大によって増大されることはなく、電流は許容できる値まで制限され、フォトダイオードをまたがる電圧は負の領域から正の領域に反転される。 これをすることができる任意の回路は、本発明を構成するために適当である。
基本回路に過ぎない第３図のトランジスタ回路は、単なる例示である。

例えば、上述の文献の59頁乃至63頁に与えられ、356頁乃至354頁に示される電流ミラーおよび電流源を含む一定電流源の全ての変形は適当であり、低い光レベルで付加的回路素子によってAC回路の、すなわちR ₁を並列に有する抵抗によって357頁の第13.11図の回路の抵抗を減少することが可能である。

最後に、第２図によって示される動作点の変化はまた、
別のパラメータすなわちバイアスU _Oを変化することによって成し遂げられ得ることを指摘しておく。 後者は、直線の傾斜と無関係に抵抗によって決定される傾斜を有する直線が横座標と交差する点を決定する。 交差のこの点は、第２図においてＵ′で示される。 第２図より、したがって動作点AP1乃至AP3を通る直線の点Ｕ′およびこの直線自身を光レベルが増大するに応じて右に変化する制御によって、Imaxを越えるAP3のような動作点を回避することが可能であることは、容易に明らかである。

したがって、非常に低い値の固定抵抗R _Vを有するダイナミックレンジを抵抗の制御よりも構成することが容易であるバイアスを変化することによって拡大することもまた可能である。 一番簡単な場合において、抵抗R _Vの値の上記の変化に類似して、電圧供給源からの適当な電圧はバイアス電圧として作用する。

もちろん、抵抗の値の変化をバイアス変化に連続的にまたは非連続的に結合し、または電流制限素子のような第３図で使用されるトランジスタ回路のために供給されるバイアスU _Oを変化することもまた可能である。

原理的には、フォトダイオードのDC回路内の電流制限素子すなわち抵抗R _Vまたはトランジスタ回路は、フォトダイオードPDの反対側に配置され得ることもまた可能である。

第１図の配置においてインダクタは、全体の回路上のR _V
の標遊容量の効果を減少するために、R _Vとフォトダイオードの端子２の間に配置されることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にしたがった光受信機の基本的回路図である。 第２図は、本発明を説明するための典型的なフォトダイオードの特性を示す。 第３図は、本発明の実施例の第１図の可変抵抗R _Vの変わりにトランジスタ回路を有する基本的回路図である。 U _O ……供給電圧源、R _V ……可変抵抗、C _S ……キャパシタ、R _S ……抵抗、PD……フォトダイオード、TIV……トランスインピーダンス増幅器、R _T ……フィードバック抵抗、Ｖ……増幅回路、Ua……出力電圧。

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