800kbpsまでの光ファイバデータを処理する小型フォトダイオードレシーバ

図1の回路は、フォトダイオードを2つのオペアンプおよび1つのコンパレータと組み合わせて、データレート800kbpsまでの光ファイバレシーバを形成しています。パッケージが小さいため(オペアンプは5ピンSOT23、コンパレータは8ピンµMAX®)、PCボードやハイブリッド基板上 の面積が最小限で済みます。

フォトダイオードは光伝導モードで動作して、IC1に信号電圧を与えます。IC1のトランスインピーダンスゲインは、R2の値(ここでは4700Ω)に等しくなります。オペアンプ(IC1およびIC2)は各々利得が約25V/Vの非反転アンプとして構成されているため、回路の全トランスインピーダンスゲインは3MΩです(4700Ω × 25 × 25 = 2.99MΩ)。オペアンプの利得帯域幅により、最大実用データレート800kbpsになります。

IC1とIC2の間を容量性カップリングにすることにより、IC1のオフセット電圧の増幅を解消します。最適の信号振幅と対称性を達成するため、R6/R11分圧器がIC2のリファレンス電圧を2.5Vに設定します。R12/R13分圧器は、コンパレータのリファレンスをやや高め(2.6V)に設定することによりシステムにノイズマージンを提供すると共に、｢無信号｣状態でコンパレータの出力がローに留まることを保証します。

容量性カップリングはDC信号を維持できませんが、信号のDC成分は図2に示すようにリファレンスレベルに向かって｢緩和｣していきます。 長時間信号がなかった後に現れる信号の場合に特に目立つこの効果は、R7C3の時定数によって直接影響を受けます。緩和効果を最小限に抑えるには、 R7C3をできるだけ大きくしてください。但し、R7は約10kΩに留めてください(これは、反転・入力ソース抵抗をマッチングさせることによってオフ セット電圧を最小限に抑えるためです)。コンパレータは、入力がリファレンスレベル以下の時はスイッチングできないため、緩和が大きすぎると1または0の 長いストリングの最後の方でデータが失われる恐れがあります(図3)。

ここでも、無信号出力をロジックローにするために、IC3リファレンスをIC2リファレンスよりも少し高くしてください(あるいはIC3リファレンスを低めに設定してください)。このΔV_REFはシステムノイズマージンを提供し、R12/R13分圧器を通じて調節できます。但し、ΔV_REFが低すぎると間違った出力遷移が生じ、高すぎると受信信号のタイミングが劣化することに注意してください。ΔV_REFは、間違った遷移が生じない範囲でできるだけ低くし、IC2およびIC3のオフセット電圧のための余裕を確保してください。

本システムは5V動作用に設計されていますが、3.3V、あるいは3Vでもデータレートがやや劣化するだけで動作可能です。電源電圧を低くするとフォトダイオードの内部容量が増加します(印加されたバイアス電圧に反比例)。そしてこの容量とR2がローパスポールを形成してフォトダイオードの周波数応答を制限します。これより影響は少なくなりますが、電源電圧が低いとアンプの利得帯域幅積が小さくなるために応答が制限されるということもあります。本回路は、 電源電圧の変化に対して僅か1箇所の調節で対応できるように設計されています。即ち、ΔV_REFは電源電圧と共に変化するため、R12/R13を必要に応じて調節し、望ましいノイズマージンを再び確立する必要があります。

同様の記事が｢Electronic Design｣誌の1997年10月1日号に掲載されました。