前置放大器的增益切换电路和方法.pdf

与放大将脉冲串状的光信号变换为电信号的受光元件(1)的输出电流并输出电压信号的前置放大器(2)的反馈电阻元件(2b)分别并联连接有电阻元件(6)和SW(9)的串联电路、电阻元件(7)和SW(10)的串联电路，切换前置放大器2的变换增益的增益切换电路(3)接收前置放大器(2)的输出，在特定位位置使SW(9)导通，接着，在发生了应使SW(10)导通的状况时，以SW(9)导通为条件，在另一特定位位置使SW(10)导通。

1.  一种前置放大器的增益切换电路，切换前置放大器的变换增益、所述前置放大器放大将脉冲串状的光信号变换为电信号的受光元件的输出电流，并输出电压信号，其反馈电阻元件分别并联连接有第1电阻元件和第1开关元件产生的串联电路以及第2电阻元件和第2开关元件产生的串联电路，其特征在于：
接收所述前置放大器的输出，在特定位位置使所述第1开关元件导通，接着，在发生了应使所述第2开关元件导通的状况时，以所述第1开关元件导通工作为条件，在另一特定位位置使所述第2开关元件导通。

2.  如权利要求1所述的前置放大器的增益切换电路，其特征在于：
所述前置放大器中，与所述反馈电阻元件并联连接有第3电阻元件和二极管产生的串联电路。

3.  如权利要求1所述的前置放大器的增益切换电路，其特征在于具有：
在所述前置放大器的输出电平超过第1基准电压时，在所述特定位位置产生第1门信号，接着，在所述另一特定位位置产生第2门信号的门信号产生部件；
所述前置放大器的输出电平超过比所述第1基准电压大的第2基准电压时，超过所述第2基准电压时的定时在所述第1门信号的产生定时段内时，使所述第1开关元件导通的第1操作部件；
所述前置放大器的输出电平超过比所述第2基准电压大的第3基准电压时，超过所述第3基准电压时的定时在所述第2门信号的产生定时段内，并且，使所述第1开关元件导通时，使所述第2开关元件导通的第2操作部件。

4.  如权利要求3所述的前置放大器的增益切换电路，其特征在于：
所述第1基准电压的设定考虑所述前置放大器的输出信号中出现的波形失真的程度，使其与所述第2基准电压之间具有较大的电压差。

5.  如权利要求1所述的前置放大器的增益切换电路，其特征在于具有：
在所述前置放大器的输出电平超过第1基准电压的期间内输出脉冲信号的第1电平检测电路；
在所述前置放大器的输出电平超过比所述第1基准电压大的第2基准电压的期间内输出脉冲信号的第2电平检测电路；
在所述前置放大器的输出电平超过比所述第2基准电压大的第3基准电压的期间内输出脉冲信号的第3电平检测电路；
分别生成将从外部输入的复位信号的下降沿开始至对应所述特定位位置的所述第1电平检测电路的输出脉冲信号的下降沿为止的期间作为脉冲宽度的第1门信号、以及将从所述第1门信号的下降沿开始至对应所述另一特定位位置的所述第1电平检测电路的输出脉冲信号的下降沿为止的期间作为脉冲宽度的第2门信号的门信号生成电路；
在所述第1门信号的脉冲宽度内输入所述第2电平检测电路的输出脉冲信号时，输出第1判断信号的第1判断电路；
在输入所述复位信号之前的期间内保持所述第1判断信号，使所述第1开关元件导通工作的第1保持电路；
在所述第2门信号的脉冲宽度内输入所述第3电平检测电路的输出脉冲信号时，输出第2判断信号的第2判断电路；
在输入所述复位信号之前的期间内保持所述第2判断信号的第2保持电路；
所述第1保持电路保持并输出所述第1判断信号时，所述第2保持电路保持并输出了所述第2判断信号时，根据所述第2保持电路的输出，使所述第2开关元件导通工作的第3判断电路。

6.  如权利要求5所述的前置放大器的增益切换电路，其特征在于：
所述第1基准电压的设定考虑所述前置放大器的输出信号中出现的波形失真的程度，使其与所述第2基准电压之间具有较大的电压差。

7.  如权利要求1所述的前置放大器的增益切换电路，其特征在于：
所述前置放大器的反馈电阻元件还分别并联连接有N个(N≥3)电阻元件和开关元件产生的串联电路，
所述增益切换电路接收所述前置放大器的输出，接着，在发生了应使第i个(3≤i≤N)的串联电路的开关元件导通的状况时，以所述第i个串联电路以前的所有串联电路的开关元件导通工作为条件，在相应的特定位位置使所述第i个串联电路的开关元件导通。

8.  一种前置放大器的增益切换方法，与放大将脉冲串状的光信号变换为电信号的受光元件的输出电流并输出电压信号的前置放大器的反馈电阻元件并联连接有第1电阻元件和第1开关元件产生的串联电路、以及第2电阻元件和第2开关元件产生的串联电路，使所述第1开关元件和所述第2开关元件截止或导通，切换所述前置放大器的变换增益，其特征在于具有：
接收所述前置放大器的输出，在特定位位置使所述第1开关元件导通，接着，在发生了应使所述第2开关元件导通的状况时，以所述第1开关元件导通工作为条件，在另一特定位位置使所述第2开关元件导通的工序。

9.  如权利要求8所述的前置放大器的增益切换方法，其特征在于具有：
在所述前置放大器的反馈电阻元件上还分别并联连接有N个(N≥3)电阻元件和开关元件产生的串联电路时，接收所述前置放大器的输出，接着，在发生了应使第i个(3≤i≤N)的串联电路的开关元件导通的状况时，以所述第i个串联电路以前的所有串联电路的开关元件导通工作为条件，在相应的特定位位置使所述第i个串联电路的开关元件导通的工序。

前置放大器的增益切换电路和方法
技术领域
本发明涉及光通信系统的光接收装置和光信号的测定仪、监视器等的光接收部中所用的前置放大器的增益切换电路和方法。
背景技术
在此，为了容易理解，以用于光通信系统的光接收装置的前置放大器的增益切换电路为例进行说明。作为光通信系统，已知的有例如ATM-PON(Asynchronous Transfer Mode-Passive Optical Network)。该ATM-PON是作为ITU-T建议的G.983而国际标准化的光通信系统，由于通过时分复用方式，可以实现用1台局侧装置与多个用户装置进行通信的点对多点传送，所以期待为可以大幅度降低传送成本的方式。
作为这种光通信系统的前置放大器的增益切换电路，已知的有以前例如在特开2000-315923号公报(脉冲串光接收电路)公开的电路。以下参考图4～图6说明概要。另外，图4是表示现有的前置放大器的增益切换电路的结构例的电路图。图5是说明动作的时序图。
图6是表示图4所示的前置放大器的增益切换电路的控制流程的图。
图4中，接收将光信号变换为电信号的受光元件1的输出(电流信号)a的前置放大器2由运算放大器2a和反馈电阻元件2b构成，是放大输入的电流信号并输出电信号的跨导倒数放大器(Transimpedance Amplifier：以下称为“TIA”)。
在TIA2的反馈电阻元件2b上分别并联连接有电阻元件5和二极管8的串联电路、电阻元件6和作为开关元件的MOS晶体管9的串联电路、电阻元件7和作为开关元件的MOS晶体管10的串联电路。
增益切换电路31具有识别电路11、12、触发器电路13、14，接收TIA2的输出(电压信号)，根据该输出电平，使MOS晶体管9、10ON(导通)·OFF(截止)，切换TIA2的反馈电阻值。
即，TIA2的输出(电压信号)b输入到识别电路11、12的正相输入端(+)。在识别电路11的反相输入端(-)输入基准电压V1，在识别电路12的反相输入端(-)输入基准电压V2。在此，V1＜V2。
识别电路11的输出端连接到触发器电路13的时钟输入端C，触发器电路13的数据输入端D连接到电源VH。从触发器电路13的数据输出端Q输出的信号d提供给MOS晶体管9的栅极，使MOS晶体管9为ON。其结果，电阻元件6与反馈电阻元件2b并联连接。
另外，识别电路12的输出端连接到触发器电路14的时钟输入端C，触发器电路14的数据输入端D连接到电源VH。从触发器电路14的数据输出端Q输出的信号e提供给MOS晶体管10的栅极，使MOS晶体管10为ON。其结果，电阻元件7与反馈电阻元件2b并联连接。
从外部向触发器电路13、14的0复位端R分别输入复位信号(RESET)c。由于复位信号(RESET)c在光脉冲串信号的输入之前输入，所以触发器电路13、14在各脉冲串信号的起始被初始化。从而，MOS晶体管9、10在各脉冲串信号的起始成为OFF(截止)动作状态。
下面，参考图5说明图4所示的现有的前置放大器的增益切换电路的动作。另外，为了方便说明，以二极管8不工作的状态为前提。
电阻元件图5(a)表示受光元件1的输出电流波形，即TIA2的输入电流波形。在此，示出以#1、#2、#3的顺序将光脉冲串信号输入到受光元件1的场合。另外，脉冲串#1、#2、#3分别是具有“1010”的位模式地数据信号，振幅以该顺序增加。
图5(b)表示TIA2的输出电压(Vout)b的波形和基准电压(V1、V2)的关系。对脉冲串#1的TIA2的输出电压(Vout)b是小于基准电压的电平。对脉冲串#2的TIA2的输出电压(Vout)b是大于基准电压V1、不大于基准电压V2的电平。对#3的TIA2的输出电压(Vout)b是大于基准电压V2的电平。
图5(c)是复位信号(RESET)c的波形。如图5(c)所示，在各脉冲串#1、#2、#3的起始输入复位信号(RESET)c。这样，触发器电路13、14在各脉冲串信号的起始成为初始化的状态。MOS晶体管9、10在各脉冲串信号的起始成为OFF(截止)工作状态。即，TIA2在各脉冲串信号的起始成为由反馈电阻元件2b确定的TIA2本来的变换增益。
图5(d)(e)是说明识别电路11、12以及触发器电路13、14的动作的波形图。图5(d)中，由于TIA2输出的脉冲串#1的振幅小于基准电压V1，所以识别电路11不工作，TIA2以本来的变换增益放大脉冲串#1。
识别电路11中，由于脉冲串#2的第1位的振幅超过基准电压V1，所以输出电平从“0”电平上升到“1”电平，保持到输入复位信号(RESET)c为止。从触发器电路13的数据输出端Q输出“1”电平的信号d，MOS晶体管9导通，电阻元件6与反馈电阻元件2b并联连接。其结果，在脉冲串#2中，TIA2的变换增益从本来的变换增益切换为由反馈电阻元件2b和电阻元件6的并联连接的反馈电阻值确定的较小的变换增益。
接着，识别电路11中，由于脉冲串#3的第1位的振幅超过了基准电压V1，所以输出电平从“0”电平上升到“1”电平。从触发器电路13的数据输出端Q输出“1”电平的信号d，MOS晶体管9导通，电阻元件7与反馈电阻元件2b并联连接。
同时，图5(e)中，识别电路12中，由于脉冲串#3的第1位的振幅超过了基准电压V2，所以输出电平从“0”电平上升到“1”电平。从触发器电路14的数据输出端Q输出“1”电平的信号e，MOS晶体管10导通，电阻元件7与反馈电阻元件2b并联连接。其结果，脉冲串#3中，TIA2的变换增益从本来的变换增益切换为由电阻元件2b和电阻元件6、7的并联连接的反馈电阻值确定的更小的变换增益。
图6所示的流程图汇总示出以上的动作。图6中，步骤S81中，在脉冲串信号的起始接收复位信号(RESET)。即，一输入复位信号(RESET)，触发器电路13、14就被复位，MOS晶体管9、10截止，TIA2返回到本来的变换增益。
该状态下，光脉冲串信号一输入到受光元件1，就用识别电路11、12检测TIA2的输出电平是否超过了各阈值(V1、V2)(步骤S82)。
TIA2的输出电平小于基准电压V1时(步骤S83；No)，增益切换电路31不使MOS晶体管9导通。TIA2的输出电平大于基准电压V1时(步骤S83；Yes)，增益切换电路31使MOS晶体管9导通，保持该ON工作状态(步骤S84)。
另外，在TIA2的输出电平小于基准电压V2时(步骤S85；No)，增益切换电路31不使MOS晶体管10导通。在TIA2的输出电平大于基准电压V2时(步骤S85；Yes)，增益切换电路31使MOS晶体管10导通，保持该ON工作状态(步骤S86)。
像这样，现有的前置放大器的增益切换电路中，TIA2的输出电平小于基准电压V1时，设定为TIA2本来的变换增益，在大于基准电压V1、小于基准电压V2时，只使MOS晶体管9导通，将电阻元件6与反馈电阻元件2b并联连接，超过基准电压V2时，使MOS晶体管9、10同时导通，将电阻元件6、7与反馈电阻元件2b并联连接，切换TIA2的变换增益。
但是，现有的前置放大器的增益切换电路中，如从图6所示的控制流程可知，由于是TIA的输出振幅超过基准电压时必须使MOS晶体管为ON的结构，所以在脉冲串信号波形有瞬变、振幅波动、信号下跌等各种波形失真时，有可能不一定在脉冲串信号的起始进行切换，而在脉冲串信号内的任意位位置进行增益切换，难以跟踪阈值。另外，还有可能因波形失真等而设定为与目的不同的变换增益。
以下，参考图4、图6～图8进行具体说明。另外，图7是说明图4所示的前置放大器的增益切换电路的误动作的时序图。图8是表示作为图4所示的前置放大器的TIA2的输入输出特性的图。
图7中，图7(a’)表示受光元件1的输出电流波形，即TIA2的输入电流波形。在此，示出光脉冲串信号以第1脉冲串、第2脉冲串的顺序输入到受光元件1的情况。另外，第1脉冲串、第2脉冲串分别是具有“1010”的位模式的数据信号，振幅以该顺序增加。各脉冲串中，在各“1”位的上升部分可以看到较大的瞬变等波形失真。
图7(b’)表示TIA2的输出电压(Vout)的波形和基准电压(V1、V2)的关系。对第1脉冲串的TIA2的输出波形中，虚线61所示的波形为目的信号波形，电平与基准电压V1大致相等。另一方面，实线62所示的波形为成为引起误动作的原因的波形，示出具有因瞬变和振幅波动等，随机超过和不超过基准电压V1的场合。
另外，对第2脉冲串的TIA2的输出波形中，虚线63所示的波形为目的信号波形，电平为大于基准电压V1、不大于基准电压V2。另一方面，实线64所示的波形为成为引起误动作的原因的波形，示出在第1位具有超过基准电压V2的较大的信号凹陷Td，之后的各位大幅度下跌到小于基准电压V1的状态。
图7(c’)是复位信号(RESET)的波形。如图7(c’)所示，复位信号(RESET)在第1脉冲串、第2脉冲串的各起始被输入。由此，触发器电路13、14在各脉冲串信号的起始成为初始化的状态。MOS晶体管9、10在各脉冲串信号的起始成为OFF(截止)工作状态。即，TIA2在各脉冲串信号的起始成为由反馈电阻元件2b确定的TIA2本来的变换增益。
图7(d’)(e’)是说明识别电路11、12以及触发器电路13、14的动作的波形图。图7(d’)中，若TIA2输出的第1脉冲串的信号波形为图7(b’)中的虚线61所示的目的信号波形，由于第1位的振幅超过基准电压V1，所以识别电路11可以在第1位位置正确识别，如虚线65所示，从第1位的时刻开始使MOS晶体管9导通。
但是，若TIA2输出的第1脉冲串的信号波形为图7(b’)中的实线62所示的波形，可能会出现不仅在第1位位置，而在之后的任意位位置超过基准电压V1的情况，并在脉冲串信号内的任意位位置使MOS晶体管9导通。例如，如实线66所示，从第5位位置开始使MOS晶体管导通，在脉冲串信号的途中进行变换增益的切换。
另外，图7(e’)中，若TIA2输出的第2脉冲串的信号波形为图7(b’)中的虚线63所示的目的信号波形，由于第1位的振幅仅超过基准电压V1、不超过基准电压V2，所以只有识别电路11工作，识别电路12不工作。这时，如虚线67所示，从第1位的时刻开始，MOS晶体管10维持截止，如图7(d’)所示，只有MOS晶体管9导通。
但是，若TIA2输出的第1脉冲串的信号波形为图7(b’)中的实线64所示的具有较大的信号下跌的波形时，由于在第1位位置超过基准电压V2，所以识别电路12也进行识别，如实线68所示，从第1位的时刻开始也使MOS晶体管10导通。即，这时，只将电阻元件6与反馈电阻元件2b并联连接的变换增益是目的增益，但会设定为与再将输出元件7也并联连接的目的不同的变换增益，输出振幅比目的振幅小。
下面，图8是利用与TIA2的输入输出特性的关系说明以上动作的图。图8中，特性71、72、73对应图5所示的动作。即，特性71是如脉冲串#1，TIA2以本来的变换增益动作时的输入输出特性。接着，脉冲串#2中，由于在作为超过基准电压V1的时刻的增益切换点A，MOS晶体管9导通，所以进行增益切换，成为特性72的输入输出特性。另外，脉冲串#3中，由于在作为超过基准电压V2的时刻的增益切换点B，MOS晶体管9、10导通，所以进行增益切换，成为特性73的输入输出特性。
与此不同，图7所示的动作中，第1脉冲串的电平为与基准电压V1相同，即接近增益切换点的电平。因此，因波形的瞬变和振幅的波动等而出现，不仅在第1位位置，在之后的任意位位置超过基准电压V1的情况，在脉冲串信号内的任意位位置使MOS晶体管9导通。
另外，第2脉冲串中，因第1位波形的瞬变等而错误超过基准电压V2时，在第1位位置使MOS晶体管9、10导通。从而，增益切换点B向小振幅侧的增益切换点B’移动，特性73成为从小振幅侧的增益切换点B’开始的特性74，所以输出振幅成为比目的振幅还小得多的振幅。
发明内容
从而，本发明的目的在于提供只在脉冲串信号的特定位位置实施增益切换，可以切换为对应各脉冲串信号的电平的适当的变换增益的前置放大器的增益切换电路和方法。
本发明的前置放大器的增益切换电路是放大将脉冲串状的光信号变换为电信号的受光元件的输出电流，并输出电压信号的前置放大器中，切换与反馈电阻元件分别并联连接有第1电阻元件和第1开关元件的串联电路以及第2电阻元件和第2开关元件的串联电路的前置放大器的变换增益的增益切换电路，其特征在于，接收上述前置放大器的输出，在特定位位置使上述第1开关元件导通，接着，在发生了应使上述第2开关元件导通的状况时，以上述第1开关元件导通为条件，在另一特定位位置使上述第2开关元件导通。
根据该发明，增益切换电路接收与反馈电阻元件分别并联连接有第1电阻元件和第1开关元件的串联电路以及第2电阻元件和第2开关元件的串联电路、放大将脉冲串状的光信号变换为电信号的受光元件的输出电流并输出电压信号的前置放大器的输出，在特定位位置使上述第1开关元件导通，接着，在发生了应使上述第2开关元件导通的状况时，以上述第1开关元件导通为条件，在另一特定位位置使上述第2开关元件导通。
下一发明的前置放大器的增益切换电路的特征在于：在上述发明中，与上述前置放大器的上述反馈电阻元件并联连接有第3电阻元件和二极管的串联电路。
根据该发明，在上述发明中，与上述前置放大器的上述反馈电阻元件并联连接有第3电阻元件和二极管的串联电路。
下一发明的前置放大器的增益切换电路的特征在于：在上述发明中，上述增益切换电路具有：在上述前置放大器的输出电平超过第1基准电压时，在上述特定位位置产生第1门信号，接着，在上述另一特定位产生第2门信号的门信号产生部件；上述前置放大器的输出电平超过比上述第1基准电压大的第2基准电压时，超过上述第2基准电压时的时间在上述第1门信号的产生时间段内时，使上述第1开关元件导通的第1操作部件；上述前置放大器的输出电平超过比上述第2基准电压大的第3基准电压时，超过上述第3基准电压时的时间在上述第2门信号的产生时间段内，并且，使上述第1开关元件导通时，使上述第2开关元件导通的第2操作部件。
根据该发明，在上述发明中，增益切换电路在上述前置放大器的输出电平超过第1基准电压时，首先用门信号产生部件在特定位位置产生第1门信号，接着，在上述另一特定位位置产生第2门信号。其结果，在上述前置放大器的输出电平超过比上述第1基准电压大的第2基准电压时，且超过上述第2基准电压时的时间在上述第1门信号的产生时间段内时，利用第1操作部件使上述第1开关元件导通。另外，在上述前置放大器的输出电平超过比上述第2基准电压大的第3基准电压时，超过上述第3基准电压时的时间在上述第2门信号的产生时间段内，并且上述第1开关元件导通时，利用第2操作部件使上述第2开关元件导通。
下一发明的前置放大器的增益切换电路的特征在于：在上述发明中，上述增益切换电路具有：在上述前置放大器的输出电平超过第1基准电压的期间内输出脉冲信号的第1电平检测电路；在上述前置放大器的输出电平超过比上述第1基准电压大的第2基准电压的期间内输出脉冲信号的第2电平检测电路；在上述前置放大器的输出电平超过比上述第2基准电压大的第3基准电压的期间内输出脉冲信号的第3电平检测电路；分别生成将从外部输入的复位信号的下降沿开始至对应上述特定位位置的上述第1电平检测电路的输出脉冲信号的下降沿为止的期间作为脉冲宽度的第1门信号、将从上述第1门信号的下降沿开始至对应上述另一特定位位置的上述第1电平检测电路的输出脉冲信号的下降沿为止的期间作为脉冲宽度的第2门信号的门信号生成电路；在上述第1门信号的脉冲宽度内输入上述第2电平检测电路的输出脉冲信号时，输出第1判断信号的第1判断电路；在输入上述复位信号之前的期间内保持上述第1判断信号，使上述第1开关元件导通的第1保持电路；在上述第2门信号的脉冲宽度内输入上述第3电平检测电路的输出脉冲信号时，输出第2判断信号的第2判断电路；在输入上述复位信号之前的期间内保持上述第2判断信号的第2保持电路；在上述第1保持电路保持并输出上述第1判断信号的情况下，当上述第2保持电路保持并输出了上述第2判断信号时，根据上述第2保持电路的输出，使上述第2开关元件导通的第3判断电路。
根据该发明，在上述发明中，前置放大器的输出分别输入到第1～第3的电平检测电路。第1电平检测电路中，在前置放大器的输出电平超过第1基准电平的期间内输出脉冲信号时，门信号生成电路分别生成将从外部输入的复位信号的下降沿开始至对应上述特定位位置的上述第1电平检测电路的输出脉冲信号的下降沿为止的期间作为脉冲宽度的第1门信号、将从上述第1门信号的下降沿开始至对应另一特定位位置的第1电平检测电路的输出脉冲信号的下降沿为止的期间作为脉冲宽度的第2门信号。在第2电平检测电路中，在前置放大器的输出电平超过比上述第1基准电压大的第2基准电压的期间内输出脉冲信号时，第1判断电路在上述第1门信号的脉冲宽度内输入第2电平检测电路的输出脉冲信号时，输出第1判断信号。其结果，第1保持电路在输入上述复位信号之前的期间内保持该第1判断信号，第1开关元件导通，在由第1门信号规定的特定位位置实施前置放大器的变换增益切换。另外，第3电平检测电路中，在前置放大器的输出电平超过比上述第2基准电压大的第3基准电压的期间内输出脉冲信号时，第2判断电路在上述第2门信号的脉冲宽度内输入第3电平检测电路的输出脉冲信号时，输出第2判断信号，第2保持电路在输入上述复位信号之前的期间内保持该第2判断信号。第3判断电路在上述第1保持电路保持输出上述第1判断信号时，上述第2保持电路保持输出上述第2判断信号时，根据上述第2保持电路的输出，使第2开关元件导通。其结果，在由第2门信号规定的特定位位置切换到第1开关元件和第1开关元件同时导通工作的新的变换增益。
下一发明的前置放大器的增益切换电路的特征在于：在上述发明中，上述第1基准电压的设定考虑上述前置放大器的输出信号中出现的波形失真的程度，使其与上述第2基准电压之间具有较大的电压差。
根据该发明，在上述发明中，第1基准电压的设定考虑前置放大器的输出信号中出现的波形失真的程度，使其与第2基准电压之间具有较大的电压差。
下一发明的前置放大器的增益切换电路的特征在于：在上述发明中，上述前置放大器的反馈电阻元件还分别并联连接有N个(N≥3)电阻元件和开关元件的串联电路，上述增益切换电路接收上述前置放大器的输出，接着，在发生了应使第i个(3≤i≤N)串联电路的开关元件导通的状况时，以上述第i个串联电路以前的所有串联电路的开关元件导通工作为条件，在相应的特定位位置使上述第i个串联电路的开关元件导通。
根据该发明，在上述发明中，在前置放大器的反馈电阻元件还分别连接有N个(N≥3)电阻元件和开关元件的串联电路时，增益切换电路接收前置放大器的输出，接着，在发生了应使第i个(3≤i≤N)的串联电路的开关元件导通的状况时，以上述第i个串联电路以前的所有串联电路的开关元件导通操作为条件，在相应的特定位位置上述第i个串联电路的开关元件导通。
下一发明的前置放大器的增益切换方法是与放大将脉冲串状的光信号变换为电信号的受光元件的输出电流，并输出电压信号的前置放大器的反馈电阻元件并联连接有第1电阻元件和第1开关元件的串联电路、第2电阻元件和第2开关元件的串联电路，使上述第1开关元件和上述第2开关元件导通或截止，切换上述前置放大器的变换增益的增益切换方法，其特征在于，包含接收上述前置放大器的输出，在特定位位置使上述第1开关元件导通，接着，在发生了应使上述第2开关元件导通的状况时，以上述第1开关元件导通工作为条件，在另一特定位位置使上述第2开关元件导通的工序。
根据该发明，与反馈电阻元件并联连接有第1电阻元件和第1开关元件的串联电路、第2电阻元件和第2开关元件的串联电路，接收放大将脉冲串状的光信号变换为电信号的受光元件的输出电流，并输出电压信号的前置放大器的输出，上述第1开关元件在特定位位置导通操作，接着，在发生了应使上述第2开关元件导通的状况时，以上述第1开关元件导通工作为条件，在另一特定位位置使上述第2开关元件导通。
下一发明的前置放大器的增益切换方法的特征在于：在上述发明中，包含在上述前置放大器的反馈电阻元件还分别并联连接有N个(N≥3)电阻元件和开关元件的串联电路时，接收上述前置放大器的输出，接着，在发生了应使第i个(3≤i≤N)的串联电路的开关元件导通的状况时，以上述第i个串联电路以前的所有串联电路的开关元件导通工作为条件，在相应的特定位位置使上述第i个串联电路的开关元件导通的工序。
根据该发明，在上述发明中，在前置放大器的反馈电阻元件还分别并联连接有N个(N≥3)电阻元件和开关元件的串联电路时，接收前置放大器的输出，接着，在发生了应使第i个(3≤i≤N)的串联电路的开关元件导通的状况时，以上述第i个串联电路以前的所有串联电路的开关元件导通工作为条件，在相应的特定位位置使上述第i个串联电路的开关元件导通。
附图说明
图1是表示本发明的一实施例的前置放大器的增益切换电路的结构的电路图。
图2是说明图1所示的前置放大器的增益切换电路的动作例的时序图。
图3是表示图1所示的前置放大器的增益切换电路的控制流程的图。
图4是表示现有的前置放大器的增益切换电路的结构例的电路图。
图5是说明图4所示的前置放大器的增益切换电路的动作的时序图。
图6是表示图4所示的前置放大器的增益切换电路的控制流程的图。
图7是说明图4所示的前置放大器的增益切换电路的误动作的时序图。
图8是表示图4所示的前置放大器的输入输出特性的图。
具体实施方式
以下，参考附图详细说明本发明的前置放大器的增益切换电路和方法的最佳实施例。
图1是表示本发明的一实施例的前置放大器的增益切换电路的结构的电路图。图1中，接收将光信号变换为电信号的受光元件1的输出(电流信号)A的前置放大器2是由运算放大器2a和反馈电阻元件2b构成，是放大输入的电流信号，并输出电压信号的跨导倒数放大器(TIA)。在TIA2的反馈电阻元件2b分别并联连接有电阻元件5和二极管8的串联电路、电阻元件6和作为开关元件的MOS晶体管9(以下，称为“SW9”)的串联电路、电阻元件7和作为开关元件的MOS晶体管10(以下，称为“SW10”)的串联电路。以上与图4所示的结构相同。
另外，有时不设置电阻元件5和二极管8的串联电路。若考虑电阻元件5和二极管8的串联电路，SW9、10在OFF动作状态时的TIA2的变换增益成为由反馈电阻元件2b的值确定的增益、或由反馈电阻元件2b和电阻元件5的并联电阻值确定的增益。在此，为了容易说明，忽视电阻元件5和二极管8的串联电路，假设由反馈电阻元件2b的值确定的增益是TIA2本来的变换增益。
该实施例的增益切换电路3具有电平检测电路15、16、17、门生成电路18、判断电路19、20、21、电平保持电路22、23，在脉冲串信号的位位置实施增益切换，接着，在发生了不同的增益切换原因时，不单独进行切换动作，而是以必需进行了1个前面的增益切换动作为条件，在另一特定位位置实施增益切换，可以切换为对应各脉冲串信号的电平的适当的变换增益。
在此，作为其一例，示出在各脉冲串信号的位模式为“1010”时，在第1位位置实施增益切换，之后，在第3位位置发生了增益切换原因时，不单独进行切换动作，而是以必需在第1位位置进行了增益切换动作为条件，在第3位位置实施增益切换时的结构例。
即，TIA2的输出(电压信号)B输入到电平检测电路15、16、17的一输入端。在电平检测电路15的另一输入端输入作为第1基准电压的基准电压V0。在电平检测电路16的另一输入端输入作为第2基准电压的基准电压V1。在电平检测电路17的另一输入端输入作为第3基准电压的基准电压V2。在此，V0＜V1＜V2。
电平检测电路15的输出D输入到门生成电路18，门生成电路18的输出E(第1门信号)、H(第2门信号)分别输入到判断电路19、20的一输入端。电平检测电路16的输出F输入到判断电路19的另一输入端，电平检测电路17的输出I输入到判断电路20的另一输入端。
判断电路19的输出输入到电平保持电路22，电平保持电路22的输出G成为SW9的控制信号，同时输入到判断电路21的一输入端。
判断电路20的输出输入到电平保持电路23，电平保持电路23的输出输入到判断电路21的另一输入端。判断电路21的输出J成为SW10的控制信号。
另外，在门生成电路18和电平保持电路22、23从外部分别输入复位信号(RESET)C。由于在输入光脉冲串信号之前输入复位信号(RESET)C，所以门生成电路18和电平保持电路22、23在各脉冲串信号的起始被初始化。从而，SW9、10在各脉冲串信号的起始成为OFF(截止)动作状态。
下面，参考图1～图3说明该实施例的前置放大器的增益切换电路的动作。另外，图2是说明图1所示的前置放大器的增益切换电路的动作例的时序图。图3是表示图1所示的前置放大器的增益切换电路的控制流程的图。
首先，参考图1、图2说明一例增益切换电路的动作。图2中，为了容易理解，示出与图5所示的形式相同的脉冲串信号的动作例。
即，图2(A)表示受光元件1的输出电流波形，即TIA2的输入电流波形，示出光脉冲串信号以脉冲串#1、#2、#3的顺序输入到受光元件1的情况。另外，脉冲串#1、#2、#3分别是具有“1010”位模式的数据信号，振幅以该顺序增加。
图2(B)示出TIA2的输出电压(Vout)B的波形和基准电压(V0、V1、V2)的关系。对脉冲串#1的TIA2的输出电压(Vout)B是小于基准电压V0的电平。对脉冲串#2的TIA2的输出电压(Vout)B是超过基准电压V1、不超过基准电压V2的电平。对脉冲串#3的TIA2的输出电压(Vout)B是超过基准电压V2的电平。
图2(C)是复位信号(RESET)C的波形。如图2(C)所示，复位信号(RESET)C在脉冲串#1、#2、#3的各起始输入。这样，门生成电路18和电平保持电路22、23在各脉冲串信号的起始成为被初始化的状态。另外，SW9、10在各脉冲串信号的起始成为OFF(截止)动作状态。即，TIA2在各脉冲串信号的起始成为由反馈电阻元件2b确定的TIA2本来的变换增益。
图2(D)是表示电平检测电路15的动作的波形图。由于脉冲串#1小于基准电压V0，所以电平检测电路15的输出D为“0”电平。由于脉冲串#2、#3超过基准电压V0，所以电平检测电路15的输出D成为对应脉冲串信号的各位交互重复“1”电平和“0”电平的波形。
图2(E)是表示门生成电路18产生第1门信号E的动作的波形图。脉冲串#1中，在脉冲串#1之前，响应复位信号(RESET)C的上升沿而被初始化，响应其复位信号(RESET)C的下降沿而使输出成为“1”电平。由于电平检测电路15的输出D为“0”电平，所以门生成电路18将该“1”电平的输出维持至在下一脉冲串#2之前输入复位信号(RESET)C为止，一旦输入就被初始化，使输出成为“0”电平。
另外，在脉冲串#2之前，响应复位信号(RESET)C的下降沿，使输出E成为“1”电平。这次，由于电平检测电路15的输出成为“1”电平和“0”电平交互重复的波形，所以电平检测电路15的输出最初成为“1”电平，在下降到“0”电平位置的期间内，门生成电路18将输出E维持在“1”电平。对于脉冲串#3也进行相同的动作。
在此，电平检测电路15的输出最初成为“1”电平的位置是第1位位置。即，门生成电路18在电平检测电路15检测出超过基准电压V0的脉冲串信号的状况下，像这样，产生将从复位信号(RESET)C的下降沿开始到第1位的终端为止作为脉冲宽度的第1门信号E。该第1门信号E提供给判断电路19。
图2(H)是表示门生成电路18在第1门信号E生成后产生第2门信号H的动作的波形图。如图2(H)所示，门生成电路18中，从第1门信号E的下降沿开始，电平检测电路15的输出第2次成为“1”电平，在下降到“0”电平为止的期间内，将输出H维持在“1”电平。电平检测电路15的输出第2次成为“1”电平的位置是第3位位置。即，门生成电路18产生将从第1门信号E的下降沿开始到第3位的终端为止作为脉冲宽度的第2门信号H。该第2门信号H提供给判断电路20。
图2(F)是表示电平检测电路16的动作的波形图。由于脉冲串#1小于基准电压V0，所以电平检测电路16的输出成为“0”电平。脉冲串#2中，由于第1位超过基准电压V1，所以将在该第1位的时间超过基准电压V1的时间段作为脉冲宽度的检测脉冲信号F输出到判断电路19。
另外，脉冲串#3中，由于第1位和第3位超过基准电压V1，所以将在该第1位和第3位的时间超过基准电压V1的时间段作为脉冲宽度的检测脉冲信号F输出到判断电路19。
图2(G)是表示判断电路19和电平保持电路22的动作的波形图。由于脉冲串#1小于基准电压V0，所以判断电路19没有输入。对于脉冲串#1，TIA2以本来的变换增益进行放大动作。
与此不同，脉冲串#2中，在判断电路19输入第1门信号E和检测脉冲信号F。判断电路19中，仅在第1门信号E的时间段内输入了检测脉冲信号F的场合，将SW控制信号输出到电平保持电路22。电平保持电路22将输入的SW控制信号作为SW操作信号G提供给SW9的栅极，同时也输出到判断电路21，保持到输入复位信号(RESET)C为止，使SW9继续导通。TIA2中，对于脉冲串#2，在第1位从本来的变换增益切换到由反馈电阻元件2b和电阻元件6的并联电阻值确定的较小的变换增益。
脉冲串#3中也同样，判断电路19和电平保持电路22工作，使SW9继续导通，但由于脉冲串#3的第3位超过基准电压V2，所以并行进行图2(I)(J)所示的动作。
图2(I)是表示电平检测电路17的动作的波形图。由于脉冲串#1和脉冲串#2小于基准电压V2，所以电平检测电路17的输出成为“0”电平。
与此不同，脉冲串#3中，由于第1位和第3位超过基准电压V2，所以将在该第1位和第3位的时间超过基准电压V2的时间段作为脉冲宽度的检测脉冲信号I输出到判断电路20。
图2(J)是表示判断电路20、电平保持电路23和判断电路21的动作的波形图。判断电路20中，仅在第2门信号H的时间段内输入检测脉冲信号I的场合，将SW控制信号输出到电平保持电路23。即，在第1位位置产生的检测脉冲信号I由于不在第2门信号H的时间段内，所以视为无效，在第3位位置产生的检测脉冲信号I由于在第2门信号H的时间段内，所以有效。
电平保持电路23将输入的SW控制信号输出到判断电路21，保持至输入复位信号(RESET)C为止。判断电路21在从电平保持电路23输入SW控制信号时，SW操作信号G保持在“1”电平时，将从电平保持电路23输入的SW控制信号作为SW操作信号J提供给SW10的栅极。
其结果，TIA2中，对于脉冲串#3，在第1位位置从本来的变换增益切换为由反馈电阻元件2b和电阻元件6的并联电阻值确定的较小的变换增益，之后，在第3位位置切换到进一步并联连接电阻元件7的更小的变换增益。
在此，根据以上动作说明，考虑对图7所示的第1脉冲串或第2脉冲串的该实施形态的动作。对于第1脉冲串，若在第1位超过基准电压V1，则由于利用第1门信号E可以可靠捕捉，所以从第1位位置开始进行TIA2的增益切换。另一方面，即使在第1位以后超过基准电压V1，也由于不产生第1门信号E，所以不在第1脉冲串的途中进行TIA2的增益切换。
另外，对于第2脉冲串，在是实线64所示的波形的信号时，由于在第1位位置超过基准电压V1和基准电压V2，所以产生检测脉冲信号F和检测脉冲信号I，但由于仅产生第1门信号E，不产生第2门信号，所以从第1位位置开始只进行SW9的TIA2的增益切换，不会错误使SW10也导通。
该实施例中，脉冲串信号波形如图7所示，考虑瞬变、振幅波动、信号下跌等各种失真，使基准电压V0和基准电压V1的间隔较大。这样，即使在信号波形有失真的场合，到达一定程度的电平之前不使用SW9实施增益切换。即，不会频繁进行地不必要的增益切换。
下面，沿着图3，参考图1说明一般动作。另外，图3中，SW1代表SW9，SW2代表SW10。S1中，在脉冲串信号的起始接收复位信号(RESET)。即，一输入复位信号(RESET)，门生成电路18和电平保持电路22、23就被复位，SW1、SW2成为OFF状态，TIA2返回到本来的变换增益。
在该状态下，光脉冲串信号输入到受光元件1时，用电平检测电路15、16、17检测TIA2的输出电平是否超过了各阈值(V0、V1、V2)(步骤S2)。在没有超过基准电压V0(步骤S3：No)或超过基准电压V1(步骤S4：No)、没有超过基准电压V2时(步骤S5：No)时，对SW1、SW2不进行控制。
在超过基准电压V0(步骤S3：Yes)时，生成将从复位信号(RESET)的下降沿开始到第1位位置的终端为止作为脉冲宽度的第1门信号(步骤S31)，并且生成将从第1门信号的下降沿开始到第3位位置的终端为止作为脉冲宽度的第2门信号(步骤S32)。
在超过基准电压V1时(步骤S4：Yes)时，判断该超过的时间是否与在步骤S31生成的第1门信号的时间一致(步骤S41)。在一致时(步骤S41；Yes)，使SW导通，保持该状态(步骤S42)。另一方面，在不一致时(步骤S41；No)，不使SW1导通，结束控制动作。
由此，仅在特定位位置(第1位位置)进行增益切换，防止在脉冲串信号内的任意位位置进行增益切换。
在超过基准电压V2时(步骤S5：Yes)，判断该超过的时间是否与在步骤S32生成的第2门信号的时间一致(步骤S51)。在不一致时(步骤S51；No)，不使SW2导通，结束控制动作，但一致时(步骤S51；Yes)，判断在步骤S42中SW1是否成为ON动作状态(步骤S52)，在SW1成为ON动作状态时(步骤S52；Yes)时，在另一特定位位置(第3位位置)使SW2导通，保持该状态(步骤S53)。另一方面，在SW1没有成为ON动作状态时(步骤S52；No)，不使SW2导通，结束控制动作。
这样，在先行的应操作SW1的特定位位置(第1位位置)进行了SW1操作，但在本来还应操作SW2时，在另一特定位位置(第3位位置)可靠操作SW1和SW2的双方，可以设定为适当的变换增益。
另外，在先行的应操作SW1的特定位位置(第1位位置)没有进行SW1操作时，由于即使产生了应操作SW2的原因也不进行SW2的操作，所以防止设定为错误的变换增益。
TIA中，利用与反馈电阻元件并联设置的SW1和SW2按每一个接收脉冲串切换了反馈电阻值时，若因切换而减小反馈电阻值，则由于高频截止频率变大，所以相位裕度变小，电路容易振荡。周知可以采用与SW1和SW2的操作并行减少TIA的开环增益的方法来避免该问题。当然操作上述的SW1和SW2的控制信号同时成为减少TIA的开环增益的控制信号。
另外，在设置了电阻元件5和二极管8的串联电路的情况下，当然可以顺畅进行上述的动作。另外，说明了脉冲串信号的位模式为“1010”的形式，但只要是“1”之后跟随“0”的模式，都可以适用本发明。例如，可以是“110110”、“11001100”或“11101110”等位模式。另外，为了说明方便，示出了输入的各脉冲串信号的振幅依次增大的场合，但当然即使是振幅不变，也可以同样动作。
另外，该实施例中，作为特定位位置，举出了第1位位置和第3位位置的例子，但也可以根据采用的上述位模式或脉冲串信号的特性等确定。另外，说明了适用于光通信系统的光接收装置的前置放大器，但当然也可以同样适用于光信号的测定仪、监视器等光接收部所用的前置放大器。
另外，该实施例中，说明了有2个开关元件的场合，但本发明不限于此，开关元件和电阻元件的串联电路也可以是1个，也可以设置3个以上的任意个数。即，设置3以上的任意个数时的增益切换电路3对于第3个以后的串联电路的开关元件，产生了应使第i个(3≤i≤N)的串联电路的开关元件导通的状况时，以上述第i个串联电路以前的所有串联电路的开关元件导通为条件，在相应的特定位位置使上述第i个串联电路的开关元件导通即可。
如上所述，根据该发明，增益切换电路中，接收反馈电阻元件分别并联连接有第1电阻元件和第1开关元件的串联电路、第2电阻元件和第2开关元件的串联电路，放大将脉冲串状的光信号变换为电信号的受光元件的输出电流，并输出电压信号的前置放大器的输出，在特定位位置使上述第1开关元件导通，接着，在发生了应使上述第2开关元件导通的状况时，以上述第1开关元件导通为条件，在另一特定位位置使上述第2开关元件导通。从而，可以在脉冲串信号的特定位位置可靠实施变换增益的切换，可以可靠防止在脉冲串信号内的任意位位置进行变换增益切换。另外，在发生了应使第2开关元件导通的状况时，由于以使先行工作的第1开关元件工作为条件，使第2开关元件导通，所以不仅可以设定为适当的变换增益，而且还可以防止设定为错误的变换增益。
根据下一发明，上述发明中，上述前置放大器中，上述反馈电阻元件进而并联连接有第3电阻元件和二极管的串联电路。从而，根据前置放大器的输入振幅的大小自动实施变换增益的切换。
根据下一发明，上述发明中，增益切换电路中，上述前置放大器的输出电平超过第1基准电压时，首先用门信号产生部件在特定位位置产生第1门信号，接着，在上述另一特定位位置产生第2门信号。其结果，在上述前置放大器的输出电平超过比上述第1基准电压大的第2基准电压时，超过上述第2基准电压时的时间在上述第1门信号的产生时间段内时，第1操作部件使上述第1开关元件导通。另外，在上述前置放大器的输出电平超过比上述第2基准电压大的第3基准电压时，超过上述第3基准电压时的时间在上述第2门信号的产生时间段内，并且使上述第1开关元件导通时，第2操作部件使上述第2开关元件导通。从而，可以在由第1门信号规定的特定位位置可靠实施变换增益的切换，可以可靠防止在脉冲串信号内的任意位位置进行变换增益的切换。另外，在发生了应使第2开关元件导通的状况时，由于以使先行工作的第1开关元件工作为条件，在由第2门信号规定特定位位置使第2开关元件导通，所以不仅可以设定为适当的变换增益，而且还可以防止设定为错误的变换增益。
根据下一发明，上述发明中，前置放大器的输出分别输入到第1～第3电平检测电路。第1电平检测电路中，在前置放大器的输出电平超过第1基准电平的期间内输出脉冲信号时，门信号生成电路分别生成将从外部输入的复位信号的下降沿开始至对应上述特定位位置的上述第1电平检测电路的输出脉冲信号的下降沿为止的期间作为脉冲宽度的第1门信号以及将从上述第1门信号的下降沿开始至对应另一特定位位置的第1电平检测电路的输出脉冲信号的下降沿为止的期间作为脉冲宽度的第2门信号。在第2电平检测电路，在前置放大器的输出电平超过比上述第1基准电压大的第2基准电压的期间内输出脉冲信号时，第1判断电路1在上述第1门信号的脉冲宽度内输入第2电平检测电路的输出脉冲信号时，输出第1判断信号。其结果，第1保持电路在输入上述复位信号之前的期间内保持该第1判断信号，第1开关元件导通工作，在由第1门信号规定的特定位位置实施前置放大器的变换增益切换。另外，第3电平检测电路中，在前置放大器的输出电平超过比上述第2基准电压大的第3基准电压的期间内输出脉冲信号时，第2判断电路在上述第2门信号的脉冲宽度内输入第3电平检测电路的输出脉冲信号时，输出第2判断信号，第2保持电路在输入上述复位信号之前的期间内保持该第2判断信号。第3判断电路在上述第1保持电路保持输出了上述第1判断信号时，上述第2保持电路保持输出了上述第2判断信号时，根据上述第2保持电路的输出，使第2开关元件导通工作。其结果，在由第2门信号规定的特定位位置切换到第1开关元件和第2开关元件同时导通工作的新的变换增益。
根据下一发明，上述发明中，第1基准电压的设定考虑前置放大器的输出信号中出现的波形失真的程度，使其与上述第2基准电压之间具有较大的电压差。其结果，可以防止频繁进行不必要的变换增益切换。
根据下一发明，上述发明中，在前置放大器的反馈电阻元件还分别并联连接有N个(N≥3)电阻元件和开关元件的串联电路时，增益切换电路接收前置放大器的输出，接着，在发生了应使第i个(3≤i≤N)串联电路的开关元件导通的状况时，以上述第i个串联电路以前的所有串联电路的开关元件导通工作为条件，在相应的特定位位置使上述第i个串联电路的开关元件导通。其结果，可以进一步可靠控制变换增益的切换。
根据下一发明，接收反馈电阻元件分别并联连接有第1电阻元件和第1开关元件的串联电路、第2电阻元件和第2开关元件的串联电路，放大将脉冲串状的光信号变换为电信号的受光元件的输出电流，并输出电压信号的前置放大器的输出，在特定位位置使上述第1开关元件导通，接着，在发生了应使上述第2开关元件的状况导通时，以上述第1开关元件导通工作为条件，在另一特定位位置使上述第2开关元件导通。从而，可以在脉冲串信号的特定位位置可靠实施变换增益的切换，可以可靠防止在脉冲串信号内的任意位位置进行变换增益切换。另外，在发生了应使第2开关元件的状况导通时，由于以使先行工作的第1开关元件工作为条件，在由第2门信号规定的特定位位置使第2开关元件导通，所以不仅可以设定为适当的变换增益，而且还可以防止设定为错误的变换增益。
根据下一发明，上述发明中，在前置放大器的反馈电阻元件还分别连接有N个(N≥3)电阻元件和开关元件的串联电路时，接收前置放大器的输出，接着，在发生了应使第i个(3≤i≤N)串联电路的开关元件导通的状况时，以上述第i个串联电路以前的所有串联电路的开关元件导通工作为条件，在相应的特定位位置使上述第i个串联电路的开关元件导通。从而，可以进一步可靠控制变换增益的切换。
如上所述，本发明的前置放大器的增益切换电路和方法适用于光通信系统的光接收装置或光信号的测定仪、监视器等的光接收部所用的前置放大器。