CN102637996B - 对称直接耦合激光器驱动器 - Google Patents

Abstract

用于高频应用的对称直接耦合激光器驱动器。该激光器驱动器采用集成电路的形式并且使用最少的相对小（低值）的外部部件用于驱动通过传输线耦合到激光器驱动器的激光二极管。可以使用可选的放大器来固定在数据频谱的内部节点处的电压以改善电路性能。还可以使用对偏置输入的反馈来固定在内部节点的电压。可以包括可编程序性和脉冲串模式能力。

Description

对称直接耦合激光器驱动器

相关申请的交叉引用

该申请要求于2011年2月8日提交的美国临时专利申请No. 61/440,539的权益。

技术领域

本发明涉及激光器驱动器领域，更具体地说，涉及用于高频应用的激光器驱动器。

背景技术

激光器驱动器是现有技术中众所周知的。然而，在增加的频率、较低的电压和较高的效率下的电流操作要求超过了电流设计的性能。代表性的现有技术激光器驱动器设计可以在美国专利No. 7,181,100和No. 7,457,336、美国公开申请No. 2009/0268767和No.2009/0201052中找到。在数据手册MAX3656和MAX3946（Maxim Integrated Products,Inc.，美信集成产品公司）、ONET4201LD（Texas Instruments，德州仪器）和ADN2526（AnalogDevices，模拟器件）中描述了目前市场上的一些产品。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供一种激光二极管驱动器，包括：

电源连接、激光二极管阳极连接、激光二极管阴极连接、第一偏置连接和电路地连接；

耦合在电源连接和激光二极管阳极连接之间的第一电阻器；

耦合在激光二极管阴极连接和偏置连接之间的第二电阻器；

耦合在第一偏置连接和电路地连接之间的电流源；

第一和第二晶体管，每一个具有第一、第二和第三端子，其中第一端子和第二端子之间的电压控制第三和第一端子之间的传导，第一和第二晶体管使它们的第一端子耦合在一起并且耦合到电路地连接，第一晶体管的第三端子耦合到激光二极管阳极连接，第一和第二晶体管的第二端子响应于差分数据输入耦合到第一差分电压源以便根据由差分数据输入所限定的来可控制地接通第一和第二晶体管中的任一个作为第一差分电流源的电流源并且关断第一和第二晶体管中的另一个；

第二晶体管使它的第三端子耦合到激光二极管阴极连接。

根据本发明的另一个实施例，提供一种激光二极管驱动器，包括：

电源连接，激光二极管阳极连接，激光二极管阴极连接、偏置连接和电路地连接；

耦合在电源连接和激光二极管阳极连接之间的第一电阻器；

耦合在激光二极管阴极连接和偏置连接之间的第二电阻器；

耦合在偏置连接和电路地连接之间的电流源；

第一和第二晶体管，每一个具有第一、第二和第三端子，其中第一和第二端子之间的电压控制第三和第一端子之间的传导，第一和第二晶体管使它们的第二端子被耦合以响应于差分数据输入来根据由差分脉冲串启用输入所限定的来可控制地接通第一和第二晶体管中的任一个作为第一差分电流源的电流源并且关断第一和第二晶体管中的另一个；

第一晶体管使其第三端子到阳极连接并且第二晶体管使其第三端子耦合到激光二极管阳极连接。

附图说明

图1是本发明的实施例的简化电路图。

图2是本发明的另一实施例的简化电路图。

具体实施方式

参考图1，可以看到本发明的优选实施例的电路图。标记为“外部”的矩形轮廓中的电路是所需的唯一外部电路，所示出的其它电路在单个集成电路内。外部电路包括通过传输线TL1和TL2耦合到集成电路端子OUTA和OUTC的激光二极管LD。电感器L1连接在集成电路端子VCC和OUTA之间，并且旁路电容器连接在VCC和电路地之间。电感器L2连接在OUTC和VBIAS端子之间，并且电容器C2连接在VBIAS端子和电路地之间。

通过传输线分别耦合到激光二极管LD的阳极和阴极的输出OUTA和OUTC分别连接到晶体管T3和T2的集电极。被偏置了偏置电压vcb的晶体管T3是用于差分晶体管对T1和T2的晶体管T1的串联晶体管，所述差分晶体管对T1和T2使它们的发射极耦合到一起并且通过电阻器R3接地。晶体管T3的集电极通过输出端子OUTA和传输线TL1耦合到激光二极管LD的阳极连接，并且通过电阻器R1和外部电感器L1耦合到集成电路的VCC端子。由于缺少电压余量，因此没有串联晶体管用于该差分对的晶体管T2，对于串联晶体管T3的余量有效地由激光二极管LD本身两端的电压降来提供。注意，由晶体管T1和T2提供的驱动是用于激光二极管LD的对称差分驱动。

对差分对T1和T2的基极的输入分别是差分数据输入mod-'和mod+'，其是放大器A4的输出。放大器A4提供具有固定差分电压的正和负差分输出，其中电压由可编程I mod电平块设置并且状态响应于输入mod+和mod-。利用该连接，在任何一个时刻都导通的晶体管(T1或T2)将传导这样的电流，该电流等于其基极电压减去其Vbe然后除以R3。由此，晶体管T1和T2用作电流源，因此不是导通和关断，而是每一个响应于数字数据输入mod+和mod-而用作电流源或者关断。电路和控制回路的用户可编程序性通常是本领域中众所周知的，其是晶体管偏置作为电流源，并且因此在这里不再详细示出。作为替换，电阻器R3可以是可编程电流源，尽管根据电源的电压VCC，可能对于这样的实施例不存在足够的电压余量。

第二差分晶体管对T5和T6使它们的发射极连接到一起并且通过电阻器R4连接到电路地。晶体管T5的集电极连接到串联晶体管T4，所述串联晶体管T4使它的基极和集电极共同地分别与串联晶体管T3的基极和集电极连接。晶体管T6使它们的集电极通过电容器C3连接到集成电路的VCC端子，并且连接到电阻器R2。电阻器R2的另一端连接到晶体管T2的集电极以及通过集成电路端子OUTC和传输线TL2连接到激光二极管LD的阴极。晶体管T5和T6的基极根据分别来自放大器A1的脉冲串启用输入bias-'和bias+'而被耦合，所述放大器A1响应于信号bias+和bias-控制晶体管T5和T6的基极电压，并且处于被可编程I偏置电平块设置的电压电平。由此，晶体管还单独地用作用户可编程电流源，类似于用于数字数据输入mod+和mod-的晶体管T1和T2的那些。在图1中，集成电路和端子VCC, OUTA, OUTC和VBIAS之间的连接被示为电感器，因为这些连接在本发明操作所处的高频下的电感是有意义的且应当被考虑。

在一个实施例中，附加电路被添加到输入电路，即当bias-为高且bias+为低时将数据输入mod-覆写（override）为高且将mod+覆写为低，而不受电路可以接收的任何实际数据输入的支配。这允许多个激光器驱动器以时分复用方案来共享通信信道，其中在任何时刻仅一个发射器被启用。当然，当bias+变高且bias-变低（启用输出脉冲串）时立即释放所述覆写。作为例子，这种覆写可以使用简单的逻辑功能来以多种方式实施。

典型激光二极管的阻抗不同地在5到10欧的数量级，因此在耦合到激光二极管LD的传输线（在一个实施例中不同地为25欧传输线或50欧）之间存在相当大的阻抗失配。然而，选择电阻器R1和R2来匹配传输线，并且所述R1和R2提供通过传输线从激光二极管LD发射回的信号的终止，电阻器R1直接连接到VCC且R2是在操作频率下通过电容器C3耦合到VCC的AC。由此，在外部电路中以及在25欧传输线的驱动和终止中存在对称性。

当输出脉冲串没有被启用时（并且如前所述mod-被保持为高以及mod+被保持为低），不存在经过激光二极管LD的电流，因为没有到其阴极的DC连接。由此，不存在从激光二极管的光发射。在OUTA的电压基本上是VCC，即电感器L1两端的电压由于电感器L1的低电阻而基本上为零。当输出脉冲串被启用且mod+为高用于发送"1"时，电流流过激光二极管LD，其中主电流路径经过晶体管T2和电阻器R3到电路地，晶体管T2用作被放大器A4的输出电压电平控制的电流源，所述放大器A4又提供被可编程I mod电平块控制的输出电压电平）。

当输出脉冲串被启用且Mod-为高用于发送"0"时，晶体管T2被关断。现在电流的分量经过激光二极管LD且晶体管T2被关断，因此只有剩余的电流分量经过电阻器R2、晶体管T6和电阻器R4。注意，基本上，晶体管T2和T1分别操纵通过激光二极管LD通过激光二极管和在激光二极管周围的晶体管T2和T1的电流源的电流分量。这又意味着经过外部电感器L1的平均电流是恒定的，不受正发送"1"还是"0"的支配。

从前述可以看出，刚刚描述的且在图1中示出的激光器驱动器的结构是具有脉冲串模式能力的对称的差分直接耦合激光器驱动器结构。特别感兴趣的是以下事实：数据和偏置回路被耦合在一起，用于发送"1"的电流通过偏置回路被耦合。

可以通过至少相对于高频信号（即与低频相对的数据频谱中的信号，所述低频是远低于数据频谱的频率）主动固定节点VBIAS的电压来可选地改善电路性能。为此目的，可以增加在图1的左边的框中的可选电路。该电路实质上是如图1中的椭圆轮廓中所示的具有复传递函数并且具有反馈电阻器R7的放大器A（s）。对于输出VBIAS它具有这样的输出阻抗，所述输出阻抗在高频处很低（即看起来像电压源），而在低频处很高（即看起来像电流源）。在高频处，它可以被认为使得电容器C3看起来很大，从而改善阴极的终止并且因此改善电路平衡。在低频处，电路将试图使输出VBIAS等于它连接到的节点上的平均电压。

现在参考在所述轮廓内的图1的左边的电路，晶体管T7通过电阻器R5被耦合，作为由电流源I1偏置的射极跟随器。晶体管T7的左边的电路是放大器，所述放大器在高频处通过经由电阻器R7的反馈对晶体管T7的发射极上的电压（电压VBIAS）的变化进行响应以调整晶体管T7的基极上的电压来消除或大大减小这样的变化。

特别地，电压VBIAS的变化改变通过晶体管T8的电流，改变电阻器R6两端的电压降，通过由电流源I3偏置的晶体管T9的基极发射极电压将该变化耦合到晶体管T11的基极。这改变了通过晶体管T11的电流（其引起经过电阻器R8的电压降改变），将该变化反馈到晶体管T7的基极以抵抗引起干扰的VBIAS的变化。

晶体管T7和T8的基极分别通过电阻器R8和R9耦合到VCC，并且分别耦合到差分晶体管对T11和T10的集电极。晶体管T10的基极连接到参考电压，晶体管T10和T11的共发射极连接由通过晶体管T12的电流偏置。连接到晶体管T12的栅极的电容器C6上的电压对压控电流源I4（跨导Gm）的输出进行积分，其与晶体管T7和T8的集电极上的电压差成比例。如果在低频处（相对于数据频率）VBIAS变化，其将引起通过电阻器R5的电流，这又将引起电容器C4上的电压变化。其引起压控电流源I4两端的电压差，使压控电流源I4的两端的电压失衡以对电容器C6充电或放电直到电路稳定在新的VBIAS值为止。

在数据频率处电容器C4在晶体管T7的集电极上提供电容性负载以限制晶体管T7的集电极上的电压波动来避免晶体管的饱和。另一方面，电容器C5确定对中频范围中的频率的电路响应。

作为图1的左边的电路的替换，可以利用图2的电路基本消除在数据频率处VBIAS的扰动。该电路（类似于图1的电路）感测VBIAS的任何企图的变化，但是除了直接调整VBIAS以外，还提供反馈到晶体管T5和T6使得晶体管T6也将提供（或吸收）试图改变在数据频率处的VBIAS的电流分量。最后结果与通过图1左边的电路实现的结果相同，尽管在图1的电路中反馈都是直接到VBIAS本身，而反馈通过晶体管T6间接地到VBIAS。

再次参考图2，电阻器R4、R5和R7，晶体管T5、T6和T7，电流源I1与信号bias+和bias-与图1中相同，为了清楚起见，图1右侧的其余部分在图2中被省略（然而可能是与图1的相同）。在操作中，电阻器R7感测VBIAS电压的任何变化，所述变化被放大器A'(s)放大并且被反馈到晶体管T7的基极。放大器A'(s)可以具有这样的传递函数f(s)，所述传递函数f(s)产生与图1的左边的框中的电路相同的VBIAS电压特性（在数据频率处充当电压源并且在低频处充当电流源）。实际上，除去放大器A2和A3，图2中所示的电路可以被认为是图1电路的相应部分的简化表示。

放大器A1在图1中被示出，然而仅具有一个用于偏置控制的可编程输入。在图2中，通过放大器A2和/或A3提供用于控制的额外输入。通常将不使用路径2和路径3两者，并且在没有路径2和路径3而仅有路径1的情况下，其具有图1的电路的相应部分的简化型式。此外，路径1、2和3可以被除去，然而通过使用至少反馈路径1，性能被改善并且外部部件尤其是电感器L2和电容器C2的尺寸可以被减小，如前所述。而且如果使用路径2（即使用路径1和2），则可以除去电容器C4，或电容器C4电容被大大减小。

已经关于npn晶体管公开和描述了本发明，然而应当注意，它可以采用其它技术来实施，例如，作为例子，使用NMOS晶体管。在任何情况下，每个晶体管，不管类型，都可以表征为具有第一、第二和第三端子，其中第一端子（发射极或源极）和第二端子（基极或栅极）之间的电压控制第三端子（集电极或漏极）和第一端子（发射极或源极）之间的电流传导。而且晶体管T3和T4是串联晶体管，并且如果需要的话可以被除去，只要T1和T5能够控制它们将经受的较高电压。在这方面，本发明的布局可以被反转并且可以用相反导电类型的晶体管来实施。

这里已经公开了具有脉冲串模式能力的对称差分直接耦合激光器驱动器结构，其以高效率工作在低供给电压。尽管这里已经为了说明而不是为了限制的目的公开和描述了本发明的特定优选实施例，但是本领域技术人员将理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以在其中进行形式和细节方面的多种变化。

Claims (18)

1.一种激光二极管驱动器，包括：

电源连接、激光二极管阳极连接、激光二极管阴极连接、第一偏置连接和电路地连接；

耦合在电源连接和激光二极管阳极连接之间的第一电阻器；

耦合在激光二极管阴极连接和第一偏置连接之间的第二电阻器；

耦合在第一偏置连接和电路地连接之间的电流源；

第一、第二和第三晶体管，每一个具有第一、第二和第三端子，其中第一端子和第二端子之间的电压控制第三和第一端子之间的传导，第一和第二晶体管使它们的第一端子耦合在一起并且耦合到电路地连接，第一晶体管的第三端子耦合到激光二极管阳极连接，第一和第二晶体管的第二端子响应于差分数据输入耦合到第一差分电压源以便根据由差分数据输入所限定的来可控制地接通第一和第二晶体管中的任一个作为第一差分电流源的电流源并且关断第一和第二晶体管中的另一个；

第二晶体管使它的第三端子耦合到激光二极管阴极连接；

第三晶体管使它的第一端子耦合到第一晶体管的第三端子，使它的第二端子耦合到第二偏置连接，以及使它的第三端子耦合到激光二极管阳极连接，由此第一晶体管的第三端子通过第三晶体管耦合到激光二极管阳极连接。

2.根据权利要求1所述的激光二极管驱动器，其中耦合在第一偏置连接和电路地连接之间的电流源包括：

第四、第五和第六晶体管，每一个具有第一、第二和第三端子，其中第一和第二端子之间的电压控制第三和第一端子之间的传导，第四晶体管使其第三端子耦合到激光二极管阳极连接，使其第二端子耦合到第二偏置连接以及使其第一端子耦合到第五晶体管的第三端子，第六晶体管的第三端子耦合到第一偏置连接，第五和第六晶体管的第一端子耦合到电路地连接，并且第五和第六晶体管的第二端子响应于差分脉冲串启用输入耦合到第二差分电压源以便根据由差分脉冲串启用输入所限定的来可控制地接通第五和第六晶体管中的任一个作为第二差分电流源的电流源并且关断第五和第六晶体管的另一个，第六晶体管当导通时充当耦合在第一偏置连接和电路地连接之间的电流源。

3.根据权利要求1所述的激光二极管驱动器，还包括耦合在第一偏置连接和电源连接之间的电容器。

4.根据权利要求1所述的激光二极管驱动器，其中耦合在第一偏置连接和电路地连接之间的电流源包括：

第四和第五晶体管，每一个具有第一、第二和第三端子，其中第一和第二端子之间的电压控制第三和第一端子之间的传导，第四和第五晶体管的第一端子耦合到电路地连接，并且第四和第五晶体管的第二端子响应于差分脉冲串启用输入耦合到第二差分电压源以便根据由差分脉冲串启用输入所限定的来可控制地接通第四和第五晶体管中的任一个作为第二差分电流源的电流源并且关断第四和第五晶体管中的另一个，第五晶体管当导通时充当耦合在第一偏置连接和电路地连接之间的电流源。

5.根据权利要求4所述的激光二极管驱动器，其中第一和第二差分电压源是可编程的。

6.根据权利要求2所述的激光二极管驱动器，还包括放大器，该放大器具有耦合到第一偏置连接的输出，该放大器具有复传递函数，其在高频下提供低输出阻抗并且在低频下提供高输出阻抗。

7.根据权利要求6所述的激光二极管驱动器，还包括第七晶体管，其具有第一、第二和第三端子，其中第一和第二端子之间的电压控制第三和第一端子之间的传导，并且其中第七晶体管被耦合作为放大器的第一端子跟随器输出。

8.根据权利要求7所述的激光二极管驱动器，其中第二差分电流源被耦合以响应于在第七晶体管的第一端子上的电压来抵抗放大器的输出上的数据频谱中的电压变化。

9.根据权利要求7所述的激光二极管驱动器，还包括：

第一电感器，其耦合在电源连接和激光二极管阳极连接之间；

第一电容器，其耦合在电源连接和电路地连接之间；

第二电感器，其耦合在激光二极管阴极连接和第一偏置连接之间；以及

第二电容器，其耦合在第一偏置连接和电路地连接之间。

10.一种激光二极管驱动器，包括：

电源连接，激光二极管阳极连接，激光二极管阴极连接、第一偏置连接和电路地连接；

耦合在电源连接和激光二极管阳极连接之间的第一电阻器；

耦合在激光二极管阴极连接和第一偏置连接之间的第二电阻器；

耦合在第一偏置连接和电路地连接之间的电流源；

第一、第二和第三晶体管，每一个具有第一、第二和第三端子，其中第一和第二端子之间的电压控制第三和第一端子之间的传导，第一和第二晶体管使它们的第二端子被耦合以响应于差分数据输入来根据由所述差分数据输入所限定的来可控制地接通第一和第二晶体管中的任一个作为第一差分电流源的电流源并且关断第一和第二晶体管中的另一个；

第一晶体管使其第三端子耦合到阳极连接并且第二晶体管使其第三端子耦合到激光二极管阴极连接；

第三晶体管使其第一端子耦合到第一晶体管的第三端子，使其第二端子耦合到第二偏置连接以及使其第三端子耦合到激光二极管阳极连接，由此第一晶体管的第三连接通过第三晶体管耦合到阳极连接。

11.根据权利要求10所述的激光二极管驱动器，其中第一差分电流源是可编程的。

12.根据权利要求10所述的激光二极管驱动器，还包括耦合在第一偏置连接和电源连接之间的电容器。

13.根据权利要求10所述的激光二极管驱动器，其中耦合在第一偏置连接和电路地连接之间的电流源包括：

第四和第五晶体管，每一个具有第一、第二和第三端子，其中第一和第二端子之间的电压控制第三和第一端子之间的传导，第四和第五晶体管的第一端子耦合到电路地连接，并且第四和第五晶体管的第二端子耦合到差分脉冲串启用输入以便根据由差分脉冲串启用输入所限定的来可控制地接通第四和第五晶体管中的任一个作为第二差分电流源的电流源并且关断第四和第五晶体管的另一个，第五晶体管当导通时充当耦合在第一偏置连接和电路地连接之间的电流源。

14.根据权利要求13所述的激光二极管驱动器，其中第二差分电流源是可编程的。

15.根据权利要求13所述的激光二极管驱动器，还包括放大器，其具有耦合到第一偏置连接的输出，该放大器具有复传递函数，其在高频下提供低输出阻抗并且在低频下提供高输出阻抗。

16.根据权利要求15所述的激光二极管驱动器，还包括第五晶体管，其具有第一、第二和第三端子，其中第一和第二端子之间的电压控制第三和第一端子之间的传导，第五晶体管被耦合作为放大器的第一端子跟随器输出。

17.根据权利要求16所述的激光二极管驱动器，其中第二差分电流源被耦合以响应于在第五晶体管的第一端子上的电压来抵抗放大器的输出上的数据率下的电压变化。

18.根据权利要求16所述的激光二极管驱动器，还包括：

第一电感器，其耦合在电源连接和激光二极管阳极连接之间；

第一电容器，其耦合在电源连接和电路地连接之间；

第二电感器，其耦合在激光二极管阴极连接和第一偏置连接之间；以及

第二电容器，其耦合在第一偏置连接和电路地连接之间。