CN104219839B - 一种激光二极管驱动电路 - Google Patents

一种激光二极管驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体的说是涉及一种激光二极管驱动电路。本发明包括两个放大器，分别形成恒功率负反馈环和恒电流负反馈环。流过激光二极管的电流小于设定的最大电流时，恒功率环起作用；流过激光二极管的电流超过设定的最大电流时，恒电流环起作用使得流过激光二极管电流等于设定的最大电流。两个环路可以进行自动切换，互不干扰。本发明尤其适用于激光二极管驱动电路。

Description

一种激光二极管驱动电路
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体的说是涉及一种激光二极管驱动电路。
背景技术
激光二极管内通常包含一个激光二极管和一个光电二极管。激光二激光管的光功率随温度的变化会发生较大的变化。为了保证光功率的稳定输出，需要设计恒功率负反馈回路来保证激光二极管光功率稳定。另外，流过激光二极管电流过大容易烧坏激光二极管，因此有必要设计限流电路来限制流过激光二极管的最大电流。
现有技术通常采用恒功率环路来控制激光二极管的恒功率输出，采用简单的限流电路来保证流过激光二极管的电流不能过大，导致限流值不能够进行精确的控制。并在发生限流时，流过激光二极管的电流会发生较大的波动，原因主要在于，限流电路和恒功率环路不能实现稳定的切换。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述现有技术存在的问题，提出一种激光二极管驱动电路。
本发明的技术方案：如图1所示，一种激光二极管驱动电路，包括激光二极管、开关管M1、PMOS管M0、第一放大器A1、第二放大器A2、第一电阻RL和第二电阻RP；其中，激光二极管由激光管和光电管构成；激光管的正极与光电管的负极连接并接外部电源；光电管的正极通过第二电阻RP后接地；激光管的负极接开关管M1的漏极；开关管M1的源极通过第一电阻RL后接地；其特征在于，所述第一放大器A1具有2个独立的输出端；所述第二放大器A2具有电流输入端，电流输入端输入的电流成倍放大后从输出端输出；第一放大器A1的正向输入端接基准电压Vref，其反向输入端接光电管正极与第二电阻RP的连接点，其第一输出端接开关管M1的栅极，其第二输出端接第二放大器A2的电流输入端；第二运算放大器的正向输入端接基准电压Vref，其反向输入端接开关管M1源极与第一电阻RL的连接点，其输出端接PMOS管M0的源极；PMOS管M0的栅极和漏极互连，其栅极接开关管M1的栅极。
如图2所示，所述第一放大器A1由PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MP10与NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9、MN10构成；其中，MP1的源极接电源端，其栅极接MP2的漏极、MN1的漏极、MP7的栅极和MP9的栅极，其漏极接MP2的源极；MP2的栅极接MP4的栅极、MP8的栅极和MP10的栅极，并外接偏置电压；MN1的栅极接MN3的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN2的漏极；MN2的栅极接MN3的漏极、MP5的漏极和MN4的栅极，其源极接地电位；MN4的源极接地电位，其漏极接MN3的源极；MP5的栅极为第一放大器A1的正向输入端，其源极接MP4的漏极和MP6的源极；MP4的源极接MP3的漏极；MP3的栅极接偏置电压，其源极接电源端；MP6的栅极为第二放大器A2的反向输入端，其漏极接MN5的漏极、MN6的栅极、MN8的栅极和MN10的栅极；MN5的栅极接MN7的栅极和MN9的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN6的漏极；MN6的源极接地电位；MN8的源极接地电位，其漏极接MN7的源极；MN7的漏极接MP8的漏极为第一放大器A1的第一输出端；MP8的源极接MP7的漏极；MP7的源极接电源端；MP9的源极接电源端，其漏极接MP10的源极；MP10的漏极接MN9的漏极为第一放大器A1的第二输出端；MN9的源极接MN10的漏极；MN10的源极接地电位；
如图3所示，第二放大器A2由PMOS管MP11、MP12、MP13、MP14、MP15、MP16、MP17、MP18与NMOS管MN11、MN12、MN13、MN14、MN15、MN16、MN17、MN18构成；其中，MP11的源极接电源端，其栅极接MP12的漏极、MN11的漏极和MP17的栅极作为第二放大器A2的电流输入端，其漏极接MP12的源极；MP12的栅极接MP14的栅极和MP18的栅极，并外接偏置电压；MN11的栅极接MN13的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN12的漏极；MN12的栅极接MN13的漏极、MP15的漏极和MN14的栅极，其源极接地电位；MN14的源极接地电位，其漏极接MN13的源极；MP15的栅极为第二放大器A2的反向输入端，其源极接MP14的漏极和MP16的源极；MP14的源极接MP13的漏极；MP13的栅极接偏置电压，其源极接电源端；MP16的栅极为第二放大器A2的正向输入端，其漏极接MN15的漏极、MN16的栅极和MN18的栅极；MN15的栅极接MN17的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN16的漏极；MN16的源极接地电位；MN18的源极接地电位，其漏极接MN17的源极；MN17的漏极接MP18的漏极为第二放大器A2的输出端；MP18的源极接MP17的漏极；MP17的源极接电源端。
本发明的有益效果为，该系统中包含两个环路，恒功率环路和限流环路。当系统处于正常工作模式时，即恒光功率工作时，只有恒光功率环路起作用；当系统处于过流保护模式时，只有限流环路工作。两个环路均有较高的环路增益和带宽，可以实现精确的恒功率控制和恒流控制，以及快速的瞬态响应。并且，恒定功率的值和恒定电流的值都可以进行人工调节。除此之外，恒功率环路和恒电流环路之间可以实现平滑地切换，不会造成驱动电流大的波动。该电路可以驱动功率管和驱动电路集成在一块芯片当中。
附图说明
图1为本发明的激光二极管驱动整体电路结构示意图；
图2为本发明的第一放大器A1结构示意图；
图3为本发明的第二放大器A2结构示意图；
图4为本发明的电路仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述
如图1所示，本发明的一种激光二极管驱动电路，包括激光二极管、开关管M1、PMOS管M0、第一放大器A1、第二放大器A2、第一电阻RL和第二电阻RP；其中，激光二极管由激光管和光电管构成；激光管的正极与光电管的负极连接并接外部电源；光电管的正极通过第二电阻RP后接地；激光管的负极接开关管M1的漏极；开关管M1的源极通过第一电阻RL后接地；所述第一放大器A1具有2个独立的输出端；所述第二放大器A2具体电流输入端，电流输入端输入的电流成倍放大后从输出端输出；第一放大器A1的正向输入端接基准电压Vref，其反向输入端接光电管正极与第二电阻RP的连接点，其第一输出端接开关管M1的栅极，其第二输出端接第二放大器A2的电流输入端；第二运算放大器的正向输入端接基准电压Vref，其反向输入端接开关管M1源极与第一电阻RL的连接点，其输出端接PMOS管M0的源极；PMOS管M0的栅极和漏极互连，其栅极接开关管M1的栅极。
本发明的激光二极管由1，2，3个端口组成。1端口为激光管的输入端，2端口为电源端，3端口为光电管的输出端。
1端口接在开关管M1的漏极。通过控制流过M1的电流来驱动激光管。开关管的源极接有一个电阻RL。激光管的电流通过这个电阻转化为电压VLD，第二放大器A2对其进行采样。3端口同样挂有一个电阻RP，将流过光电二极管的电流转化为电压VPD，第一放大器A1对其进行采样。
A1的正向输入端VP与基准电压Vref相连，反相输入端Vn与激光二极管的3端口相连。A1有两个输出端口。两个输出端口独立。设输入到输出1的跨导为G1，输入到输出2的跨导为G2，记M＝G1/G2。输出1接在开关管的栅极。输出2接在A2的电流输入端。
A2的正向输入端VP与基准电压Vref相连，反相输入端Vn与开关管的源极相连。与一般的放大器相比，A2除了电压输入端还有一个电流输入端。电流输入端的电流被扩大(-M)倍，从输出端输出。输出端通过一个栅漏相接的PMOS管M0接在开关管的栅极。
如图2所示，所述第一放大器A1由PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MP10与NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9、MN10构成；其中，MP1的源极接电源端，其栅极接MP2的漏极、MN1的漏极、MP7的栅极和MP9的栅极，其漏极接MP2的源极；MP2的栅极接MP4的栅极、MP8的栅极和MP10的栅极，并外接偏置电压；MN1的栅极接MN3的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN2的漏极；MN2的栅极接MN3的漏极、MP5的漏极和MN4的栅极，其源极接地电位；MN4的源极接地电位，其漏极接MN3的源极；MP5的栅极为第一放大器A1的正向输入端，其源极接MP4的漏极和MP6的源极；MP4的源极接MP3的漏极；MP3的栅极接偏置电压，其源极接电源端；MP6的栅极为第二放大器A2的反向输入端，其漏极接MN5的漏极、MN6的栅极、MN8的栅极和MN10的栅极；MN5的栅极接MN7的栅极和MN9的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN6的漏极；MN6的源极接地电位；MN8的源极接地电位，其漏极接MN7的源极；MN7的漏极接MP8的漏极为第一放大器A1的第一输出端；MP8的源极接MP7的漏极；MP7的源极接电源端；MP9的源极接电源端，其漏极接MP10的源极；MP10的漏极接MN9的漏极为第一放大器A1的第二输出端；MN9的源极接MN10的漏极；MN10的源极接地电位；
与普通的放大器相比，A1多了一列输出管MP9、MP10、MN9和MN10，形成第二输出端。该列输出管与第一输出端MP7、MP8、MN7和MN8相比，宽长比之比为M:1。因此输出1的输出跨导为输出2的M倍。
如图3所示，第二放大器A2由PMOS管MP11、MP12、MP13、MP14、MP15、MP16、MP17、MP18与NMOS管MN11、MN12、MN13、MN14、MN15、MN16、MN17、MN18构成；其中，MP11的源极接电源端，其栅极接MP12的漏极、MN11的漏极和MP17的栅极作为第二放大器A2的电流输入端，其漏极接MP12的源极；MP12的栅极接MP14的栅极和MP18的栅极，并外接偏置电压；MN11的栅极接MN13的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN12的漏极；MN12的栅极接MN13的漏极、MP15的漏极和MN14的栅极，其源极接地电位；MN14的源极接地电位，其漏极接MN13的源极；MP15的栅极为第二放大器A2的反向输入端，其源极接MP14的漏极和MP16的源极；MP14的源极接MP13的漏极；MP13的栅极接偏置电压，其源极接电源端；MP16的栅极为第二放大器A2的正向输入端，其漏极接MN15的漏极、MN16的栅极和MN18的栅极；MN15的栅极接MN17的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN16的漏极；MN16的源极接地电位；MN18的源极接地电位，其漏极接MN17的源极；MN17的漏极接MP18的漏极为第二放大器A2的输出端；MP18的源极接MP17的漏极；MP17的源极接电源端。
与普通的放大器相比，A2多了一个电流输入端，该端从MP11管的栅极接入。通过MP11和MP17的镜像，输入电流Iin被放大M倍。因为它的存在，放大器的输出端需要额外拉进一股电流，大小等于M倍的Iin。设放大器第一级的跨导为Gm1，则总跨导Gm等于M·Gm1，总输出电流为Gm1·M·(Vp-Vn)-M·Iin。
本发明的工作原理为：
当基准电压Vref大于RL上的电压VLD时，A2的输出Vout为高电平。此时M0处于关断状态。A2对开关管M1的栅极电压不起作用。此时，A1正常工作。若光电二极管电流IPD增大，A1的负输入端电压VPD增大，A1的1输出端电压减小，开关管M1的栅极电压降低，流过M1的电流减少，即流过激光二极管的电流减少，激光二极管光功率降低，引起光电二极管的电流降低。如此形成一个负反馈环。当环路处于稳定状态时，A1的两个输入端保持电压相等，流过光电二极管的电流IPD等于Vref除以RP，保持恒定。也就是说，此时激光二极管的光功率保持恒定。
随着激光二极管的电流上升，VLD电压上升，当电压上升到Vref时，A2的输出端降低，M0开启。此时A1，A2同时工作。由于A1的2输出端电流Iout会对A2的输出端拉入额外的电流M·Iout。而A1的1输出端电流恰好等于M·Iout，并通过M0流入A2。所以，A1并不会对开关管M1的栅极电压产生影响。只有A2对M1的栅电压进行控制。此时，若激光管的电流增大，A2负输入端电压增大，输出端电压减少，开关管的栅极电压减少，流过开关管的电流减少，即流过激光管的电流减少。如此形成一个负反馈环。当环路属于稳定状态时，A2的两个输入端电压相等，流过激光二极管的电流ILD等于Vref除以RL，保持恒定。该值也就是激光二极管的限流值。
图4给出了电路的仿真波形。i(mn)为流过开关管的电流，v(ilimit)为VLD电压，V(pd)为VPD电压，vdda为电源电压。仿真设定Vref＝0.3V，RLD为3.75Ω，即限流值为80mA。可以看到在0时刻电源vdda上电，在30μs前稳定达到恒光功率，即光电二极管电流稳定，v(pd)保持恒压。在30μs时，模拟激光二极管温度上升，在激光二极管两端并联40mA的电流，此时光功率下降，v(pd)下降，激光二极管需要增加电流，最终V(pd)恢复到0.3V，恒光功率环达到稳定。此时认为激光二极管的电流为72mA，未达到限流值80mA。当温度继续上升，50μs时并联在激光二极管两端的电流升至60mA，由于此时激光二极管的电流要大于80mA才能达到恒光功率。所以恒流环起作用，v(ilimit)稳定至0.3V，流过激光二极管的电流稳定在80mA。在70μs时，温度下降，并联I7电流降至0mA，整体电路又回到原先工作状态，即恒功率环工作，恒流环不工作。
根据上述说明，该激光二极管驱动电路，分别受恒光功率环路和恒流环路控制。两个环路不受影响，并且能够根据流过激光二极管的电流，自动开启或关断M0管，实现环路的自动切换。

Claims (2)

1.一种激光二极管驱动电路，包括激光二极管、开关管M1、PMOS管M0、第一放大器A1、第二放大器A2、第一电阻RL和第二电阻RP；其中，激光二极管由激光管和光电管构成；激光管的正极与光电管的负极连接并接外部电源；光电管的正极通过第二电阻RP后接地；激光管的负极接开关管M1的漏极；开关管M1的源极通过第一电阻RL后接地；其特征在于，所述第一放大器A1具有2个独立的输出端；所述第二放大器A2具有电流输入端，电流输入端输入的电流成倍放大后从输出端输出；第一放大器A1的正向输入端接基准电压Vref，其反向输入端接光电管正极与第二电阻RP的连接点，其第一输出端接开关管M1的栅极，其第二输出端接第二放大器A2的电流输入端；第二运算放大器的正向输入端接基准电压Vref，其反向输入端接开关管M1源极与第一电阻RL的连接点，其输出端接PMOS管M0的源极；PMOS管M0的栅极和漏极互连，其栅极接开关管M1的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种激光二极管驱动电路，其特征在于，所述第一放大器A1由PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MP10与NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9、MN10构成；其中，MP1的源极接电源端，其栅极接MP2的漏极、MN1的漏极、MP7的栅极和MP9的栅极，其漏极接MP2的源极；MP2的栅极接MP4的栅极、MP8的栅极和MP10的栅极，并外接偏置电压；MN1的栅极接MN3的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN2的漏极；MN2的栅极接MN3的漏极、MP5的漏极和MN4的栅极，其源极接地电位；MN4的源极接地电位，其漏极接MN3的源极；MP5的栅极为第一放大器A1的正向输入端，其源极接MP4的漏极和MP6的源极；MP4的源极接MP3的漏极；MP3的栅极接偏置电压，其源极接电源端；MP6的栅极为第二放大器A2的反向输入端，其漏极接MN5的漏极、MN6的栅极、MN8的栅极和MN10的栅极；MN5的栅极接MN7的栅极和MN9的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN6的漏极；MN6的源极接地电位；MN8的源极接地电位，其漏极接MN7的源极；MN7的漏极接MP8的漏极为第一放大器A1的第一输出端；MP8的源极接MP7的漏极；MP7的源极接电源端；MP9的源极接电源端，其漏极接MP10的源极；MP10的漏极接MN9的漏极为第一放大器A1的第二输出端；MN9的源极接MN10的漏极；MN10的源极接地电位；
第二放大器A2由PMOS管MP11、MP12、MP13、MP14、MP15、MP16、MP17、MP18与NMOS管MN11、MN12、MN13、MN14、MN15、MN16、MN17、MN18构成；其中，MP11的源极接电源端，其栅极接MP12的漏极、MN11的漏极和MP17的栅极作为第二放大器A2的电流输入端，其漏极接MP12的源极；MP12的栅极接MP14的栅极和MP18的栅极，并外接偏置电压；MN11的栅极接MN13的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN12的漏极；MN12的栅极接MN13的漏极、MP15的漏极和MN14的栅极，其源极接地电位；MN14的源极接地电位，其漏极接MN13的源极；MP15的栅极为第二放大器A2的反向输入端，其源极接MP14的漏极和MP16的源极；MP14的源极接MP13的漏极；MP13的栅极接偏置电压，其源极接电源端；MP16的栅极为第二放大器A2的正向输入端，其漏极接MN15的漏极、MN16的栅极和MN18的栅极；MN15的栅极接MN17的栅极，并外接偏置电压，其源极接MN16的漏极；MN16的源极接地电位；MN18的源极接地电位，其漏极接MN17的源极；MN17的漏极接MP18的漏极为第二放大器A2的输出端；MP18的源极接MP17的漏极；MP17的源极接电源端。
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