CN106879107B - 一种InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路，利用电流脉冲峰值技术，肖特基二极管SBD1和SBD2和电容C构成的回路会产生电流峰值，从而可以使光脉冲的上升时间缩短几个纳秒，缩短了光脉冲的上升时间；第一电感L1连接在LED阴极与偏压电源Vcc之间，在电流脉冲下降的阶段，利用电感提供的反向电流回路，产生一个下冲电流，从而可减小光脉冲的下降时间，以加速LED熄灭，大大的改善光脉冲的下降时间；高速场效应管的开关电路主要是通过增加辅助开关给主开关的寄生输出电容快速充电，来缩短主开关的关闭时间，来提高场效应管的开关速率；将LED的阳极与直流偏压Vcc相连接，这样就可以在电流脉冲到来之前给等效电容充满电，从而较有效的缩短了LED导通的延时，较大改善LED的瞬态响应时间。

Description

一种InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路

【技术领域】

本发明涉及LED驱动电路，尤其涉及一种InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路。

【背景技术】

近年来，随着对Ⅲ族元素和氮化合物半导体材料制备技术、生长工艺以及器件封装技术等方面的持续研究，光电半导体器件得到了快速发展，尤其InGaN/GaN构成的异质结、多量子阱结构发光材料的研究取得了突破性进展，高亮度蓝、绿发光二极管(Lighting-emitting Diode，LED)、短波长激光器以及雪崩光电二极管探测器等已经成功制备。基于InGaN/GaN特殊的基材料和量子阱结构，一方面钝化了LED的表面，减少了注入有源区的载流子与表面态复合时造成的损失，增强了器件的稳定性；另一方面减少了器件与空气界面的反射，提高了发光效率，从而使得InGaN/GaN LED具有很高的辐射复合效率、较长的使用寿命以及较好的颜色特性，因此广泛应用于工业、科研等领域，尤其是对于高速光通信、光电探测等方面的应用有着重要的实际意义。

与此同时，设法进一步提高InGaN/GaN LED的量子效率、有效改善LED对于电流型脉冲驱动的响应时间，调制产生具有较短的光脉冲上升时间、下降时间，以及纳秒级窄脉冲宽度的光信号，对于高速光通信、光子计数以及光电探测等应用显得十分重要，并且这也是一直以来亟待解决的工程难题。

传统的LED驱动技术有些使用电流型方波脉冲驱动LED，说明了电流型脉冲驱动可以有效降低LED的功耗，该技术可以有效提高量子效率。有些使用了一种高频的电流型三角波脉冲驱动LED，电路中使用薄膜电容代替电解电容可减小AC/DC转换的低频纹波，以延长其使用寿命，并说明该脉冲驱动可提高LED发光强度的稳定性。有些由于LED耗尽层电容影响LED在高速电路中的使用，给出基于GaAs FET的电流脉冲驱动电路，从而较大提高LED在可见光通信中的调制速率。

图1是一般的异质结LED等效电路模型，是一种固态的电致发光半导体器件，可以直接将电能转化为光能。

其中所述的，Cb为势垒电容，由耗尽层的宽窄变化等效而来，Cd为扩散电容，是P-N结正偏时所表现出来的一种微分电容效应，两者统称为LED的结电容。所述的Rd表示在正向电压下的动态电阻，由LED的V-I特性决定。所述的Rs表示P区和N区的体电阻，由LED的掺杂结构及P、N区的电阻率决定。Lp、Cs分别表示LED封装后产生的寄生电感和电容。其中结电容、寄生电容都会影响LED的频率响应，即会延迟LED的导通点亮、熄灭时间。

图2所述是电流脉冲激励LED产生的光信号延迟，将LED的导通延迟时间定义为给LED加上电流脉冲直到LED开始辐射出光信号的这个时间段，用t_d表示，光信号的上升时间用t_r表示、下降时间用t_f表示，由于LED的等效电容会延迟注入载流子到达复合区域的时间，从而引起这种导通延时。只有等效电容充满电后，LED才开始辐射出光信号，充电时间取决于时常数RC_LED和电流脉冲I_pulse的大小。

图3是改善导通延迟后的基于高速场效应管的LED脉冲驱动电路，高速场效应管具有非常高的开关速率，因此可以在高频脉冲驱动电路中使用。将LED的阳极通过限流电阻R直接与直流偏压Vcc相连接，这样就可以在电流脉冲到来之前给等效电容充满电，从而较有效的缩短了LED导通的延时，较大改善LED的瞬态响应时间。

为了较准确地估计多量子阱结构InGaN/GaN LED的时域瞬态响应特性，则利用双异质结理论模型对其响应过程进行分析。

式(1)中t_r为光信号的上升时间(从幅度的10％上升到90％)，I_pulse为通过LED的正向电流，在LED开始被点亮的瞬间，首先给电容充电，接着载流子开始注入并充满量子阱，然后复合辐射发出光信号，k_LED为LED的特征常数。

假定LED没有通过外部电路放电，对于光脉冲信号的熄灭瞬态响应是一个高阻抗模型，同时假设LED熄灭之前的瞬间载流子浓度达到了一个相对稳定状态，在这个广义条件下，光信号的下降时间t_f(从幅度的90％下降到10％)可表示为(2)式

所述的两种情况下的响应时间均与脉冲电流的有关。对于高阻抗驱动电路而言，LED固有的光信号下降时间要比光信号上升时间大约慢倍，因而也成了LED在高速应用中的限制因素。

图4所示是应用电流脉冲峰值技术和扫出效应驱动LED产生的光脉冲信号响应，采用电流峰值技术在脉冲上升沿产生过冲来减少光信号的上升时间，利用扫出效应在脉冲下降沿产生下冲来减少光信号的下降时间。从而可以大大改善LED的响应时间，有效降低光脉冲宽度。与图2相比，可以看出光信号上升时间和下降时间有明显改善，尤其是下降时间，不再有较长的拖尾。

以上方法均涉及到使用电流脉冲驱动LED，但并没有使用一种更好的方法来有效改善LED的响应速率，效缩短光脉冲信号的上升时间、下降时间。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路，有效改善LED的响应速率，有效缩短光脉冲信号的上升时间、下降时间。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路，包括高速场效应管器件高阻抗驱动电路，高速场效应管器件开关电路，脉冲信号产生模块，肖特基二极管SBD1、SBD2，第一电感L1、电容C；

脉冲信号产生模块连接了高速场效应管器件高阻抗驱动电路，高速场效应管器件高阻抗驱动电路与高速场效应管器件开关电路中两个场效应管的栅极连接，高速场效应管器件开关电路包括主开关模块和辅助开关模块，主开关模块和辅助开关模块均为场效应管，两场效应管并联连接、且两场效应管漏极和源极之间均连接有二极管，电源Ed1、第一二极管D1、第二电感L2串联后连接辅助开关模块S2场效应管漏极，并通过场效应管漏极和源极之间的二极管与源极连接，第二二极管D2和稳压管ZD1反向串联后连接在主开关模块和辅助开关模块的两场效应管漏极之间；

LED阳极与直流偏压电源Vcc相连接，LED阴极与高速场效应管器件开关电路连接，两个串联的肖特基二极管SBD1、SBD2与电容C并联连接在LED阳极和偏压电源Vcc之间；第一电感L1连接在LED阴极与偏压电源Vcc之间；

脉冲信号产生模块产生一个脉冲信号，经过高速场效应管器件高阻抗驱动电路对脉冲信号进行放大输出，输出信号送入高速场效应管器件开关电路控制LED发光。

进一步，LED阳极与直流偏压电源Vcc之间连接有限流第一电阻R1。

进一步，第一电感L1串联有限流第二电阻R2，第一电感L1和第二电阻R2连接在LED阴极与偏压电源Vcc之间。

进一步，脉冲信号产生模块输出高速窄脉冲信号，输出频率≥10MHz脉冲宽度≤2ns。

进一步，场效应管器件采用高速MOSFET晶体管芯片，静态漏源电阻≤250mΩ，上升时间≤1ns,下降时间≤1.5ns。

本发明的InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路，包括高速场效应管器件高阻抗驱动电路，高速场效应管器件开关电路，脉冲信号产生模块，肖特基二极管SBD1、SBD2，第一电感L1、电容C；利用电流脉冲峰值技术，肖特基二极管SBD1和SBD2和电容C构成的回路会产生电流峰值，从而可以使光脉冲的上升时间缩短几个纳秒，缩短了光脉冲的上升时间；第一电感L1连接在LED阴极与偏压电源Vcc之间，在电流脉冲下降的阶段，利用电感提供的反向电流回路，产生一个下冲电流，从而可减小光脉冲的下降时间，以加速LED熄灭，大大的改善光脉冲的下降时间；将LED的阳极与直流偏压Vcc相连接，这样就可以在电流脉冲到来之前给等效电容充满电，从而较有效的缩短了LED导通的延时，较大改善LED的瞬态响应时间。

肖特基二极管是一种多数载流子导电器件，不存在少数载流子在PN结附近积累和扩散的过程，所以电容效应非常小，工作速度非常快，特别适合高频状态使用。在电流脉冲上升阶段通过肖特基二极管SBD和电容C构成的回路时会产生电流峰值，与此同时会产生光脉冲信号的峰值，从而可以使光脉冲的上升时间缩短几个纳秒，大大改善光脉冲的上升时间。

本发明首先理论分析了光脉冲信号的上升时间、下降时间与驱动电流强度的关系，接着利用电流峰值技术和载流子扫出效应，设计了基于高速MOSFET的纳秒级窄脉冲驱动电路。实验表明，该驱动电路对比与现有技术可使InGaN/GaNLED的响应时间缩短2～3ns，且有效提高了发光效率。

实验测试结果表明，本发明设计的脉冲驱动电路能有效的改善LED的响应速率，大大缩短光脉冲的上升、下降时间。从而可以推广应用于高速光通信、光子计数、光电检测等领域。

【附图说明】

图1为LED等效电路模型；

图2为电流脉冲激励LED产生的光信号延迟；

图3为基于高速场效应管的LED脉冲驱动电路；

图4为应用电流脉冲峰值技术和扫出效应驱动LED产生的光脉冲信号响应；

图5为本发明的改进型LED纳秒脉冲驱动电路；

图6为LED纳秒脉冲驱动电路系统实现框图；

图7为未改进的LED脉冲驱动电路产生的光脉冲波形；

图8为改进的LED脉冲驱动电路产生的光脉冲波形；

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图对本发明做进一步描述。

如图5所示的一种InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路，包括高速场效应管器件高阻抗驱动电路，高速场效应管器件开关电路，脉冲信号产生模块，肖特基二极管SBD1、SBD2，第一电感L1、电容C；

脉冲信号产生模块连接了高速场效应管器件高阻抗驱动电路，高速场效应管器件高阻抗驱动电路与高速场效应管器件开关电路中两个场效应管的栅极连接，高速场效应管器件开关电路包括主开关模块S1和辅助开关模块S2，主开关模块S1和辅助开关模块S2均为场效应管，两场效应管并联连接、主开关模块S1场效应管漏极和源极之间连接有第三二极管D3，辅助开关模块S2场效应管漏极和源极之间连接有第四二极管D4，电源Ed1、第一二极管D1、第二电感L2串联后连接辅助开关模块S2场效应管漏极，并通过场效应管漏极和源极之间的二极管与源极连接，第二二极管D2和稳压管ZD1反向串联后连接在主开关模块S1和辅助开关模块S2的两场效应管漏极之间；

LED阳极与直流偏压电源Vcc相连接，LED阴极与高速场效应管器件开关电路连接，两个串联的肖特基二极管SBD1、SBD2与电容C并联连接在LED阳极和偏压电源Vcc之间；第一电感L1连接在LED阴极与偏压电源Vcc之间；

脉冲信号产生模块产生一个脉冲信号，经过高速场效应管器件高阻抗驱动电路对脉冲信号进行放大输出，输出信号送入高速场效应管器件开关电路控制LED发光。

所述的高速场效应管，具有非常高的开关速率，因此可以在高频脉冲驱动电路中使用。

将LED的阳极通过限流第一电阻R1直接与直流偏压Vcc相连接，这样就可以在电流脉冲到来之前给等效电容充满电，从而较有效的缩短了LED导通的延时，较大改善LED的瞬态响应时间。

LED纳秒脉冲驱动电路，驱动方法如下：

步骤一，脉冲信号产生模块产生一个脉冲信号，经过FET驱动电路，会对脉冲信号进行放大输出一个驱动场效应管开关S1和S2的栅源电压V_gs,直流电源Ed1和直流偏压电源Vcc分别输出一个稳定的电压，稳压二极管ZD1作用是阻止当主开关S1打开时辅助电路中的环流流入主开关S1中。

步骤二，当栅源电压V_gs大于场效应管S1和S2的阈值电压V_T时，开关S1和S2打开，场效应管快速导通，第二电感L2会快速存储能量。利用电流脉冲峰值技术，肖特基二极管SBD1和SBD2和电容C构成的回路会产生电流峰值，从而可以使光脉冲的上升时间缩短几个纳秒，缩短了光脉冲的上升时间。

步骤三，当栅源电压V_gs小于场效应管S1和S2的阈值电压V_T时，开关S1和S2关闭，场效应管快速断开，则L2的能量快速流入主开关S1中的寄生输出电容，即寄生输出电容快速充电，大大缩短了主开关S1的关闭时间。所述的第一电感L1，在主开关S1闭合时，利用扫出效应在电流脉冲下降的阶段利用电感提供的反向电流回路，产生一个下冲电流，从而可减小光脉冲的下降时间，以加速LED熄灭，极大的缩短了光脉冲的下降时间。

步骤四，依次重复执行步骤一至步骤三，经FET驱动电路放大源脉冲信号送至S1和S2的栅极，通过辅助电路的控制，高效的控制主开关S1的导通与关断。

所述的高速场效应管开关电路，主开关的的开关速率取决于场效应管的寄生电容的充电时间，主开关的打开时间是可以通过场效应管的寄生输入电容充电控制，关闭时间主要对应寄生输出电容的充电时间。本发明设计的高速场效应管的开关电路主要是通过给主开关的寄生输出电容快速充电，来缩短主开关的关闭时间，来提高场效应管的开关速率，用来提高LED响应速率。

所述的稳压二极管是阻止当主开关S1打开时辅助电路中的环流流入主开关S1中。

所述的LED纳秒脉冲驱动电路中通过增加一个电容C和两个肖特基二极管SBD1和SBD2并联，所述的肖特基二极管是一种多数载流子导电器件，不存在少数载流子在PN结附近积累和扩散的过程，所以电容效应非常小，工作速度非常快，特别适合高频状态使用。

因此，在电流脉冲上升阶段通过肖特基二极管SBD1和SBD2和电容C构成的回路时会产生电流峰值，与此同时会产生光脉冲信号的峰值，从而可以使光脉冲的上升时间缩短几个纳秒，大大改善光脉冲的上升时间。电路中，通常C取值几个pF。

所述的LED纳秒脉冲驱动电路通过并联一个第一电感L1，在电流脉冲下降的阶段，利用电感提供的反向电流回路，产生一个下冲电流，从而可减小光脉冲的下降时间，以加速LED熄灭，大大的改善光脉冲的下降时间。电路中，通常L1取值几个nH。

图6所示的是LED纳秒脉冲驱动电路系统实现框图，主要包含脉冲信号产生模块、场效应管驱动及纳秒脉冲驱动电路模块、雪崩光电二极管接收模块以及信号观测模块。

系统实验中选用了epitex公司的峰值波长为450nm的InGaN蓝光LED作为实验光源(L450R-01)。脉冲信号产生模块使用信号发生器产生重复频率、脉冲宽度均可调的窄脉冲，输出频率≥10MHz脉冲宽度≤2ns。实验中重复频率选取1MHz，脉冲宽度取5ns；为了获得较高的电流脉冲信号上升、下降速率，MOSFET开关使用高速MOSFET晶体管芯片(静态漏源电阻≤250mΩ，最大上升时间≤1ns,最大下降时间≤1.5ns)；光脉冲的测试由SiPM实现，最后通过数字示波器(带宽≥1GHz，采样率≥5Gs/S)直接观测光电转换后的信号。

如图8所示的是实验中通过示波器测试的改进的LED脉冲驱动电路产生的光脉冲波形。

为了进一步说明本发明的改进型驱动电路的良好效果，在相同条件的电流脉冲激励下，对如图7所示的未改进的图4所示的驱动电路产生的信号进行测试。

由所述的测试结果可知，图7中光脉冲的上升时间约3ns，下降时间约3.5ns，脉冲宽度约6ns；图8中光脉冲的上升时间约1ns，下降时间约2ns，脉冲宽度约4ns。比较图7、图8，可以明显得出本发明设计的脉冲驱动电路有效的缩短了光脉冲的上升、下降时间，并改善了脉冲宽度。

以上所述是本发明的优选实施方式，通过上述说明内容，本技术领域的相关工作人员可以在不偏离本发明技术原理的前提下，进行多样的改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路，其特征在于：包括高速场效应管器件高阻抗驱动电路，高速场效应管器件开关电路，脉冲信号产生模块，肖特基二极管SBD1、SBD2，第一电感L1、电容C；

脉冲信号产生模块连接了高速场效应管器件高阻抗驱动电路，高速场效应管器件高阻抗驱动电路与高速场效应管器件开关电路中两个场效应管的栅极连接，高速场效应管器件开关电路包括主开关模块(S1)和辅助开关模块(S2)，主开关模块(S1)和辅助开关模块(S2)均为场效应管，两场效应管并联连接、且两场效应管漏极和源极之间均连接有二极管，电源Ed1、第一二极管D1、第二电感L2串联后连接辅助开关模块(S2)场效应管漏极，并通过场效应管漏极和源极之间的二极管与源极连接，第二二极管D2和稳压管ZD1反向串联后连接在主开关模块(S1)和辅助开关模块(S2)的两场效应管漏极之间；

LED阳极与直流偏压电源Vcc相连接，LED阴极与高速场效应管器件开关电路连接，两个串联的肖特基二极管SBD1、SBD2与电容C并联连接在LED阳极和偏压电源Vcc之间；第一电感L1连接在LED阴极与偏压电源Vcc之间；

脉冲信号产生模块产生一个脉冲信号，经过高速场效应管器件高阻抗驱动电路对脉冲信号进行放大输出，输出信号送入高速场效应管器件开关电路控制LED发光。

2.如权利要求1所述的InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路，其特征在于：LED阳极与直流偏压电源Vcc之间连接有限流第一电阻R1。

3.如权利要求1所述的InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路，其特征在于：第一电感L1串联有限流第二电阻R2，第一电感L1和第二电阻R2连接在LED阴极与偏压电源Vcc之间。

4.如权利要求1所述的InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路，其特征在于：脉冲信号产生模块输出高速窄脉冲信号，输出频率≥10MHz脉冲宽度≤2ns。

5.如权利要求1所述的InGaN/GaN LED纳秒脉冲驱动电路，其特征在于：场效应管器件采用高速MOSFET晶体管芯片，静态漏源电阻≤250mΩ，上升时间≤1ns,下降时间≤1.5ns。