CN107438947A - 用于vcsel驱动应用的具有升压调节和电流增益的通路装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于驱动负载的功率高效装置，包括低电流路径和高电流路径，其中，高电流路径由第一电压源驱动。为了在维持低功率工作的同时适应可能负载装置的较大的接通电压，在低电流路径中引入超过高电流路径中的电压源的附加电压源。

Description

用于VCSEL驱动应用的具有升压调节和电流增益的通路装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年4月3日提交的美国第62/142,594号临时申请和2015年7月30日提交的美国第14/814,050号非临时申请的权益，此处以引证的方式将申请的整个公开并入。
技术领域
这里的主题总体涉及模拟电路和信号以及关联的放大技术。具体地，本发明涉及一种适于将数据信号调制到激光器或其他光电子源上的模拟电路。
背景技术
随着数据通信速率提高至25千兆比特每秒(Gbps)，VCSEL(“垂直腔面发射激光器”)孔径越来越小以限制电路寄生，这转而增大了VCSEL的电路阻抗和正向工作电压。在850nm(“纳米”)光波长，VCSEL正向工作电压超过2V(“伏特”)并接近2.5V。该增大的正向电压在电源电压容差和工作温度范围上对在典型电源电压3.3V内工作的驱动电子器件产生问题。例如，典型晶体管导通和控制电压在0.6至0.9V的范围内，并且在被添加到VCSEL正向电压时，以低容差接近或超过3.3V标称电源。
例如，美国专利No.8767784B2(“麦克塔格特(Mactaggart)”)描述了一种用于向激光器供给经调制的电流的驱动器。如其中所描述的，控制装置被配置为使得激光器启动开关能够作为发射极跟随器工作，其像电流源动作以向VCSEL提供电流，使得大致所有电流从激光器启动开关的集电极流到发射极，并且大致没有电流流到激光器启动开关的基极。然而，麦克塔格特中所描述的控制装置的工作点会容易接近电源电压，因此具有破坏(rail)反馈放大器的风险导致控制装置不能在调节工作。
除了放宽系统电源要求并提高电压源要求且以成比例地较高的功率耗散提高电压源之外，强力方案将涉及利用升压调节器。这种方案带来切换电源部件时的关联的低效性。同样，利用25Gbps工作所必需的先进技术降低了驱动电子电路的晶体管故障，因此可能排除用于适应增大的VCSEL正向电压的电源电压的普遍升高。
关于VCSEL，两个竞争因素发挥作用。为了使VCSEL较快地工作，用于VCSEL的正向电压升高。然而，为了使电路总体上较快地工作，必须降低电路的工作电压。另一个关键考虑是功耗。提升整个驱动器电路的电源电压会导致显著的功耗代价。
发明内容
下文为了提供特定方面的基本理解而提出了简化的概括。该概括不是广泛的概述。也不旨在识别关键/重要元素或勾画范围。概括的唯一目的是以简化形式提出一些概念，作为稍后提出的更详细描述的前奏。
这里描述了一种用于驱动负载的功率高效驱动器电路，该功率高效驱动器电路包括：低电流路径和高电流路径，其中，高电流路径耦接到负载；耦接电路，该耦接电路耦接高电流路径和低电流路径，其中，耦接电路使驱动器电流的工作稳定；第一电压源，该第一电压源耦接到高电流路径；以及第二电压源，该第二电压源耦接到低电流路径，其中，第二电压源超过第一电压源。
这里还描述了一种功率高效调节放大器，该功率高效调节放大器包括：跨导放大器；第一电源电压，其中，第一电源电压施加于跨导放大器；电压调节器，该电压调节器耦接到跨导放大器的输入；以及第二电源电压，其中，第二电源电压施加于电压调节器，第二电源电压超过第一电源电压。
这里还描述了一种用于调节包括放大器的功率驱动器电路的功率高效方法，所述方法包括以下步骤：设置电压调节器，该电压调节器检测放大器的输出电流，并且基于放大器的输出电流向放大器的输入提供低速输入电压；向放大器施加第一电源电压；以及向电压调节器施加第二电源电压，其中，第二电源电压超过第一电源电压。
附图说明
图1是根据一个实施方式的低功率驱动器装置的框图。
图2是根据一个实施方式的用于驱动负载的示例性低功率驱动器装置的框图。
图3是根据一个实施方式的用于驱动负载的低功率驱动器装置的示意图。
图4是用于驱动负载的低功率驱动器装置的示意图，其在高电流路径中使用第一电源电压源和在低电流路径中使用超过第一电源电压源的第二电压源。
具体实施方式
图1是根据一个实施方式的低功率驱动器装置100的总体框图。高电流路径106经由耦接电路104耦接到低电流路径102。高电流路径106还耦接到负载108。根据一个实施方式，低电流路径102经由耦接电路104在高电流路径106中建立电流的工作点。耦接电路104例如为反馈电路。
根据一个实施方式，电源电压110(Vcc)耦接到高电流路径。虽然图1中未明确描绘，但低电流路径中的元件可能需要特定工作或接通电压，使得这种元件的串联组合可能接近电源电压110(Vcc)。具体地，可能需要增大低电流路径的净空，使得低电流路径中的元件的串联组合的聚合电压不接近电源电压110(Vcc)。为了实现这一点，在维持较低功率工作的同时，根据一个实施方式，如图1所示，超过电压源110(Vcc)的第二电压源112(Vcc’)耦接到低电流路径。虽然Vcc’>Vcc，但因为电压源112(Vcc’)耦接到低电流路径102，所以驱动器装置110中的功率耗散保持低。
图2是根据一个实施方式的用于驱动负载108的示例性低功率驱动器装置100的框图。负载108例如可以是VCSEL或其他激光装置，并且可能需要大的正向工作电压，而且还可以吸入大的电流。由此，如图2所示，负载108经由高电流路径106驱动。高速电压源206提供高频电压信号，诸如通信信号，其作为用于负载108的调制电压信号工作。
电压放大器202接收作为输入的电压信号，并且生成作为输出的电压信号(图2中未示出)。根据一个实施方式，电压放大器202可以是双极晶体管，其为被设置为作为发射极跟随器工作。电压放大器202的输出节点充当电压源，其具有可以根据温度和其他因素变化的阻抗。
在另一个实施方式中，期望电压放大器202的输出节点充当电流源。电压放大器202的输出阻抗可以经由电流传感器208和反馈电路210增大，该电流传感器208和反馈电路210一起工作以抵消由于输出电流i(t)的变化而产生的在低速电压源212的节点电压处的变化。由此，电流传感器208和反馈电路210的引入工作以将电流i(t)固定至恒定值，使得电压放大器202的输出节点作为理想或近理想电流源工作。
根据一个实施方式，低速电压源212可以为差分放大器的电源轨。低速电压源212生成低频率电压V(t)，其驱动电压放大器202的输入。由此，随着电压放大器202的输出电流变化，电压放大器202的输出电压也变化，转而由低速电压源212提供的在电压放大器202处的输入电压也变化。
电压放大器202的输出处的输出电流i(t)的变化将造成电压放大器202处的输入电压的变化，这将转而造成低速电压源212中的一个或更多个节点电压的变化。特别地，电流传感器208可以检测来自已知且固定的电流源的输出电流i(t)(现在在图2中示出)的变化，并且生成对应的电压信号，其被提供给反馈电路210。对应地，反馈电路210输出低速(低频率)电压信号，其引起低速电压源212的一个或更多个节点电压的变化，从而抵消由于输出电流i(t)的变化而引起的低速电压源212的变化。
为了抵消低速电压源212内的节点电压的摆动，反馈电路210可能需要生成电压振幅的范围。
从负载108穿过电压放大器202、低速电压源212以及反馈电路210的电压降的串联组合可能接近电压源100(Vcc)。这在反馈电路210为了抵消低速电压源212的工作而必须展示大摆动并且反馈电路210的输出处的电压接近电源轨的情况下特别成问题。提升电压源110(Vcc)的振幅将破坏电压驱动器110的低功率工作，因为在这种情况下，升高的电压源将驱动高电流路径106以及低电流路径102。
为了在保持反馈电路210和低速电压源212工作在调节的能力的同时维持低功率工作，仅在低电流路径102中引入单独的电压源112(Vcc’)，其将驱动反馈电路210和低速电压源212。因为电压源112(Vcc’)仅驱动低电流路径102，所以这在同时提供电压驱动器100的低功率工作的同时消除了接近电源轨的问题。
图3是用于使用单个电源电压源驱动负载302的低功率驱动器装置100的示意图。负载302可以为VCSEL或其他装置，并且可能需要相对于电源电压110(Vcc)的大的正向接通电压。根据一个实施方式，驱动器装置100可以包括控制电路210、发射极跟随器350以及高速电压源340。
高速电压源340包括差分对放大器330和高通滤波器316。根据一个实施方式，差分对放大器330可以使用处于差分配置的双极晶体管对来实施。根据一个实施方式，向差分对放大器330的相应输入提供第一通信信号(A)和第二通信信号(AN)。差分放大器330的高频工作由高通滤波器316来指示，该高通滤波器316可以为物理电容器，并且总体上表示差分对放大器330的输出是高频信号。差分对放大器330生成高频信号的工作可以例如基于用于输入A和AN的调制方案来完成。
发射极跟随器350接收作为输入的电压信号，并且生成作为输出的电压信号(图3中未示出)。根据一个实施方式，发射极跟随器350可以为双极晶体管。发射极跟随器350的输出充当电压源，其具有可以根据温度和其他因素变化的阻抗。
控制装置320作为反馈放大器工作，使得在低频率处发射极跟随器350的输出充当电流源。具体地，控制装置320工作以通过稳定并固定发射极跟随器350的输出来使发射极跟随器350的输出充当电流源。
根据一个实施方式，控制装置320包括感测电阻器306、放大电路322以及低通滤波器308。具体地，控制装置320的电阻器306与发射极跟随器350的控制器串联布置。因此，在工作时，大致所有电流从发射极跟随器350的集电极流到发射极，并且大致没有电流流到发射极跟随器350的基极。跨电阻器306的电压由此提供电流被输入到发射极跟随器350中而且电流被输入到负载302中的指示。
控制装置320被配置为在低频率处起作用。控制装置320的低频率工作由低通滤波器308来指示，该低通滤波器308可以为物理电感器，并且总体表示控制装置320和放大器322的输出特别是低频率电压信号。具体地，放大器322可以为电压增益放大器，其将跨电阻器306的电压与基准电压(图3中未示出)比较，并且控制装置320通过调节放大器电路322的输出可以用以维持跨电阻器306的该相同电压。注意，在节点314处，高频电压源340的输出被叠加在从控制装置320输出的低频率电压源上。
图3还示出了低功率驱动器装置100中的各种节点处的示例性电压。注意，这些电压仅是示例性的且仅为了例示而提供。穿过包括VCSEL(近似2.3V)、发射极跟随器350的发射极-集电极结(近似0.2V)在内且穿过感测电阻器306(近似0.2V)的第一路径的聚合串联电压为近似2.7V。穿过包括VCSEL(近似2.3V)、基极-发射极结(近似0.85V)在内到放大电路322的输出的第二路径的聚合串联电压为近似3.15V。
凭借在近似3.3V工作的典型电源电压110(Vcc)，放大电路322输出处的电压3.15V留下非常小的净空，并且增加放大器电路322将被破坏且不再工作于调节的大风险。在放大电路322被破坏的情况下，控制装置102将不再起反馈放大器的作用，因为它将不能使得发射极跟随器350的输出电流i(t)任何更高地提升。
虽然可能可以升高单个电源电压110(Vcc)，但因为通常高速通信装置需要较低的电源且趋向甚至更低的电源，所以这种解决方案对于高速通信装置(诸如VCSEL302)不实用。
图4是用于驱动负载的低功率驱动器装置100的示意图，其使用高电流路径中的第一电源电压源和低电流路径中的超过第一电源电压源的第二电压源。如图4所示，为了驱动放大电路322而引入了第二电源电压112(Vcc’)。根据一个实施方式，例如，第二电源电压112(Vcc’)可以为3.6V。这提供允许控制装置320继续起反馈放大器的作用并维持发射极跟随器350作为电流源工作的工作净空。而且，因为升高的电源电压112(Vcc’)仅驱动低电流路径102，所以该方案是极其功率高效的。特别地，低电流路径102和高电流路径106由相应的电源112(Vcc’)和110(Vcc)驱动。这些电源借助于低电流路径102和高电流路径106的隔离而独立工作，从而允许允许驱动器装置100的功率高效工作，同时允许控制装置甚至在诸如VCSEL 302这样的负载所要求的较大的接通电压的情况下保持处于调节。

Claims (20)

1.一种用于驱动负载的功率高效驱动器电路，该功率高效驱动器电路包括：
a)低电流路径；
b)高电流路径，其中，所述高电流路径耦接到所述负载；
c)耦接电路，该耦接电路耦接所述高电流路径和所述低电流路径，其中，所述耦接电路使所述驱动器电路的工作稳定；
d)第一电压源，该第一电压源耦接到所述高电流路径；以及
e)第二电压源，该第二电压源耦接到所述低电流路径，其中，所述第二电压源超过所述第一电压源。
2.根据权利要求1所述的功率高效驱动器电路，其中，所述低电流路径包括流到双极晶体管的基极中的电流，该双极晶体管作为发射极跟随器工作。
3.根据权利要求2所述的功率高效电路，其中，所述高电流路径包括流到所述双极晶体管的发射极中的电流，该双极晶体管作为发射极跟随器工作。
4.根据权利要求3所述的功率高效驱动器电路，其中，所述耦接电路是反馈放大器。
5.根据权利要求4所述的功率高效驱动器电路，其中，所述反馈放大器接收基于流过电阻器的电流生成的电压信号。
6.根据权利要求5所述的功率高效驱动器电路，其中，所述耦接电路向所述双极晶体管的所述基极提供低速信号。
7.根据权利要求5所述的功率高效驱动器电路，所述功率高效驱动器电路还包括高速信号源，其中，所述高速信号源耦接到所述双极晶体管的所述基极。
8.一种功率高效调节放大器，该功率高效调节放大器包括：
a)跨导放大器；
b)第一电源电压，其中，所述第一电源电压施加于所述跨导放大器；
c)电压调节器，该电压调节器耦接到所述跨导放大器的输入；以及
d)第二电源电压，其中，所述第二电源电压施加于所述电压调节器，所述第二电源电压超过所述第一电源电压。
9.根据权利要求8所述的功率高效调节放大器，其中，所述跨导放大器包括发射极跟随器。
10.根据权利要求9所述的功率高效调节放大器，其中，所述发射极跟随器是NPN双极晶体管。
11.根据权利要求10所述的功率高效调节放大器，其中，所述电压调节器还包括电流传感器，该电流传感器感测所述跨导放大器的输出电流信号并基于所述输出电流信号生成电压信号，该电压信号施加于所述跨导放大器的输入。
12.根据权利要求11所述的功率高效调节放大器，其中，所述电压调节器使得所述发射极的输出作为理想电流源工作。
13.根据权利要求11所述的功率高效调节放大器，其中，所述电压调节器以反馈结构耦接在所述跨导放大器的输出与所述跨导放大器的所述输入之间。
14.根据权利要求14所述的功率高效调节放大器，其中，所述电压调节器的输出是低速源。
15.根据权利要求14所述的功率高效调节放大器，所述功率高效调节放大器还包括高速信号源，其中，所述高速信号源耦接到所述NPN双极晶体管的基极。
16.一种用于调节包括放大器的功率驱动器电路的功率高效方法，所述方法包括以下步骤：
a)设置电压调节器，该电压调节器检测放大器的输出电流，并且基于所述放大器的输出电流向所述放大器的输入提供低速输入电压；
b)向所述放大器施加第一电源电压；以及
c)向所述电压调节器施加第二电源电压，其中，所述第二电源电压超过所述第一电源电压。
17.根据权利要求16所述的功率高效方法，其中，所述放大器是跨导放大器。
18.根据权利要求17所述的功率高效调节放大器，其中，所述跨导放大器是发射极跟随器。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电压调节器还包括电流传感器，该电流传感器感测所述跨导放大器的输出电流信号并基于所述输出电流信号生成电压信号，该电压信号施加于所述跨导放大器的输入。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电压调节器使得所述发射极的输出作为理想电流源工作。
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