CN111916996A - 一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路，属于光学领域，本发明为解决常用激光器驱动电路因为采用晶体管作为尾电流源而消耗了过多电压裕度导致调制电流较小的问题。本发明包括负反馈单元、自适应驱动单元、镜像式尾电流源、电阻R11、电阻R12、偏置电流源IBIAS和二极管D2；电阻R12、激光器D1、电阻R11、偏置电流源IBIAS依次串联在电压VCC和地之间；负反馈单元输入端连接数据信号输入端口TINP、TINN，负反馈单元的输出端与自适应驱动单元的输入端相连，自适应驱动单元的输出端与镜像式尾电流源的控制信号输入端相连，镜像式尾电流源的一个驱动信号输出端通过二极管D2与激光器D1的阳极相连，镜像式尾电流源的另一个驱动信号输出端与激光器D1的阴极相连。

Description

一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路
技术领域
本发明涉及一种DFB激光器的驱动电路，属于光通讯集成电路中的激光器驱动器领域。
背景技术
在光纤通信集成电路的发射端，激光驱动器(Laser Diode Driver)按照数据流的逻辑值开启或者关闭激光器，并使用光纤远距离传递光信号到光线路终端OLT，再通过跨阻放大器(TIA)将电流信号转换为电压信号。激光器必须被偏置在阈值附近，以便减少激光器导通时延的随机性，降低抖动，因此激光驱动器必须提供一个偏置电流(IBIAS)和调制电流(IMOD)。激光器的偏置电流需要不断的对温度变化和老化做出调整，调制电流也需要对激光器的发光效率(ER)做出改变。
图1给出了常用的激光器驱动电路的结构。图1中，D0为激光器，其被电流源Ib偏置在阈值发光点附近，电流源Im给激光驱动器提供调制电流，数据流TINP、TINN换成调制电流驱动激光器D0开启和关闭传递数据。半导体激光器的阈值电流和发光效率会随温度和使用时长而变化。半导体激光器的阈值电流随着温度的升高而明显增大，发光效率会随着温度的升高而降低。半导体激光器阈值电流和发光效率的漂移，给其应用带来很大不便。为了克服这些弊病，必须对输出功率进行控制，使激光器的工作能够维持在正确的工作点上。
光电二极管D1将激光器D0发出的光转化成监视电流Ic通过片内电阻R2将电流转化成电压，片外电容C1滤除电流信号Ic中的交流分量，保留直流分量，该直流分量即为激光器D0的平均光功率(AP)。平均光功率电压与参考电压Vref进行比较，误差放大器A1输出误差电压来调整激光器D0的偏置电流Ib大小，从而使得平均光功率满足设计要求。
环境温度探测器TS检测激光驱动器的工作温度，用以表征激光器的工作温度，根据使用需求提前设定调制电流的补偿范围，通过数模转换模块DAC和电压电流转换模块V2I调整调制电流源Im的电流大小，从而使得激光器满足一定的发光效率(ER)要求。
实际应用中，图1所示传统的激光器驱动电路连接激光器的方式是直流耦合，其优点是多速率兼容、低功耗、更少的片外元件。根据调制电流输出公式；
Figure BDA0002615225770000021
VCC是电源电压，VD是激光器的压降，VCE(Q2)是晶体管Q2集电极和发射级压降，VD(Im)是电流源的压降，RLOAD是激光器的内阻。公式1表明，当激光器内阻RLOAD一定时，降低电流源压降VD(Im)能够提高激光器驱动电路最大的调制电流Imod。
差分对需要用晶体管作为尾电流源，以实现对调制电流大小的控制。该方法中的晶体管尾电流源会消耗大量的电压裕度，致使最大调制电流过小。
发明内容
本发明目的是为了解决常用激光器驱动电路因为采用晶体管作为尾电流源而消耗了过多电压裕度导致调制电流较小的问题，提供了一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路。
本发明所述一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路包括负反馈单元、自适应驱动单元、镜像式尾电流源、电阻R11、电阻R12、偏置电流源IBIAS和二极管D2；
电阻R12、激光器D1、电阻R11、偏置电流源IBIAS依次串联在电压VCC和地之间；
负反馈单元输入端连接数据信号输入端口TINP、TINN，负反馈单元的输出端与自适应驱动单元的输入端相连，自适应驱动单元的输出端与镜像式尾电流源的控制信号输入端相连，镜像式尾电流源的一个驱动信号输出端通过二极管D2与激光器D1的阳极相连，镜像式尾电流源的另一个驱动信号输出端与激光器D1的阴极相连。
优选地，还包括电感L1，镜像式尾电流源通过电感L1接地。
优选地，负反馈单元包括NPN晶体管Q1～Q2、NPN晶体管Q12、电阻R1、电阻R2、电阻R8、电阻R10、可变电阻R13、误差放大器A1、电流源I3和电流源I4；
自适应驱动单元包括NPN晶体管Q3～Q7、NPN晶体管Q13、电阻R3～R5、电流源I1和电流源I2；
镜像式尾电流源包括NPN晶体管Q8～Q10、电阻R6和电阻R7；
NPN晶体管Q1的基极连接数据信号输入端口TINP；
NPN晶体管Q2的基极连接数据信号输入端口TINN；
NPN晶体管Q1的发射极和NPN晶体管Q2的发射极同时连接电流源I4的正端，电流源14的负端连接地；
NPN晶体管Q1的集电极同时连接电阻R1一端和NPN晶体管Q7的基极；
NPN晶体管Q2的集电极同时连接电阻R2一端和NPN晶体管Q6的基极；
电阻R1的另一端同时连接电阻R2的另一端、NPN晶体管Q13的基极和误差放大器A1的输出端；
NPN晶体管Q13的集电极VOUT同时连接NPN晶体管Q6的集电极、NPN晶体管Q7的集电极、可控电流源IBIAS的正端和电阻R11的一端；
NPN晶体管Q13的发射极同时连接NPN晶体管Q3的集电极及基极、NPN晶体管Q4的基极和NPN晶体管Q5的基极；
NPN晶体管Q3的发射极通过电阻R3接地；
NPN晶体管Q4的发射极通过电阻R4接地；
NPN晶体管Q5的发射极通过电阻R5接地；
NPN晶体管Q4的集电极同时连接NPN晶体管Q6的发射极、电流源I1的正端、NPN晶体管Q9的基极和NPN晶体管Q11的基极；
NPN晶体管Q5的集电极同时连接NPN晶体管Q7的发射极、电流源I2的正端、NPN晶体管Q8的基极和NPN晶体管Q10的基极；
电流源I1和I2的另一端同时接地；
电阻R6的一端同时连接NPN晶体管Q8的发射极和NPN晶体管Q9的发射极；
电阻R8的一端同时连接NPN晶体管Q8的集电极和NPN晶体管Q9的集电极，电阻R8的另一端连接NPN晶体管Q12的发射极；
电阻R6的另一端和电阻R7的一端同时连接电感L1的一端，电感L1的另一端接地；
NPN晶体管Q10的集电极通过匹配网络1连接激光器D1的阴极及其输出端口TOUTN、电阻R11的另一端；
NPN晶体管Q11的集电极连接二极管D2的阴极；二极管D2的阳极通过匹配网络2连接激光器D1的阳极及其输出端口TOUTP、电阻R12的一端；
电阻R12的另一端连接电源VCC；
可控电流源IBIAS的负极连接地；
NPN晶体管Q12的基极连接电压端口VB；
NPN晶体管Q12的集电极同时连接误差放大器A1的正相输入端和可变电阻R13的一端；
可变电阻R13的另一端连接电源VCC；
误差放大器A1的反相输入端同时连接电流源I3的正端和电阻R10的一端；
电阻R10的另一端连接电源VCC；
电流源I3的负端接地。
优选地，调整可变电阻R13令误差放大器A1的正相输入端和反相输入端的电压相等。
优选地，电阻R7的阻值小于3Ω。
优选地，控制晶体管Q8-Q11的基极电压在0.7V～0.8V之间。
本发明的有益效果：提出一种大调制电流激光器驱动电路,摒弃传统激光驱动器采用晶体管型尾电流源提供调制电流的方法，采用新型的镜像式尾电流源电路结构，大大降低了尾电流源的压降，最大程度的提高调制电流以满足DFB激光器的性能需求。已经通过了仿真结果验证。
附图说明
图1是常用的激光驱动器原理图。
图2是本发明的一种大调制电流直流耦合型激光驱动器原理图。
图3是本发明一种大调制电流直流耦合型激光驱动器电路关键节点仿真图。
具体实施方式
在阐述常用的激光器驱动电路中，差分对需要用晶体管作为尾电流源，以实现对调制电流大小的控制。该方法中的晶体管尾电流源会消耗大量的电压裕度，致使最大调制电流过小。图2提出的大调制电流激光器驱动电路，解决了尾电流源会消耗大量电压裕度的问题，大大提高了驱动级所能输出的调制电流，满足DFB激光器的使用条件。
具体实施方式一：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路，包括负反馈单元、自适应驱动单元、镜像式尾电流源、电阻R11、电阻R12、偏置电流源IBIAS和二极管D2；
负反馈单元包括NPN晶体管Q1～Q2、NPN晶体管Q12、电阻R1、电阻R2、电阻R8、电阻R10、可变电阻R13、误差放大器A1、电流源I3和电流源I4；
自适应驱动单元包括NPN晶体管Q3～Q7、NPN晶体管Q13、电阻R3～R5、电流源I1和电流源I2；
镜像式尾电流源包括NPN晶体管Q8～Q10、电阻R6和电阻R7；
NPN晶体管Q1的基极连接数据信号输入端口TINP；
NPN晶体管Q2的基极连接数据信号输入端口TINN；
NPN晶体管Q1的发射极和NPN晶体管Q2的发射极同时连接电流源I4的正端，电流源14的负端连接地；
NPN晶体管Q1的集电极同时连接电阻R1一端和NPN晶体管Q7的基极；
NPN晶体管Q2的集电极同时连接电阻R2一端和NPN晶体管Q6的基极；
电阻R1的另一端同时连接电阻R2的另一端、NPN晶体管Q13的基极和误差放大器A1的输出端；
NPN晶体管Q13的集电极VOUT同时连接NPN晶体管Q6的集电极、NPN晶体管Q7的集电极、可控电流源IBIAS的正端和电阻R11的一端；
NPN晶体管Q13的发射极同时连接NPN晶体管Q3的集电极及基极、NPN晶体管Q4的基极和NPN晶体管Q5的基极；
NPN晶体管Q3的发射极通过电阻R3接地；
NPN晶体管Q4的发射极通过电阻R4接地；
NPN晶体管Q5的发射极通过电阻R5接地；
NPN晶体管Q4的集电极同时连接NPN晶体管Q6的发射极、电流源I1的正端、NPN晶体管Q9的基极和NPN晶体管Q11的基极；
NPN晶体管Q5的集电极同时连接NPN晶体管Q7的发射极、电流源I2的正端、NPN晶体管Q8的基极和NPN晶体管Q10的基极；
电流源I1和I2的另一端同时接地；
电阻R6的一端同时连接NPN晶体管Q8的发射极和NPN晶体管Q9的发射极；
电阻R8的一端同时连接NPN晶体管Q8的集电极和NPN晶体管Q9的集电极，电阻R8的另一端连接NPN晶体管Q12的发射极；
电阻R6的另一端和电阻R7的一端同时连接电感L1的一端，电感L1的另一端接地；
NPN晶体管Q10的集电极通过匹配网络1连接激光器D1的阴极及其输出端口TOUTN、电阻R11的另一端；
NPN晶体管Q11的集电极连接二极管D2的阴极；二极管D2的阳极通过匹配网络2连接激光器D1的阳极及其输出端口TOUTP、电阻R12的一端；
电阻R12的另一端连接电源VCC；
可控电流源IBIAS的负极连接地；
NPN晶体管Q12的基极连接电压端口VB；
NPN晶体管Q12的集电极同时连接误差放大器A1的正相输入端和可变电阻R13的一端；
可变电阻R13的另一端连接电源VCC；
误差放大器A1的反相输入端同时连接电流源I3的正端和电阻R10的一端；
电阻R10的另一端连接电源VCC；
电流源I3的负端接地。
将电信号的数据流TINP、TINN，沿着信号通路传递，最终控制晶体管Q10和Q11的导通与关闭，从而实现调制电流流向的切换。负反馈单元、晶体管Q6、Q7、Q8、Q9、电阻R6，电流源I1-I2共同构成负反馈环路。设定电流源I3的电流值，以确定电流源I3正端的A点电压值。在负反馈环路作用下，A、B两点电压相等。当可变电阻R13阻值减小，则流过晶体管Q12的电流增大。当可变电阻R13阻值增大，则流过晶体管Q12的电流减小。晶体管Q8-Q11、电阻R6和R7构成电流镜电路，该电路是一种新型的镜像式尾电流源电路结构，其调制电流Imod的计算公式为：
Figure BDA0002615225770000061
晶体管Q10、Q11相比于传统结构的激光器驱动电路，它们既镜像晶体管Q8、Q9的电流，又充当信号的输入管。晶体管Q10和Q11的发射极连接一个小阻R7取代了晶体管型尾电流源，假如R7＝2Ω，调制电流Imod＝90mA,电阻R7的压降仅仅是180mV，根据公式(1)此方法能提高激光器驱动电路最大的调制电流Imod。
在负反馈环路作用下，晶体管Q8-Q11的基极电压刚好大于三极管的导通阈值电压0.7V一点点儿，此目的是为了让晶体管Q8-Q11快速的关闭和开启以响应数据流的变化。
由于电阻R7的阻值很小，晶体管Q10、Q11基极接收到快速变化的数据流时，将会很快的将交流信号通过电阻R7传递给地，因此必须增加电感L1，防止交流信号传导到地，使得调制电流全部作用于激光器D1，提高激光器的发光效率。
增加二极管D2的作用是失调消除，使得晶体管Q10、Q11的工作环境一致，减小信号误差。
随着调制电流Imod增大，晶体管Q10和Q11的跨导增大，因此加在Q10和Q11基级端的米勒等效电容也会增大。晶体管Q3、Q4、Q5、Q6、Q7和Q13，电阻R3-R5构成了自适应驱动电路，当调制电流Imod增加时，误差放大器A1输出电压增加，因此Q13发射级电流增加，在电流镜的作用下，晶体管Q6和Q7的发射级电流增加，因此驱动能力增加，有效地驱动Q10和Q11基级端的较大的米勒等效电容，改善输出眼图。在激光器的输出端有寄生电容的存在，会影响传递信号速率的提升，反射或者削减传递信号。因此增加匹配网络1和2消除寄生电容带来的影响。
图3是本发明的仿真图。曲线TOUTP端能够输出89.7mA的调制电流。曲线Z为电阻R7的压降，为125mV。曲线XY是达到晶体管Q10和Q11的基极的数据流构成的眼图，其DC电平大约为900mV。由以上数据可知，本发明解决了传统激光驱动器所带来的弊端。
本发明提出的大调制电流激光器驱动器电路，在驱动器中去除了消耗电压裕度巨大的晶体管型尾电流源，使用小电阻代替，输出大调制电流。输入管的低偏置电压值有利于信号的快速变化，本发明中嵌入的反馈环路，在激光器调制电流增大的同时也增大偏置电流，驱动能力得到增强。以上改进能够很好地满足激光器远距传输的性能要求。

Claims (6)

1.一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路，其特征在于，包括负反馈单元、自适应驱动单元、镜像式尾电流源、电阻R11、电阻R12、偏置电流源IBIAS和二极管D2；
电阻R12、激光器D1、电阻R11、偏置电流源IBIAS依次串联在电压VCC和地之间；
负反馈单元输入端连接数据信号输入端口TINP、TINN，负反馈单元的输出端与自适应驱动单元的输入端相连，自适应驱动单元的输出端与镜像式尾电流源的控制信号输入端相连，镜像式尾电流源的一个驱动信号输出端通过二极管D2与激光器D1的阳极相连，镜像式尾电流源的另一个驱动信号输出端与激光器D1的阴极相连。
2.根据权利要求1所述一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路，其特征在于，还包括电感L1，镜像式尾电流源通过电感L1接地。
3.根据权利要求2所述一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路，其特征在于，负反馈单元包括NPN晶体管Q1～Q2、NPN晶体管Q12、电阻R1、电阻R2、电阻R8、电阻R10、可变电阻R13、误差放大器A1、电流源I3和电流源I4；
自适应驱动单元包括NPN晶体管Q3～Q7、NPN晶体管Q13、电阻R3～R5、电流源I1和电流源I2；
镜像式尾电流源包括NPN晶体管Q8～Q10、电阻R6和电阻R7；
NPN晶体管Q1的基极连接数据信号输入端口TINP；
NPN晶体管Q2的基极连接数据信号输入端口TINN；
NPN晶体管Q1的发射极和NPN晶体管Q2的发射极同时连接电流源I4的正端，电流源14的负端连接地；
NPN晶体管Q1的集电极同时连接电阻R1一端和NPN晶体管Q7的基极；
NPN晶体管Q2的集电极同时连接电阻R2一端和NPN晶体管Q6的基极；
电阻R1的另一端同时连接电阻R2的另一端、NPN晶体管Q13的基极和误差放大器A1的输出端；
NPN晶体管Q13的集电极VOUT同时连接NPN晶体管Q6的集电极、NPN晶体管Q7的集电极、可控电流源IBIAS的正端和电阻R11的一端；
NPN晶体管Q13的发射极同时连接NPN晶体管Q3的集电极及基极、NPN晶体管Q4的基极和NPN晶体管Q5的基极；
NPN晶体管Q3的发射极通过电阻R3接地；
NPN晶体管Q4的发射极通过电阻R4接地；
NPN晶体管Q5的发射极通过电阻R5接地；
NPN晶体管Q4的集电极同时连接NPN晶体管Q6的发射极、电流源I1的正端、NPN晶体管Q9的基极和NPN晶体管Q11的基极；
NPN晶体管Q5的集电极同时连接NPN晶体管Q7的发射极、电流源I2的正端、NPN晶体管Q8的基极和NPN晶体管Q10的基极；
电流源I1和I2的另一端同时接地；
电阻R6的一端同时连接NPN晶体管Q8的发射极和NPN晶体管Q9的发射极；
电阻R8的一端同时连接NPN晶体管Q8的集电极和NPN晶体管Q9的集电极，电阻R8的另一端连接NPN晶体管Q12的发射极；
电阻R6的另一端和电阻R7的一端同时连接电感L1的一端，电感L1的另一端接地；
NPN晶体管Q10的集电极通过匹配网络1连接激光器D1的阴极及其输出端口TOUTN、电阻R11的另一端；
NPN晶体管Q11的集电极连接二极管D2的阴极；二极管D2的阳极通过匹配网络2连接激光器D1的阳极及其输出端口TOUTP、电阻R12的一端；
电阻R12的另一端连接电源VCC；
可控电流源IBIAS的负极连接地；
NPN晶体管Q12的基极连接电压端口VB；
NPN晶体管Q12的集电极同时连接误差放大器A1的正相输入端和可变电阻R13的一端；
可变电阻R13的另一端连接电源VCC；
误差放大器A1的反相输入端同时连接电流源I3的正端和电阻R10的一端；
电阻R10的另一端连接电源VCC；
电流源I3的负端接地。
4.根据权利要求3所述一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路，其特征在于，调整可变电阻R13令误差放大器A1的正相输入端和反相输入端的电压相等。
5.根据权利要求3所述一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路，其特征在于，电阻R7的阻值小于3Ω。
6.根据权利要求1所述一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路，其特征在于，控制晶体管Q8-Q11的基极电压在0.7V～0.8V之间。
CN202010767443.9A 2020-08-03 2020-08-03 一种大调制电流直流耦合型激光器驱动电路 Active CN111916996B (zh)

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