CN117154534A - 电流控制的分段式激光器驱动器 - Google Patents

电流控制的分段式激光器驱动器 Download PDF

Info

Publication number
CN117154534A
CN117154534A CN202310354981.9A CN202310354981A CN117154534A CN 117154534 A CN117154534 A CN 117154534A CN 202310354981 A CN202310354981 A CN 202310354981A CN 117154534 A CN117154534 A CN 117154534A
Authority
CN
China
Prior art keywords
proxy
laser
current
circuit
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310354981.9A
Other languages
English (en)
Inventor
西伦·琼斯
理查德·戴维斯
布里安·卡雷
迈克尔·扬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
II VI Delaware Inc
Original Assignee
II VI Delaware Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by II VI Delaware Inc filed Critical II VI Delaware Inc
Publication of CN117154534A publication Critical patent/CN117154534A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06203—Transistor-type lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0427—Electrical excitation ; Circuits therefor for applying modulation to the laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/06808—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the electrical laser parameters, e.g. voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0262—Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/06812—Stabilisation of laser output parameters by monitoring or fixing the threshold current or other specific points of the L-I or V-I characteristics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

本文公开了激光器电路，在一个示例中，所述激光器电路包括用于使用一个或多个恒流供应器来导出激光器驱动器偏置控制的代理激光器驱动单元和代理比较器电路。公开了比较器电路，所述比较器电路适于基于具有第一电压分量和第二电压分量的代理电压来生成输出，其中所述电压分量中的一者基于指示激光器控制电流的一个或多个恒流供应器而产生。

Description

电流控制的分段式激光器驱动器
技术领域
本公开涉及电流负载控制的激光器驱动器。
背景技术
半导体激光器可用于任何数量的数字控制的应用。垂直腔面发射激光器(VCSEL)是在工业、生物医学和通信应用以及其他应用中具有特定用途的一种类型的半导体激光器。然而，控制激光器功率的现有方法通常基于使驱动器栅极电压与激光器光输出功率直接相关。通常必须由用户在应用环境中通过广泛的激光器专用校准或通过基于两点校准的不那么准确的线性校准来获得此类相关性。然而，此类校准方案通常不能跨激光器的各种光功率提供足够的解决方案，因为半导体激光器(包括VCSEL)表现出非线性电压到功率行为，这使得难以以良好的准确性实现电压到激光器功率控制。
发明内容
本文公开了激光器电路，所述激光器电路具有：供应器电力总线，所述供应器电力总线适于提供供应电压；第一恒流供应器；第二恒流供应器；和至少一个激光器驱动单元，所述至少一个激光器驱动单元处于激光器的电流路径中，所述激光器驱动单元具有适于调节通过所述激光器驱动单元的激光器电流的驱动器偏置控制晶体管；至少一个代理激光器驱动单元，所述至少一个代理激光器驱动单元具有适于调节通过所述代理激光器驱动单元的代理驱动电流的代理驱动器控制晶体管；和代理比较器电路，所述代理比较器电路具有第一输入、第二输入和输出，其中所述代理比较器电路适于基于所述第一输入与所述第二输入之间的差值来生成所述输出，并且所述第一恒流供应器和所述第二恒流供应器在所述代理比较器电路的所述第一输入处建立代理电压。在本公开的一个方面中，所述代理比较器电路的所述输出与所述代理激光器驱动单元电接合，使得所述代理比较器电路的所述输出改变通过代理激光器驱动单元的电流，并且用于所述代理激光器驱动单元的代理栅极控制信号电接合到所述驱动器偏置控制晶体管。在本公开的另一方面中，所述激光器驱动单元具有激光器驱动单元漏极电压，所述代理驱动单元具有代理激光器驱动单元漏极电压，并且比较器电路适于伺服所述代理驱动单元漏极电压以匹配所述激光器驱动单元漏极电压。在本公开的又一方面中，所述激光器是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在本公开的另一方面中，代理比较器电路的输出通过第一代理耦合晶体管和第二代理耦合晶体管与代理激光器驱动单元电接合，并且所述第一耦合晶体管和所述第二耦合晶体管中的每一者的栅极电连接到所述代理比较器电路的所述输出。
所公开的示例性激光器电路包括第一代理耦合晶体管，所述第一代理耦合晶体管具有电连接到电流镜的漏极端子，并且所述电流镜的输出电连接到代理驱动器控制晶体管的栅极，以提供代理栅极控制信号。在本公开的一个方面中，代理栅极控制信号通过电压到电流控制器电接合到驱动器偏置控制晶体管。在本公开的另一方面中，第二代理耦合晶体管具有电连接到所述代理驱动器控制晶体管的漏极和所述代理比较器电路的第二输入的漏极端子。在本公开的又一方面中，所述代理比较器电路的第一输入适于接收代理电压，所述代理电压具有约等于激光器的激光器阈值电压的第一电压分量和与所述激光器的基于电流的电压降成比例的第二电压分量，其中所述激光器的所述基于电流的电压降是通过所述激光器的电流的函数。在本公开的另一方面中，代理比较器电路的第一输入与所述第一恒流供应器、所述第二恒流供应器和代理电阻器电接合，其中所述代理电阻器电连接在所述代理比较器电路的所述第一输入与所述供应器电力总线之间，并且第一恒流供应器和第二恒流供应器适于各自分别灌入恒流，所述恒流在所述代理比较器电路的所述第一输入处建立所述代理电压。在本公开的又一方面中，所述代理电压指示所述激光器的激光器拐点电压与所述激光器的基于电流的电压降之和，其中所述激光器的所述基于电流的电压降是通过所述激光器的电流的函数。在本公开的另一方面中，所述代理比较器电路的第一输入是反相的，并且所述代理比较器电路的所述第二输入是非反相的。
本文公开了激光器电路，所述激光器电路具有至少一个代理激光器驱动单元，其中所述激光器电路包括能够进行数字配置的第一恒流供应器和第二恒流供应器。在本公开的另一方面中，激光器驱动单元包括处于激光器的电流路径中的驱动器使能晶体管，并且代理激光器驱动单元包括处于所述代理驱动器控制晶体管的电流路径中的代理使能晶体管。在本公开的另一示例性方面中，所述第二恒流供应器适于供应电接合到电流镜的输出和代理驱动器控制晶体管的栅极的恒流。在本公开的一个方面中，代理比较器电路包括运算放大器。在本公开的另一方面中，缩放放大器电连接在第二恒流供应器与代理比较器电路之间。在本公开的又一方面中，激光器电路包括：多个激光器驱动单元，每个激光器驱动单元处于所述激光器的所述电流路径中；和/或多个代理激光器驱动单元。在本公开的另一方面中，激光器电路包括多个第二代理耦合晶体管，并且每个第二代理耦合晶体管分别电耦合到每个代理激光器驱动单元内的所述代理驱动器控制晶体管。
附图说明
图1是根据所公开的实施方案的激光器电路的电示意图；
图2是根据所公开的实施方案的电压到电流控制器和电流到电压控制器的电示意图；并且
图3是根据所公开的实施方案的激光器电路的电示意图。
具体实施方式
激光器光功率(其在本文中将称为激光器功率)是流动通过激光器的电流的函数。应当注意，虽然本说明书的其余部分将就VCSEL进行讨论，但是其同样适用于其他激光器。传统的驱动器设计是基于控制将电流传导到VCSEL的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)上的栅极电压，其中该栅极电压独立于VCSEL负载电压与光功率相关。然而，因为激光器控制MOSFET必须通过相对高的电流量，所以当漏极电压改变时，其改变MOSFET内的沟道长度(这称为沟道长度调制)。沟道长度调制产生MOSFET的漏极电流相对于漏极-源极电压(VDS)的可变性。因此，驱动器MOSFET的VDS的局部变化可以导致光功率相对于激光器的电压控制的变化和不准确性。这在其中局部接地之间存在变化的多VCSEL阵列中特别普遍。即使在校准之后，此类不准确性也可以导致激光器的光输出的准确性小于约80％。如本文所公开的，与单独基于激光器校准或其他电流近似技术来控制VCSEL驱动器控制电压相比，基于变化的VCSEL电流/正向电压特性和供应电压来控制VCSEL驱动器控制电压会产生更准确的光功率控制。
本文所公开的是改进的激光器电路和驱动器，这些激光器电路和驱动器通过导出在控制电路中用于期望的工作电流的栅极电压并在补偿电流驱动变化的实际VCSEL处再现相对于局部接地的所述栅极电压来瞄准和控制所关心的实际度量—光功率。通过允许用户选择可以更容易地从期望的光功率导出的期望电流，驱动器可以更准确地和容易地驱动激光器以提取期望的光功率。
在示例性实施方案中公开的控制电流通过使用模拟实际电路内VCSEL(以及伴随的驱动器电路)的适当拐点电压和电压电流-电阻(I-R)降特性的复制或代理激光器电路来导出，使得可以精确地控制通过激光器的电流。处于激光器的电流路径中的实际激光器驱动单元(例如，驱动器FET)的驱动器偏置电压由代理控制电路基于通过复制或代理VCSEL电路的电流和驱动器电路两端的实际电压控制，这使基于电压变化的不准确性最小化，这继而将使沟道长度调制和电流不准确性最小化。这样，驱动器偏置电压不被直接控制，而是在实际驱动器导通状态操作电压下从期望的电流导出。此类解决方案可以提供大于98％的实际光输出的准确性，这是对现有技术的改进。
在图1中示出包括半导体激光器204的示例性激光器电路200，该半导体激光器可以是例如VCSEL。从供应器电力总线202(也标记为Vdd)给激光器204供电。电流205流动通过VCSEL 204到达局部激光器接地207。一旦VCSEL两端的电压超过阈值电压(其也可称为“拐点”电压或结电压)，则VCSEL开始传导电流。一旦该电流超过阈值电流，并且VCSEL高于拐点电压并克服VCSEL的I-R降，VCSEL就开始产生激光。正向电压等于拐点电压加上VCSEL电阻两端的电压降。通过VCSEL 204的电流205经由处于VCSEL 204的电流路径中的激光器驱动单元206来控制，该激光器驱动单元包括例如驱动器偏置控制晶体管210，该驱动器偏置控制晶体管被示出为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。偏置控制晶体管210可以在MOSFET的饱和区中操作。如下面将讨论的，在特定配置中，偏置控制晶体管可以在三极管区中操作。在饱和区中，漏极电流(即，电流205)将基于偏置控制晶体管的栅极电压变化，这允许对激光器204的电流205控制。但是，例如由于先前讨论的沟道长度调制效应，漏极电流205也将相对于驱动器偏置控制晶体管的VDS变化。此类变化的斜率也将在激光器204的变化条件下改变。因此，所公开的激光器电路200将利用代理电路以基于代理漏极电压来确定控制信号，并减小与此类变化相关联的误差。虽然图1将使用n和p沟道MOSFET以用于示范目的，但是应当理解，也可以使用其他类型的晶体管或场效应晶体管(FET)，这取决于配置，例如正侧或负侧控制。类似地，在描绘n或p沟道晶体管的时候，本公开并不限于n或p沟道晶体管。虽然将n沟道MOSFET示出用于VCSEL 204的负侧控制，但是在另选的配置中，p沟道MOSFET也可以用于正侧控制。对于本文所公开的其他n和p沟道MOSFET也是如此。
驱动器偏置控制晶体管210可以适于由驱动器偏置栅极控制信号211驱动。任选地，激光器驱动单元206可以包括处于激光器204的电流路径中的第二晶体管，例如，驱动器使能晶体管212，其可以用作激光器204的“开”“关”使能晶体管或用于激光器的时间循环或调制。在此类配置中，驱动器使能晶体管212可以适于经由驱动器使能栅极控制信号213对激光器204进行数字时间循环，同时驱动器偏置控制晶体管210经由驱动器偏置栅极控制信号211来控制激光器204的电流205，并且因此控制其光功率输出。
驱动器偏置栅极控制信号211通过使用代理激光器驱动单元220导出，该代理激光器驱动单元被设计成按比例表示或匹配实际激光器204及其相关联的激光器驱动单元206的电压降。代理激光器驱动单元220可以包括代理驱动器控制晶体管222，该代理驱动器控制晶体管适于调节通过代理激光器驱动单元220的代理驱动电流221。代理驱动器控制晶体管222被描绘为n沟道MOSFET。因为代理激光器驱动单元220被设计成按比例表示激光器驱动单元206，所以代理驱动器控制晶体管222可以被选择成在配置上类似于驱动器偏置控制晶体管210，但是它可以具有代理激光器驱动单元220的不同比例缩放。
代理驱动器控制晶体管222应当被选择成具有与驱动器偏置控制晶体管210类似的电流控制和沟道长度调制效应。应当注意，代理驱动器控制晶体管222可以被选择成与驱动器偏置控制晶体管210相同的晶体管，然而，驱动器偏置控制晶体管210的尺寸必须被设计得足以通过激光器204的全部电流205，因此使用相同的晶体管虽然有效，但是可能在代理激光器驱动单元220内导致功率浪费。因此，假如代理驱动器控制晶体管222足够大以具有与驱动器偏置控制晶体管210类似的沟道调制效应和沟道电流密度，则该代理驱动器控制晶体管的尺寸可被设计成驱动器偏置控制晶体管210的电流能力的比例分数，这可以在以较小功率成本准确地再现电压降特性中提供平衡。这可以使用用于代理驱动器控制晶体管222的MOSFET来实现，与驱动器偏置控制晶体管210相比，这些MOSFET具有更小的沟道宽度。与驱动器偏置控制晶体管210相比，这样做提供了准确的代理特性，而不使用与驱动器偏置控制晶体管210一样多的电流。例如，代理驱动器控制晶体管222可以被选择成具有为驱动器偏置控制晶体管210的额定电流和/或沟道宽度的从1至1/1,000,000的经缩放的额定电流和/或沟道宽度，在另一示例中，缩放乘数为约1/100至约1/10,000。类似于代理激光器驱动单元220，任选地，代理激光器驱动单元206可以包括处于代理驱动器控制晶体管222的电流路径中的第二晶体管，例如，代理使能晶体管223，其可以类似地用作“开”“关”使能晶体管或用于对代理激光器驱动单元206进行时间循环或调制。代理使能晶体管223可以被选择成具有与驱动器使能晶体管212类似的IR降特性，但是可以类似于代理驱动器控制晶体管222被缩放为具有分数电流承载能力。电流流动通过代理激光器驱动单元220到达代理接地225，该代理接地不需要处于与局部激光器接地207相同的电势。
激光器电路200包括第一恒流供应器214和第二恒流供应器216。如本文所用，恒流供应器可以适于根据其配置或功能来灌入或拉取电流，这将在下面进行讨论。虽然第一恒流供应器214和第二恒流供应器216被示意性地表示为两个不同的电流源，但是它们不需要如此，并且可以被组合为单个装置或封装，前提条件是此类配置提供根据需要设置至少两个不同电流以控制输入232处的代理电压的能力(下面进行讨论)。在一个示例中，第一恒流供应器214和第二恒流供应器216是例如电流数模转换器(I-DAC)。第一恒流供应器214和第二恒流供应器216中的每一者分别具有电流灌入“输入”215、217，并且第二恒流供应器216还具有恒流供应“输出”218。出于本公开的目的，基于其灌入或供应电流的相应功能，如果恒流供应器上的端子适于灌入电流，则其将称为“输入”，并且如果端子适于供应电流，则其将称为“输出”，例如，第一恒流供应器输入215、第二恒流供应器第一输入217和第二恒流供应器输出218各自适于将电流灌入输入215、217以及将电流供应到输出218。
第一恒流供应器214和第二恒流供应器216中的每一者可以能够通过数字输入或其他系统配置来配置，以修改通过第一恒流供应器输入215、第二恒流供应器输入217和第二恒流供应器输出218中的每一者的电流灌入/供应量。此类配置被示意性地表示为配置输入250。第一恒流供应器214和第二恒流供应器216中的每一者被配置为通过代理电阻252将电流灌入第一恒流供应器输入215和第二恒流供应器输入217，以参考供应器电力总线202基于代理电阻252两端的电压降在代理比较器电路230的输入232处建立代理电压。代理比较器电路230(其操作将在下面进行讨论)可以实施为例如伺服放大器。应当结合第一恒流供应器214和第二恒流供应器216来选择代理电阻252，使得其提供期望的代理电压。代理电压(并且因此代理比较器电路230的输入232处的电压)是两个电压分量的总和。第一是由通过代理电阻252灌入第一恒流供应器输入215的电流253建立的电压降分量。第二是由通过代理电阻252灌入第二恒流供应器输入217的电流251建立的电压降。在该配置中，第一恒流供应器214和第二恒流供应器216可以例如通过配置输入250来独立地配置，使得它们灌入适当的电流以实现期望的相对代理电压分量。例如，第一恒流供应器214可以被配置为灌入足够的电流以使得代理电压的第一代理电压分量表示或等于激光器204的拐点电压，并且第二恒流供应器216可以被配置为灌入激光器204的期望电流205或其比例分数以使得代理电压的第二代理电压分量表示或等于激光器204的I-R降。因此，代理电压是第一代理电压分量和第二代理电压分量的总和，它们一起表示或等于激光器204的正向电压。第二恒流供应器216的输出218还可以被配置为供应与灌入第二恒流供应器216的输入217的电流量相同的电流量或其比例值。任选地，可以包括可配置缩放放大器260(能够通过缩放配置输入262配置)，以按比例缩放或放大第二恒流供应器输入217的灌入能力，以获得表示或等于激光器204的I-R降的期望代理电压或其比例缩放系数。如下面将讨论的，代理比较器电路230将基于指示代理激光器驱动单元220的电流221的反馈信号将其输出238驱动到平衡于代理比较器电路230的第二输入234。
代理比较器电路230在240处与代理激光器驱动单元220电接合。例如，接合部240被示出为具有第一代理耦合晶体管(其将称为代理栅极耦合晶体管242)和第二代理耦合晶体管(其将称为代理漏极耦合晶体管244)。代理栅极耦合晶体管242和代理漏极耦合晶体管244中的每一者在本配置中被示出为p沟道MOSFET，但是如上所述，也可以使用其他配置。代理比较器电路230的输出238电连接到代理栅极耦合晶体管242和代理漏极耦合晶体管244中的每一者的栅极。并且代理栅极耦合晶体管242和代理漏极耦合晶体管244中的每一者的源极电连接到供应器电力总线202。代理栅极耦合晶体管242的漏极电连接到电流镜253，该电流镜将把电流镜输入电流254镜像到电流镜输出电流255，该电流镜输出电流被示出为配置为电流灌入。虽然可以使用任何已知的电流镜，例如共源共栅电流镜，但是出于说明的目的，示出了具有镜像后n沟道MOSFET晶体管256A和镜像中n沟道MOSFET晶体管256B的简单电流镜253，其中每个晶体管256A的栅极连接并电连接到代理栅极耦合晶体管242的漏极。电流镜253的功能是将电流镜输入电流254镜像到电流镜输出电流255。假设镜像后晶体管256A和镜像晶体管256B是等效晶体管，则电流镜输入电流254将等于电流镜输出电流255。然而，另选地，镜像晶体管256B也可以是镜像后晶体管256A的缩放倍数尺寸，使得电流镜输入电流254是电流镜输出电流255的分数或倍数。
然而，不管电流镜253的配置如何，在平衡时，电流镜输出电流255(或电流灌入输入)将等于由第二恒流供应器输出218供应的第二恒流供应器输出电流219。电流镜253的输出257电连接到代理驱动器控制晶体管222和第二恒流供应器输出218，以提供代理栅极控制信号224。此外，代理漏极耦合晶体管244的漏极电连接到代理驱动器控制晶体管222的漏极和代理比较器电路230的第二输入234。
虽然代理漏极耦合晶体管244的尺寸被设计成使代理驱动电流221通过，但是代理栅极耦合晶体管242的尺寸可以被设计成代理漏极耦合晶体管244的缩放分数，以减小激光器电路200的功率消耗。在此类情况下，可以根据需要使用不同尺寸的晶体管256A、256B来缩放电流镜253以匹配电流219。
代理比较器电路238可以包括被配置作为伺服放大器的运算放大器(OPAMP)和另外的配置电路，然而，为了清楚起见，省略了代理比较器电路230的另外输入，例如正供应电压和负供应电压。如图所示，代理比较器电路230的第一输入232是反相输入，并且代理比较器电路230的第二输入234是非反相输入。代理比较器电路230被配置作为伺服电路，以比较其第一输入232与第二输入234，并且朝向零驱动该差值。
在平衡时，第一恒流供应器214可以被配置为通过代理电阻252灌入足够的电流253以匹配激光器204的拐点电压，并且第二恒流供应器216可以被配置为在217处灌入(并且在218处供应)与期望电流205成比例的电流，使得来自电流251的通过代理电阻252的电压降匹配激光器204的IR降。因此，222的栅极电压(代理栅极控制信号224)是针对激光器驱动器单元206的导出控制参考，其在图1上也称为V控制，并且将用于生成驱动器偏置栅极控制信号211(从211到局部激光器接地207的电势)，其将指示219处的电流以使代理驱动单元220的适当漏极电压根据激光器204的负载电压(正向电压)来匹配激光器驱动单元206的漏极电压。也就是说，对于期望电流，代理驱动单元220将在与激光器驱动单元206相同的漏极电压条件下操作，因此将相应地导出代理栅极控制信号224。
作为示例，如果期望更多的激光器204电流205，则可以调整第二恒流供应器216配置输入250以通过第二恒流供应器输入217灌入更多的电流(并且在第二恒流供应器输出218处供应更多的电流219)，更多的电流251将被汲取通过代理电阻252，从而导致代理比较器电路第一输入232处的代理电压由于代理电阻252两端的电压降增加而降低。因为在代理比较器电路第一输入232处所得到的代理电压是反相输入，所以这初始导致代理比较器电路输出238增加。该增加导致代理栅极耦合晶体管242和代理漏极耦合晶体管244两者的源极到栅极电压的初始降低，这将导致电流镜输入电流254和代理驱动电流221初始降低。电流镜输入电流254的降低初始将导致电流镜输出电流255的降低。增加的供应电流219与降低的电流镜输出电流255之间的差值导致代理栅极控制信号224增加，这导致电流221增加。
当电流221增加时，代理比较器电路第二输入234的电压降低，这继而将导致代理比较器电路输出238降低，从而增加电流254和电流镜输出255。该循环将继续直到电流镜输出255等于供应电流219。在进一步稳定之后，比较器电路230将最终朝向零伺服第一输入232与第二输入234之间的差值，在此时，代理驱动器控制晶体管222的漏极电压将近似等于232处的代理电压，该代理电压通过配置输入250被编程为表示或等于驱动器偏置控制晶体管210的漏极电压。此外，由于电流镜输入电流254有效地等于电流镜输出255和供应电流219(或与它们成比例)，并且电流221是电流镜输入电流254的缩放系数(基于代理栅极耦合晶体管242和代理漏极耦合晶体管244的相对缩放)，因此所得到的电流221是供应电流219的缩放电流。此时，代理驱动器控制晶体管222的漏极电压(并且因此，代理激光器驱动单元220的漏极电压)应当近似等于驱动器偏置控制晶体管210的漏极电压(并且因此，激光器驱动单元206的漏极电压)，由于代理驱动电流221与驱动器偏置控制晶体管210之间的任何缩放(如上所述)，激光器电流205将是代理驱动电流221的缩放和供应电流219的缩放。因此，在平衡时，代理栅极控制信号224是用于期望激光器电流205的适当导出的相对V控制信号。
总体效果是激光器电路200通过代理激光器驱动单元220生成代理栅极控制信号224(V控制)，该信号适合于在缩放的激光器电流205下将激光器驱动单元206驱动至在针对代理驱动器控制晶体管222和驱动器偏置控制晶体管210的相同漏极电压下的代理驱动电流221(供应电流219的缩放倍数)。
如果期望更少的电流激光器电流205，则相反的条件也成立，在这种情况下，第二恒流供应器216的配置输入250被调整为在第二恒流供应器输入217处灌入更少的电流(并且在第二恒流供应器输出218处供应更少的电流)。
导出的栅极电压(代理栅极控制信号224)以例如通过使用电压到电流控制器300(或V到I控制器)使局部激光器接地207与代理接地225之间的差值的影响最小化的方式电接合到激光器驱动单元206。在图2中示出了电压到电流控制器的一个示例，然而应当理解，存在会将所公开的电压信号转换为电流信号的另外配置。
参考图2，示例性电压到电流控制器300利用作为比较器的放大器312(例如，运算放大器)和MOSFET 314来伺服通过电阻316的电流，直到电阻316两端的电压降等于代理栅极控制信号224(V控制)的电压降。然后，在一个示例中，该电流可以通过电流镜320被镜像，以用于传输和连接到一个或多个驱动单元206。
在一个或多个驱动单元附近，电流到电压转换器310a至310n(n可以是任何整数)可以分别使用在电阻317a两端产生的相同I-R电压电阻值来实施，以将电流转换为相对于局部激光器接地207a(或207a、......、207n)的驱动器偏置栅极控制信号211。应当注意，如果利用1:1电流镜320(其中图2中的M等于1)，则电阻317a将等于316。然而，可以使用其中M不等于1并且电流被缩放的其他配置。因为驱动器偏置栅极控制信号211相对于局部激光器接地207在电阻317a两端产生，所以相对于接地变化的不准确性被最小化。另外，如果需要，可以针对每个激光器驱动单元206(206a、......、206n)存在一个电流到电压转换器310a-310n(如参考图3所讨论的)，或者紧密靠近的多个激光器驱动单元206可以共享一个或多个电流到电压转换器310。无论怎样，可以在一个或多个驱动单元206处实施相同的栅极-源极电压，而不管局部激光器接地207如何。
任选地，如图3的激光器电路200a中所示(其中相似的附图标号指示类似的部件(并且为了清楚起见，省略了某些附图标号))，存在多个激光器驱动单元206a、206b、......、206n(n可以是任何整数)，其中这些激光器驱动单元中的每一者将统称为206N。并且因此，导出的代理栅极控制信号224可以作为驱动器偏置栅极控制信号211N(分别为211a、211b、......、211n)应用，使得激光器驱动单元206N中的每一者可以例如并行地共同使激光器204的驱动电流205通过。或者，在另一替代方案中，驱动器使能晶体管212N(212a、212b、......、212n)可以用于选择性地启用一个或多个激光器驱动器单元206，以在期望小于最大输出功率时减小激光器204的总电流205。通过将激光器驱动单元206N分段成多个激光器驱动单元206a、206b、......、206n，当与单体激光器驱动单元相比时，可以获得某些优点，包括例如模拟准确性、生产测试、可缩放性和物理设计。
如上所述，激光器驱动单元206N可以实施为低侧(n-ch)或高侧开关(p-ch)(图中所示仅为低侧开关)。高电流单体激光器驱动器通常需要开关(例如，驱动器偏置控制晶体管或驱动器使能晶体管、FET)对于低RDS或VDSAT(保持晶体管饱和所需的最小电压)是大的。对于安培范围内的电流(即>1A)，FET的尺寸可以毫米为单位，并且任何CMOS反相器预驱动器中的FET可以具有例如100um的宽度。
因此，模拟准确性可以得到改进。大型装置具有分布式电阻器和电容器寄生效应，其甚至在装置自身内导致延迟和电流拥挤。对于具有尺寸可管理的多个子部分的实施方式，这个问题按比例减小。多个激光器驱动单元子部分之间的电阻和电容模拟确定可以依赖于标准IC提取技术，从而使与较大的单体装置相关联的大的电阻器和电容器寄生效应的影响最小化。
此外，对于质量保证测试，特别是在制造期间的晶片分类环境中，难以管理高电流。导线和探针较长，并且具有干扰高电流电路的正确操作的电阻和电感。多个激光器驱动单元之间的分段式设计可以一次测试一个分段。
分段式设计也可以更容易缩放。可以通过增加分段或激光器驱动单元的数量来创建分段式电路的未来版本或更高电流版本。已经设计和证明的分段将给出可靠的结果。并且这些分段可以根据需要在地理上分布在集成电路上。对于高电流，将存在去往负载的许多输入和输出(焊盘，支柱，焊料凸块—可以存在到负载的任何类型的物理接合部)。驱动器的分段可以放置在相关联的输入和输出附近。
虽然图中未示出，但是也可以在并行操作中利用另外的代理激光器驱动单元220和/或代理驱动器控制晶体管222，以适当地缩放代理驱动单元220的相对电流。
激光器电路200的上述讨论被描述为使得驱动器偏置控制晶体管210(以及代理驱动器控制晶体管222)在饱和区中操作，这可以是有利的，因为存在要控制的较小的电流斜率与漏极电压变化的关系。然而，晶体管也可以另选地在三极管区中操作，但是具有更大的电流-漏极电压斜率。

Claims (19)

1.一种激光器电路，其包括：
供应器电力总线，所述供应器电力总线适于提供供应电压；
第一恒流供应器；
第二恒流供应器；
至少一个激光器驱动单元，所述至少一个激光器驱动单元处于激光器的电流路径中，所述激光器驱动单元包括适于调节通过所述激光器驱动单元的激光器电流的驱动器偏置控制晶体管；
至少一个代理激光器驱动单元，所述代理激光器驱动单元包括适于调节通过所述代理激光器驱动单元的代理驱动电流的代理驱动器控制晶体管；
代理比较器电路，所述代理比较器电路包括第一输入、第二输入和输出，其中所述代理比较器电路适于基于所述第一输入与所述第二输入之间的差值来生成所述输出，其中所述第一恒流供应器和所述第二恒流供应器在所述代理比较器电路的所述第一输入处建立代理电压；
其中所述代理比较器电路的所述输出与所述代理激光器驱动单元电接合，使得所述代理比较器电路的所述输出改变通过所述代理激光器驱动单元的电流；
其中用于所述代理激光器驱动单元的代理栅极控制信号电接合到所述驱动器偏置控制晶体管。
2.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述激光器驱动单元具有激光器驱动单元漏极电压，所述代理驱动单元具有代理激光器驱动单元漏极电压，并且所述比较器电路适于伺服所述代理驱动单元漏极电压以匹配所述激光器驱动单元漏极电压。
3.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述激光器是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
4.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述代理比较器电路的所述输出通过第一代理耦合晶体管和第二代理耦合晶体管与所述代理激光器驱动单元电接合，其中所述第一耦合晶体管和所述第二耦合晶体管中的每一者的栅极电连接到所述代理比较器电路的所述输出。
5.如权利要求4所述的激光器电路，其中所述第一代理耦合晶体管具有电连接到电流镜的漏极端子，并且所述电流镜的输出电连接到所述代理驱动器控制晶体管的栅极，以提供所述代理栅极控制信号。
6.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述代理栅极控制信号通过电压到电流控制器电接合到所述驱动器偏置控制晶体管。
7.如权利要求4所述的激光器电路，其中所述第二代理耦合晶体管具有电连接到所述代理驱动器控制晶体管的漏极和所述代理比较器电路的所述第二输入的漏极端子。
8.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述代理比较器电路的所述第一输入适于接收代理电压，所述代理电压包括约等于所述激光器的激光器阈值电压的第一电压分量和与所述激光器的基于电流的电压降成比例的第二电压分量，其中所述激光器的所述基于电流的电压降是通过激光器的电流的函数。
9.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述代理比较器电路的所述第一输入与所述第一恒流供应器、所述第二恒流供应器和代理电阻器电接合，其中所述代理电阻器电连接在所述代理比较器电路的所述第一输入与所述供应器电力总线之间，并且第一恒流供应器和第二恒流供应器适于各自分别灌入恒流，所述恒流在所述代理比较器电路的所述第一输入处建立所述代理电压。
10.如权利要求9所述的激光器电路，其中所述代理电压指示所述激光器的激光器拐点电压与所述激光器的基于电流的电压降之和，其中所述激光器的所述基于电流的电压降是通过激光器的电流的函数。
11.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述代理比较器电路的所述第一输入是反相的，并且所述代理比较器电路的所述第二输入是非反相的。
12.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述第一恒流供应器和所述第二恒流供应器是能够数字配置的。
13.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述激光器驱动单元还包括处于所述激光器的所述电流路径中的驱动器使能晶体管，并且所述代理激光器驱动单元还包括处于所述代理驱动器控制晶体管的电流路径中的代理使能晶体管。
14.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述第二恒流供应器适于供应电接合到电流镜的输出和所述代理驱动器控制晶体管的栅极的恒流。
15.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述代理比较器电路包括运算放大器。
16.如权利要求1所述的激光器电路，其还包括电连接在所述第二恒流供应器与所述代理比较器电路之间的缩放放大器。
17.如权利要求1所述的激光器电路，其中所述激光器电路还包括多个激光器驱动单元，每个激光器驱动单元处于所述激光器的所述电流路径中。
18.如权利要求1所述的激光器电路，其中激光器电路还包括多个代理激光器驱动单元。
19.如权利要求18所述的激光器电路，其中所述激光器电路还包括多个第二代理耦合晶体管，并且每个第二代理耦合晶体管分别电耦合到每个代理激光器驱动单元内的代理驱动器控制晶体管。
CN202310354981.9A 2022-05-31 2023-04-04 电流控制的分段式激光器驱动器 Pending CN117154534A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/804,792 US20230387657A1 (en) 2022-05-31 2022-05-31 Current load-controlled laser driver
US17/804,792 2022-05-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117154534A true CN117154534A (zh) 2023-12-01

Family

ID=86226940

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310354981.9A Pending CN117154534A (zh) 2022-05-31 2023-04-04 电流控制的分段式激光器驱动器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230387657A1 (zh)
EP (1) EP4287425A1 (zh)
JP (1) JP2023177236A (zh)
KR (1) KR20230166898A (zh)
CN (1) CN117154534A (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2530368B2 (ja) * 1989-04-17 1996-09-04 富士通株式会社 駆動電流測定回路
US7630422B1 (en) * 2005-01-14 2009-12-08 National Semiconductor Corporation Driver for vertical-cavity surface-emitting laser and method
US9975255B1 (en) 2016-12-15 2018-05-22 Jabil Inc. Apparatus, system and method for providing a conformable vacuum cup for an end effector
NL2018243B1 (en) 2017-01-27 2018-08-07 Suss Microtec Lithography Gmbh Suction apparatus for an end effector, end effector for holding substrates and method of producing an end effector
US11239632B2 (en) * 2019-06-02 2022-02-01 Artilux, Inc. Laser driving apparatus with current control circuitry and multi-channel circuitry
TW202211357A (zh) 2020-08-17 2022-03-16 日商東京威力科創股份有限公司 搬運裝置、搬運系統、及末端執行器

Also Published As

Publication number Publication date
EP4287425A1 (en) 2023-12-06
JP2023177236A (ja) 2023-12-13
US20230387657A1 (en) 2023-11-30
KR20230166898A (ko) 2023-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7679353B2 (en) Constant-current circuit and light-emitting diode drive device therewith
US8766671B2 (en) Load driving apparatus
EP1503490A1 (en) Current sensing circuit
US7599416B2 (en) Laser diode driving circuit
KR100277452B1 (ko) 금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터의 드레인 전류 모니터용 회로
US7839097B2 (en) System and method for wide-range high-accuracy-low-dropout current regulation
EP3297105B1 (en) Driver circuit for a laser diode
US6600362B1 (en) Method and circuits for parallel sensing of current in a field effect transistor (FET)
US6181191B1 (en) Dual current source circuit with temperature coefficients of equal and opposite magnitude
CN109119418B (zh) 半导体集成装置及其栅极筛查试验方法
KR20110040891A (ko) 적어도 하나의 ｌｅｄ를 동작시키기 위한 방법 및 회로 어레인지먼트
CN112286280B (zh) 自适应恒流引擎
US10601416B2 (en) Gate drive device
CN117154534A (zh) 电流控制的分段式激光器驱动器
US11829179B2 (en) Integrated circuit and method for limiting a switchable load current
EP2467936B1 (en) Circuit with reference source to control the small signal transconductance of an amplifier transistor
JP3959924B2 (ja) 負荷駆動回路
JPWO2012137670A1 (ja) 負荷電流検出回路
US20210191445A1 (en) Current mirror circuit
WO2019126947A1 (en) Voltage monitoring circuit that manages voltage drift caused from negative bias temperature instability
KR102204117B1 (ko) Bjt 베이스 전류 보상 회로 및 이를 이용하는 led 구동 장치
JP2024061069A (ja) 信号出力装置および抵抗測定装置
KR100919050B1 (ko) 열전 냉각기에 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 장치 및제어 방법, 및 그 장치가 탑재된 광트랜시버
KR100344635B1 (ko) 3차원 함수 전압 발생기 회로
JPS61271518A (ja) パルス定電流回路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication