CN1190855C - 发光二极管驱动电路和用它的光传输模块 - Google Patents

发光二极管驱动电路和用它的光传输模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供可以高速工作的发光二极管驱动电路和用它的光传输模块。发光二极管驱动电路具备LED(1)，与该LED(1)串联连接的，由从输入端子(32)输入的外部输入信号使电流接通/断开的第1电流开关电路(2)，与该第1电流开关电路(2)并联连接的，为了使从上述LED(1)输出的光波形前沿部分形成所要的光波形，施加具有比上述外部输入信号的脉冲宽度窄的脉冲宽度的脉冲电流的脉冲电流发生电路(3)，和当与上述LED(1)并联连接的，上述第1电流开关电路(2)的电流断开时使积蓄在上述LED(1)中的电荷急速放电的放电电路(5)。

Description

发光二极管驱动电路和用它的光传输模块
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)驱动电路和用它的光传输模块，特别是涉及它在高速的光传输模块或光收发信机中的使用。
背景技术
已有的使光输出波形高速化的发光二极管(LED)驱动电路，如日本平成7年公开的专利公报7-74788“高速光传输电路”中揭示的那样，具有使用后沿时间的高速化电路，进一步对前沿部分也加以峰化的构成。
图6表示根据已有技术的发光二极管驱动电路。如图6所示，第1电流开关电路33，缓冲放大器34和倒相电路35的输入端与输入端子32连接。第1电容器36与缓冲放大器34的输出端连接，第2电流开关电路38与第1电容器36连接。第2电容器37与倒相电路35的输出端连接，第3电流开关电路39与第2电容器37连接。由PNP晶体管构成的电流密勒电路40与该第3电流开关电路39连接，LED1与该电流密勒电路40连接。第1，第2电流开关电路33，38与该LED1的阴极连接。此外，将电源电位Vcc供给LED1的阳极。
如果根据上述已有的驱动电路，则由第1电流开关电路33使LED1的驱动电流接通/断开，同时通过缓冲放大器34的数字信号被第1电容器36微分，这个被微分的数字信号的前沿由比较电路+第2电流开关电路38变换成电流信号并加到LED1上。进一步，由倒相电路35反转的数字信号被第2电容器37微分，这个被微分的数字信号的后沿由比较电路+第3电流开关电路39变换成电流信号并加到电流密勒电路40上。而且，将这个电流密勒电路40的输出信号供给LED1的阴极。
通过这样的构成，因为在前沿时间使LED1过激励，在后沿时间使存储在LED1中的电荷放电，所以能够高速地驱动LED1。
发明内容
可是，在上述已有的驱动电路中存在下列所示的三个问题。
第一个问题是一般地能够用于IC内的PNP晶体管，多数为截止频率低的横向型的，不能流过高速脉冲电流。虽然也能够制作截止频率比较高的垂直型的PNP晶体管，但是除了不能流过NPN晶体管那样的高速脉冲电流外，由于收集极-基片之间的寄生电容大到100Mbps以上，进行驱动时不能得到足够的高速性。所以，存在着难以进行非常高速工作那样的问题。
第二个问题是因为由通过电容微分的微分信号产生脉冲电流，所以要将加在LED上的脉冲电流的脉冲宽度设计在所要的值上是困难的。因此，要使由微分信号产生的脉冲电流与用于使积蓄在LED中的电荷放电的脉冲电流的脉冲宽度一致是困难的。所以，存在着难以得到想要的光输出波形那样的问题。
第三个问题是，LED具有加在通常的耦合电容上的，流过电流时与该电流成比例地增大的100到200pF左右的迁移时间的电容成分。由于这个迁移时间的电容成分，当加上电流时，因为首先用这个电流使迁移时间的电容成分充电，所以在光输出达到所要的值之前产生10到20ns左右的延迟时间。进一步，在后沿时间，由于电压稍微下降电流就不流动，所以与前沿时间比较延迟时间较短。于是，光脉冲宽度比输入脉冲宽度窄，产生已有的电路构造不适用于高速传输的问题。
本发明就是要解决上述课题，本发明的目的是提供可以高速工作的发光二极管驱动电路和用它的光传输模块。
本发明为了达到上述目的用下面所示的装置。
本发明的发光二极管驱动电路具备发光二极管，与该发光二极管串联连接的，由从输入端子输入的外部输入信号使电流接通/断开的第1电流开关电路，与该第1电流开关电路并联连接的，为了使从上述发光二极管输出的光波形前沿部分形成所要的光波形，施加具有比上述外部输入信号的脉冲宽度窄的脉冲宽度的脉冲电流的脉冲电流发生电路，和与上述发光二极管并联连接的，当上述第1电流开关电路的电流断开时使积蓄在上述发光二极管中的电荷急速放电的放电电路。
上述放电电路具有其收集极与上述发光二极管的阳极连接，其发射极与上述发光二极管的阴极连接的晶体管，和与该晶体管的基极连接的电压开关电路，而且当上述第1电流开关电路接通时使上述晶体管中没有电流流动那样地设定上述电压开关电路的输出电压Von，当上述第1电流开关电路断开时使积蓄在上述发光二极管的结中的电荷放电那样地设定上述电压开关电路的电压Voff。
上述脉冲电流发生电路具备由使上述外部输入信号延迟的第1延迟电路，和一个输入端与上述第1延迟电路的输出端连接，另一个输入端与上述外部输入信号连接的EXOR(异或)电路，一个输入端与上述EXOR电路的输出端连接，另一个输入端与上述外部输入信号连接的AND(与)电路构成的前沿检测电路，和与该前沿检测电路的输出端连接的第2电流开关电路，而且上述脉冲电流发生电路产生上述前沿脉冲电流。
上述脉冲电流发生电路，在不产生前沿脉冲电流的时间区域中，输出比上述第1电流开关电路中的切换电流值低的恒定电流。
进一步在上述输入端子和上述第1电流开关电路之间，也可以具备使上述外部输入信号的脉冲宽度扩大到所定大小的脉冲整形电路。这里，上述脉冲整形电路具有使上述外部输入信号延迟的第2延迟电路，和一个输入端与上述第2延迟电路的输出端连接，另一个输入端与上述外部输入信号连接的OR(或)电路。
进一步也可以具备当上述发光二极管的工作温度发生变化，使正向的电压下降发生变化时，追随这个电压下降的变动，对上述电压开关电路的输出电压Von/Voff进行控制的温度补偿电路。
上述晶体管是由MOS晶体管构成的，上述电压开关电路的输出端与这个MOS晶体管的栅极连接，上述发光二极的阳极或阴极与上述MOS晶体管的源极连接，上述发光二极的阴极或阳极与上述MOS晶体管的漏极连接也是可以的。
如果根据本发明的发光二极管驱动电路，则通过放电电路能够使积蓄在发光二极管中的电荷急速地放电，能够得到后沿高速下降的波形。所以，不用PNP晶体管，也可以实现高速工作。
又，通过脉冲电流发生电路，能够产生脉冲宽度和峰值电流值受到控制的前沿脉冲电流。所以，通过将这个前沿脉冲电流加到发光二极管，能够缩短发光二极管的前沿时间，可以进行高速工作。进一步，因为通过用脉冲电流发生电路，不用微分信号产生脉冲电流，也可以产生脉冲电流，所以能够得到想要的光输出波形。
又，通过用脉冲整形电路对光输出波形进行调整，能够抑制由发光二极管特性引起的光脉冲宽度变窄。所以，可以产生有与输入脉冲相等的正确的脉冲宽度的光输出，可以进行高速工作。
用本发明的发光二极管驱动电路的光传输模块具备具有权利要求1或2记载的发光二极管驱动电路的IC，发光二极管，安装了上述IC和上述发光二极管的子模块基片或引线架，与上述发光二极管光学地耦合的光连接器，与上述IC或发光二极管电耦合的引线，和收藏上述子模块基片或引线架，上述光连接器和上述引线的外壳。
如果采取用上述本发明的发光二极管驱动电路的光传输模块，则通过用上述发光二极管驱动电路，能够得到具有正确的脉冲宽度。并且前沿和后沿时间高速的光输出波形。因此，本质上即便对于具有大的耦合电容值的发光二极管也可以进行高速调制，并且因为脉冲波形的畸变很小，所以能够实现可以适用于电力消耗小的低电压电源的光传输模块。
附图说明
图1是与本发明的第1实施形态有关的发光二极管驱动电路的构成图。
图2是与本发明的第1实施形态有关的脉冲电流发生电路的构成图。
图3是与本发明的第1实施形态有关的脉冲整形电路的构成图。
图4是与本发明的第2实施形态有关的发光二极管驱动电路的构成图。
图5是表示用本发明的发光二极管驱动电路的光传输模块的透视斜视图。
图6是已有技术的发光二极管驱动电路的构成图。
具体实施方式
下面我们参照诸图说明本发明的实施形态。
第1实施形态
图1表示与本发明的第1实施形态有关的发光二极管驱动电路。如图1所示，脉冲电流发生电路3和脉冲整形电路16的输入端与输入端子32连接，第1电流开关电路2和放电电路5的输入端与这个脉冲整形电路16的输出端连接。LED1的阳极和阴极与该放电电路5的输出端连接，脉冲电流发生电路3和第1电流开关电路2的输出端与该LED1的阴极的连接。这样，第1电流开关电路2与LED1串联连接，放电电路5与LED1并联连接，脉冲电流发生电路3与第1电流开关电路2并联连接。此外，将电源电位Vcc供给LED1的阳极。又，第1电流开关电路2由从输入端子32输入的外部输入信号使电流接通/断开。
上述放电电路5具有当上述第1电流开关电路2的电流断开时使积蓄在LED1中的电荷急速放电的功能。该放电电路5是由与脉冲整形电路16的输出端连接的电压开关电路10和与该电压开关电路10连接的晶体管6构成的。这里，电压开关电路10的输出端与晶体管6的基极8连接，LED1的阳极与收集极7连接，LED1的阴极与发射极9连接。进一步，当上述第1电流开关电路2接通时使晶体管6中没有电流流动那样地设定电压开关电路2的输出电压Von，当上述第1电流开关电路2断开时使积蓄在LED1的结中的电荷通过晶体管6放电那样地设定电压开关电路2的输出电压Voff。
根据这样的构成，因为在输入信号的后沿时间中，能够使积蓄在LED1中的电荷急速地放电，所以能够得到后沿高速下降的波形。
图2表示脉冲电流发生电路3的电路构成。脉冲电流发生电路3具有为了使从LED1输出的光波形前沿部分形成所要的光波形，施加有比外部输入信号的脉冲宽度窄的脉冲宽度的脉冲电流的功能。如图2所示，脉冲电流发生电路3是由为了使从输入端子32输入的外部输入信号延迟而设置的第1延迟电路12，一个输入端与上述第1延迟电路的输出端连接，另一个输入端与上述外部输入信号连接的异或电路(以下称为EXOR电路)13，一个输入端与上述EXOR电路13的输出端连接，另一个输入端与上述外部输入信号连接的AND电路14构成的前沿检测电路，和与该前沿检测电路的输出端连接的第2电流开关电路15构成的。这里，第2电流开关电路15具有能够保持从前沿检测器(前沿检测电路)输入的脉冲宽度，同时能够可变地设定峰值电流值的功能。
根据这样的构成，在EXOR电路13的输出端可以得到，具有在与输入信号的前沿部分和后沿部分相对应的部分，由第1延迟电路12决定的延迟时间长度的脉冲信号。通过取这个脉冲信号和输入信号的AND，在AND电路14的输出端，能够得到与输入信号的前沿部分相当的脉冲信号。而且，根据这个脉冲信号，从第2电流开关电路15产生前沿脉冲电流。这样，通过将脉冲宽度和峰值电流值受到控制的前沿脉冲电流加到LED1上，能够缩短LED1的前沿时间，并且能够产生接近矩形的脉冲。
图3表示脉冲整形电路16的构成。如图3所示，脉冲整形电路16是由使从输入端子32输入的外部输入信号延迟的第2延迟电路17，和一个输入端与上述第2延迟电路17的输出端连接，另一个输入端与输入端子32连接的OR电路18构成的。
根据这样的构成，将从输入端子32输入的外部输入信号直接输入到OR电路18，同时输入到第2延迟电路17。通过对被该第2延迟电路17延迟的延迟信号和外部输入信号进行取OR(或)处理，能够从OR电路18产生脉冲宽度大的脉冲信号。这个脉冲信号只能够在输入端子32输入信号和在第2延迟电路17延迟的时间中，使脉冲宽度扩大。通过由这个脉冲宽度大的脉冲信号使第1电流开关电路2的输出电流接通/断开，使LED1的光输出接通/断开。如上所述，脉冲整形电路16能够将外部输入信号的脉冲宽度扩大到所定的大小。所以，通过用脉冲整形电路16调整光输出的波形，能够防止使光输出的脉冲宽度变窄。因此，可以使输入的脉冲宽度和光输出的脉冲宽度相同，从而可以进行高速工作。
如果根据上述第1实施形态，则形成由电压开关电路10和晶体管6构成的放电电路5，将这个放电电路5的电压开关电路10设定在所定的输出电压上。因此，能够使积蓄在LED1中的电荷急速地放电，能够得到后沿高速下降的波形。所以，不用PNP晶体管，也可以实现高速工作。
又，形成由前沿检测电路和第2电流开关电路15构成的脉冲电流发生电路3。通过这个脉冲电流发生电路3，能够产生脉冲宽度和峰值电流值受到控制的前沿脉冲电流。所以，通过将这个前沿脉冲电流加到LED1上，能够缩短LED1的前沿时间，可以进行高速工作。进一步，因为通过用脉冲电流发生电路3，不用微分信号产生脉冲电流，也可以产生脉冲电流，所以能够得到想要的光输出波形。
又，形成由第2延迟电路17和OR电路18构成的脉冲整形电路16。通过用这个脉冲整形电路16对光输出波形进行调整，能够抑制由LED1特性引起的光脉冲宽度变窄。所以，可以产生有与输入脉冲相等的正确的脉冲宽度的光输出，从而可以进行高速工作。
此外，在上述脉冲电流发生电路3中，为了在不产生前沿脉冲电流的时间区域中，输出比第1电流开关电路2中的切换电流值低的恒定电流，也可以设定脉冲电流发生电路3的输出电流。具体地，例如，控制加在第2电流开关电路15所示的晶体管基极上的低电平电压，或使别的恒定电流电源与第2电流开关电路15的输出端连接。因为通过用这种方法流动恒定电流，不仅能够得到在上述第1实施形态中的效果，而且能够使在脉冲整形电路16中调整的脉冲宽度的校正值变小，所以也能够减少由元件的偏差引起的脉冲宽度畸变的离散。
又，在本发明的半导体装置中，也可以具备当LED1的工作温度发生变化，使顺方向的电压下降发生变化时，追随这个电压下降的变动，能够对上述电压开关电路10的输出电压Von/Voff进行控制的温度补偿电路。这时，不仅能够得到在上述第1实施形态中的效果，而且进一步，因为当LED1的工作温度发生变化，使顺方向的电压下降发生变化时，通过温度补偿电路能够控制电压开关电路10的输出电压Von/Voff，所以具有能够减小光输出的后沿时间随温度变化的效果。
第2实施形态
第2实施形态的特征是将第1实施形态所示的放电电路5的晶体管6变更为MOS晶体管。
图4表示与本发明的第2实施形态有关的发光二极管驱动电路。如图4所示，与第1实施形态不同的构造只是放电电路5的构成。这个放电电路5是由与脉冲整形电路16的输出端连接的电压开关电路10和与这个电压开关电路10连接的P隧道MOS晶体管19构成的。这里，电压开关电路10的输出端与MOS晶体管19的栅极21连接，LED1的阳极或阴极与MOS晶体管19的源极20连接，LED1的阴极或阳极与MOS晶体管19的漏极22连接。因为上述以外的构造与第1实施形态相同，所以省略对它们的说明。
在这样的构成中，通过当断开LED1的驱动电流时使MOS晶体管19接通，能够使积蓄在LED1中的电荷急速放电。因此，可以缩短后沿时间。
如果根据上述第2实施形态，则能够得到与第1实施形态相同的效果。进一步，与第1实施形态中的驱动电路比较可以缩短后沿时间。
此外，MOS晶体管19的源极电位也可以比电源电压Vcc低若干值。这时，不仅能够得到与上述第2实施形态相同的效果，而且进一步，也可以达到缩短后沿时间的目的。
第3实施形态
第3实施形态表示用上述第1，第2实施形态的LED驱动电路的光传输模块的例子。
图5表示与本发明的第3实施形态有关的光传输模块的透视斜视图。如图5所示，将由组成上述第1，第2实施形态所示的LED驱动电路的IC23，与该IC23连接的LED1，附随IC23工作的电容31和电阻30构成的模块全部安装在子模块基片24上。整形后的光连接器25全部与LED1光学地耦合起来，塑料·光纤等的光波导路径(图中未画出)与光连接器25光学地耦合起来。引线26与模块(IC23或LED1)的一侧电耦合起来，外部端子(图中未画出)与该引线26电耦合起来。而且，将子模块基片24，光连接器25和引线26的一部分模制在一起，例如被收藏在塑料·外壳27中。
此外，代替子模块基片24也可以用塑料·模制用的引线架。
又，引线26只设置在模块的一侧，但是能够适当的选择设置引线26的地点，例如也可以设置在外壳27的另一侧。进一步，也可以将确保将模块安装在印刷线路板上时的机械强度作为目的那样地设置引线。
又，即便是通过使传输模块并列地安装传输模块，一体化地形成收发信机·模块的构造，也没有脱离本发明的要旨。例如，如图5所示，作为接收模块，也可以将光检测器28和接收IC29设置在子模块基片24上。
如果根据上述第3实施形态，则通过用上述第1，第2实施形态所示的LED驱动电路，能够得到具有正确的脉冲宽度，并且前沿和后沿时间高速的光输出波形。因此，本质上即便对于具有大的耦合电容值的LED也可以进行高速调制，并且因为脉冲波形的畸变很小，所以能够实现可以适用于电力消耗小的低电压电源的光传输模块。
又，能够实现用单个电源进行工作，在通常的放热设计中可以使用的低电力消耗的紧凑的光连接器耦合型塑料传输模块或光收发信模块。
又，作为发光元件不用激光二极管而用LED，能够制成对于温度稳定的长寿命的光传输模块。
此外，在不脱离本发明要旨的范围内可以对本发明实施种种变形。
如果根据以上说明的本发明，则能够提供可以高速工作的发光二极管驱动电路和用它的光传输模块。

Claims (9)

1.发光二极管驱动电路，它的特征是它具备
发光二极管，
与该发光二极管串联连接的，由从输入端子输入的外部输入信号使电流接通/断开的第1电流开关电路，
与该第1电流开关电路并联连接的，为了使从上述发光二极管输出的光波形前沿部分形成所要的光波形，施加具有比上述外部输入信号的脉冲宽度窄的脉冲宽度的脉冲电流的脉冲电流发生电路，和
与上述发光二极管并联连接的，当上述第1电流开关电路的电流断开时使存储在上述发光二极管中的电荷急速放电的放电电路。
2.权利要求项1记载的发光二极管驱动电路，它的特征是
上述放电电路具有
集电极与上述发光二极管的阳极连接，发射极与上述发光二极管的阴极连接的晶体管，和
与该晶体管的基极连接的电压开关电路，而且
当上述第1电流开关电路接通时为了使上述晶体管中没有电流流动而设定上述电压开关电路的输出电压Von，当上述第1电流开关电路断开时为了使积蓄在上述发光二极管的结中的电荷放电而设定上述电压开关电路的电压Voff。
3.权利要求项1或2记载的发光二极管驱动电路，它的特征是
上述脉冲电流发生电路具备
由使上述外部输入信号延迟的第1延迟电路，和一个输入端与上述第1延迟电路的输出端连接，另一个输入端与上述外部输入信号连接的异或电路，一个输入端与上述异或电路的输出端连接，另一个输入端与上述外部输入信号连接的与电路构成的前沿检测电路，和
与该前沿检测电路的输出端连接的第2电流开关电路，而且
上述脉冲电流发生电路产生上述前沿脉冲电流。
4.权利要求项1或2记载的发光二极管驱动电路，它的特征是上述脉冲电流发生电路，在不产生前沿脉冲电流的时间区域中，输出比上述第1电流开关电路中的切换电流值低的恒定电流。
5.权利要求项1或2记载的发光二极管驱动电路，它的特征是进一步具备在上述输入端子和上述第1电流开关电路之间，使上述外部输入信号的脉冲宽度扩大到所定大小的脉冲整形电路。
6.权利要求项5记载的发光二极管驱动电路，它的特征是
上述脉冲整形电路具有使上述外部输入信号延迟的第2延迟电路，和
一个输入端与上述第2延迟电路的输出端连接，另一个输入端与上述外部输入信号连接的或电路。
7.权利要求项2记载的发光二极管驱动电路，它的特征是它进一步具备当上述发光二极管的工作温度发生变化，使正向的电压下降发生变化时，追随这个电压下降的变动，对上述电压开关电路的输出电压Von/Voff进行控制的温度补偿电路。
8.权利要求项2记载的发光二极管驱动电路，它的特征是
上述晶体管是由MOS晶体管构成的，
上述电压开关电路的输出端与这个MOS晶体管的栅极连接，上述发光二极的阳极或阴极与上述MOS晶体管的源极连接，上述发光二极的阴极或阳极与上述MOS晶体管的漏极连接。
9.使用了发光二极管驱动电路的光传输模块，它的特征是它具备
具有权利要求1或2记载的发光二极管驱动电路的IC，
发光二极管，
安装了上述IC和上述发光二极管的子模块基片或引线架，
与上述发光二极管光学地耦合的光连接器，
与上述IC或发光二极管电耦合的引线，和
收藏上述子模块基片或引线架，上述光连接器和上述引线的外壳。
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