CN1543027A

CN1543027A - 偏流生成电路、激光二极管驱动电路和光通信用发送器

Info

Publication number: CN1543027A
Application number: CNA2004100384648A
Authority: CN
Inventors: 濑下敏树
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2004-11-03
Also published as: US6982590B2; US20050104652A1; JP2004328640A

Abstract

提供一种偏流生成电路，可充分地补偿激光二极管的温度依赖性，得到不依赖于温度的光信号功率振幅，提供一种具有该偏流生成电路的激光二极管驱动电路和光通信用发送器。由低电位侧恒流源电路LCS1，依赖于温度，从第一电流供给端子供给对应于电阻R7的电流，由低电位侧恒流源电路LCS2，不依赖于温度，从第二电流供给端子供给对应于电阻R9的电流，由高电位侧恒流源电路HCS1，不依赖于温度，从第三电流供给端子供给对应于电阻R8的电流，该第三电流供给端子与电流镜电路的参照电流端子连接着。通过根据供给到该参照电流端子的电流，生成偏流，供给激光二极管，即使在激光二极管的发光效率的温度依赖性大的情况下，也能够充分地进行温度补偿。

Description

偏流生成电路、激光二极管驱动电路和光通信用发送器

技术领域

本发明涉及偏流生成电路、激光二极管驱动电路及光通信用发送器。

背景技术

驱动激光二极管的电路放大从并串行转换器或多路转换器的时间多路电路输出的高速数字信号，并输出驱动激光二极管所需的驱动电流。

在此，要求激光二极管驱动电路不仅放大高速信号，还要供给取决于温度的驱动电流。

一般地，当温度上升时，激光二极管的发光阈值电流就增加，并且发光效率就下降。在此，所述的发光阈值电流是开始发光的驱动电流的值，所述的发光效率是用驱动电流对光输出信号功率振幅进行微分的值。

对于发光阈值电流的增加，通过控制偏流发生电路的电流值来进行处理，所述的偏流发生电路区别于激光二极管驱动电路内的高速信号处理用放大器，另外设置。所述的该控制是接收来自与激光二极管靠近设置的监控用光电二极管的输出电流，根据该值来调整偏流。

由这样的偏流发生器生成的直流电流，决定激光二极管的平均发光功率。监控用光电二极管探测它，其信号能够利用返回到偏流发生器的负反馈通路，来控制平均发光功率，使其不依赖于温度。

下面，关于补偿随着激光二极管的温度上升而降低的发光效率的方法进行说明。

图5中示出驱动激光二极管的驱动电路中的、特别是对应于高速信号放大部部分的结构。该高速信号放大部具有驱动电流控制部1、差动输出部2、作为激励级的差动放大器DA100。

向差动放大器DA100的正相输入端子IN+和倒相输入端子IN一输入一对差动信号，经过该激励级，向作为最终放大级的差动输出部2输出。

该差动输出部2作为差动电路ECL(Emitter Coupled Logic即，射极耦合逻辑电路)，其结构包括双极型晶体管Q200和Q201，但有时也取代双极型晶体管，使用MESFET和MOSFET等的FET晶体管。

差动输出部2具有电阻R100和R101、成差动对的双极型晶体管Q200和Q201、电流源晶体管即双极型晶体管Q202。

由驱动电流控制部1控制供给双极型晶体管Q202的基极上的偏流。再有，双极型晶体管Q202的发射极在图中直接接地，但也可以通过电阻接地。

该驱动电流控制部1具有生成偏流Ibias的偏流生成电路BGC1和双极型晶体管Q100、Q101，形成了差动输出部2的晶体管Q202和电流镜电路。

在此，需要预先设定偏流生成电路BGC1产生的偏流Ibias，使得在温度上升时按所需的比例上升，以能够对应于激光二极管的特性。

用图6说明现有的偏流生成电路。

该偏流生成电路包括：带隙基准(band gap reference)电路BGRC，该带隙基准电路BGRC包括电阻R1、R2、R3、R4、NPN晶体管Q1、Q2、N沟道晶体管N1和运算放大器OP1；低电位侧恒流源电路LCS1，包括N沟道晶体管N3、运算放大器OP4、外接用端子PAD1和外接电阻R7；低电位侧恒流源电路LCS2，包括N沟道晶体管N4、运算放大器OP5、外接用端子PAD2和外接电阻R9；电流镜电路，具有P沟道晶体管P2和P3。

设定各个元件的参数，使得包括电阻R1、R2、R3、R4、NPN晶体管Q1、Q2、N沟道晶体管N1和运算放大器OP1的电路作为带隙基准电路BGRC进行工作。

这样，运算放大器OP1的输出电位V2不取决于温度和电源电压Vcc，而维持约1.2V。与电位V2相反，从电阻R3和电阻R4的连接节点生成与绝对温度成比例的接点电位V1。该电位V1在室温中等于电位V2的一半值(约0.6V)。

为了构成由启动信号Startup进行控制的启动电路，在接通电源之后，使带隙基准电路BGRC到达所需的工作点，而设置了NPN晶体管N1，所述启动信号Startup在接通电源时瞬间变为高电平，之后快速地变为接地电位Vss。

两组恒流源电路分别生成电流I1、I2，该两组恒流源电路将由带隙基准电路BGRC生成的两个电位V1、V2作为参照电位。

即，具有运算放大器OP4、NPN晶体管N3和电阻R7的第一恒流源电路生成电流I1(＝V1/R7)，具有运算放大器OP5、NPN晶体管N4和电阻R9的第二恒流源电路生成电流I2(＝V2/R9)。在此，电阻R7和R9分别连接在外部端子PAD1、PAD2与接地电压Vss端子之间，设置在构成激光二极管驱动电路的半导体集成电路的外部，由固定电阻、可变电阻或电子量IC等实现。

电流I1和电流I2相加等于电流I3，并成为用两个PMOS晶体管P2和P3形成的电流镜电路的基准电流。这样，作为镜电流，输出按PMOS晶体管P3和PMOS晶体管P2的选通脉冲宽度比(M)放大后的偏流Ibias。该偏流Ibias最终成为图5中示出的驱动电流控制部1中的、从偏流发生电路BGC1输出的偏流Ibias。晶体管Q100、Q101、Q102构成电流镜，差动输出部2的晶体管Q202的集电极电流，等于在Q202和Q101的大小比上乘以基准电流Ibias的值。其结果，激光二极管驱动电流振幅就与基准电流Ibias成比例。

根据以上内容，若将绝对温度设为T，则Ibias用以下的式(1)表示。

Ibias＝M×I3

＝M×(I1+I2)

＝M×{(V1/R7)+(V2/R9)}

＝M×{A×T/R7+B} (1)

在此，A、B是常数，分别如下表示。

A＝(0.004/R7)×T (2)

B＝1.2/R9 (3)

图7示出电流I1、I2、I3的各自的温度依赖性的一例。

利用电阻值R7和R9的值，能够使电流I1和电流I2的比率变化。若提高电流I2的比率，偏流Ibias的温度依赖性就变小，反之，若提高电流I1的比率，偏流Ibias的温度依赖性就变大。

这样地，通过按照各个激光二极管的发光效率的温度依赖性，调整外部电阻R7、R9的值，就能够使激光二极管的光输出振幅不依赖于温度而保持一定。

且说，在图6中示出的偏流生成电路中，在使电阻R9无限大的情况下，即去除电阻R9的情况下，偏流Ibias就在绝对温度中等于零，具有与温度成比例的特性。

这时，若将某一温度To下的偏流Ibias作为基准，则偏流Ibias的每1度温度的上升率等于1/To。此时若将温度To设为室温(300K)，则对于偏流Ibias的温度的变化率就等于1/3003333PPM。

一般地，激光二极管的发光效率的温度依赖性多数在3333PPM以上。对于这样的激光二极管，在具有图6中示出的偏流生成电路的激光二极管驱动电路中，就有不能进行温度补偿，不能得到不依赖于温度的光信号功率振幅的问题。

以下示出公开现有电流控制技术的文献。

【专利文献1】：特开2000-244250号公报。

如上所述，在现有的偏流生成电路中，具有对于激光二极管的发光效率的温度依赖性不能充分地进行温度补偿的问题。

发明内容

本发明鉴于上述事实，其目的在于提供一种偏流生成电路，可以充分地补偿激光二极管的温度依赖性，得到不依赖于温度的光信号功率振幅，提供一种具有该偏流生成电路的激光二极管驱动电路和光通信用发送器。

本发明的偏流生成电路的特征在于，包括：

带隙基准电路，具有：第一输出端子，与输入高电源电压的高电源电压端子和输入低电源电压的低电源电压端子连接，不依赖于温度，输出一定的第一电压；第二输出端子，输出根据温度而变化的第二电压；

第一低电位侧恒流源电路，包括：第一电阻，连接在上述低电源电压端子与第一端子之间；第一电流路径，连接在上述第一端子与第一电流供给端子之间，所述第一低电位侧恒流源电路以所述第二电压作为参照电位，从上述第一电流供给端子输出依赖于温度并对应于上述第一电阻的第一电流；

第二低电位侧恒流源电路，包括：第二电阻，连接在上述低电源电压端子与第二端子之间；第二电流路径，连接在上述第二端子与第二电流供给端子之间，所述第二低电位侧恒流源电路以所述第一电压作为参照电位，从上述第二电流供给端子输出不依赖于温度并对应于上述第一电阻的第一电流；

第三电阻，一端与上述高电源电压端子连接；

第三低电位侧恒流源电路，连接在上述第三电阻的另一端与上述低电源电压端子之间，将上述第一电压作为参照电位，向上述第三电阻流通不依赖于温度的第三电流；

高电位侧恒流源电路，包括：第四电阻，连接在上述高电源电压端子与第三端子之间；第三电流路径，连接在上述第三端子与第三电流供给端子之间，所述高电位侧恒流源电路将上述第三电阻的另一端中的第三电压作为参照电位，从上述第三电流供给端子输出不依赖于温度并对应于上述第四电阻的第四电流；

电流镜电路，与上述高电源电压端子连接，供给上述高电源电压，根据从参照电流端子供给的电流，生成偏流，

上述第一电流供给端子和上述第二电流供给端子及上述第三电流供给端子，与上述参照电流端子连接。

在此，上述第一低电位侧恒流源电路最好具有：

第一运算放大器，正相输入端子与上述第二输出端子连接，倒相输入端子与上述第一端子连接；

第一NMOS晶体管，漏极与上述第一电流供给端子连接，栅极与上述第一运算放大器的输出端子连接，源极与上述第一端子连接，

上述第二低电位侧恒流源电路具有：

第二运算放大器，正相输入端子与上述第一输出端子连接，倒相输入端子与上述第二端子连接；

第二NMOS晶体管，漏极与上述第二电流供给端子连接，栅极与上述第二运算放大器的输出端子连接，源极与上述第二端子连接，

上述高电位侧恒流源电路具有：

第三运算放大器，倒相输入端子与上述第三输出端子连接，正相输入端子与上述第三电阻的另一端连接；

第一PMOS晶体管，源极与上述第三端子连接，栅极与上述第三运算放大器的输出端子连接，漏极与上述第三电流供给端子连接。

在此，也可以取代第一、第二NMOS晶体管和第一PMOS晶体管，使用第一、第二NPN双极型晶体管和第一PNP双极型晶体管。

此外，上述第三低电位侧恒流源电路最好具有：

第四运算放大器，正相输入端子与上述第一输出端子连接；

第三NMOS晶体管，漏极与上述第三电阻的另一端连接，栅极与上述第四运算放大器的输出端子连接；

第五电阻，一端与上述第四运算放大器的倒相输入端子和上述第三NMOS晶体管的源极连接，另一端与上述低电源电压端子连接，

上述电流镜电路具有：

第二PMOS晶体管，源极与上述高电源电压端子连接，栅极和漏极与上述参照电流端子连接；

第三PMOS晶体管，源极与上述高电源电压端子连接，栅极与上述参照电流端子连接，从源极输出上述偏流。

在此，也可以取代第三NMOS晶体管和第二、第三PMOS晶体管，使用第三NPN双极型晶体管和第二、第三PNP双极型晶体管。

上述第一电阻、上述第二电阻和上述第四电阻也可以是固定电阻、可变电阻或电子量IC的某一种。

本发明的激光二极管驱动电路的特征在于，具有：

第六电阻，一端与上述高电源电压端子连接；

第四NPN双极型晶体管，集电极与上述第六电阻的另一端连接，向基极输入一方的差动输入信号；

第七电阻，一端与上述高电源电压端子连接；

第五NPN双极型晶体管，集电极与上述第七电阻的另一端连接，向基极输入另一方的差动输入信号；

第六NPN双极型晶体管，集电极与上述第四和第五NPN双极型晶体管的发射极连接，基极与电流输入端子连接，发射极直接或通过第八电阻接地，

具备：

差动输出部，输入上述差动输入信号后进行差动放大，至少从上述第四和第五NPN双极型晶体管的集电极的一方，生成用于驱动激光二极管的驱动电流信号；

第1至5方案中所述的上述偏流生成电路；

驱动电流控制部，被供给上述偏流生成电路生成的上述偏流，放大后供给到上述差动输出部的上述电流输入端子。

此外，本发明的光通信用发送器的特征在于，包括上述激光二极管驱动电路和被供给上述激光二极管驱动电路生成的上述驱动电流信号的激光二极管。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式涉及的偏流生成电路的结构的电路图。

图2是示出包括该实施方式涉及的偏流生成电路的激光二极管驱动电路、光通信用发送器的结构的电路图。

图3是示出该偏流生成电路中的偏流对于绝对温度的依赖性的图表。

图4是示出了将图1中的MOS晶体管置换为双极型晶体管时的结构的电路图。

图5是示出可使用本发明的偏流生成电路的激光二极管驱动电路的结构的电路图。

图6是示出现有的偏流生成电路的结构的电路图。

图7是示出该偏流生成电路中的偏流对于绝对温度的依赖性的图表。

具体实施方式

以下，参照附图，关于本发明的实施方式进行说明。

图1中示出本发明的一个实施方式涉及的偏流生成电路的结构。

此外，如图2所示，本发明的一个实施方式涉及的激光二极管驱动电路LDDC包括驱动电流控制部11、激励级CP100、差动输出部2、电流源CS，所述驱动电流控制部11包括图1中示出的偏流生成电路BGC11。

另外，本发明的一个实施方式涉及的光通信用发送器如图2所示，具有本实施方式涉及的激光二极管驱动电路LDDC和激光二极管LD，另外，包括用于抑制波形失真的电阻R11、RC滤波器RCF、电阻Rd、扼流圈CC，所述RC滤波器RCF包括电容C1和电阻R12。

图1中示出的本实施方式的偏流生成电路，在图6中示出的现有的偏流生成电路的结构中附加了低电位侧电流源电路LCS3、高电位侧电流源电路HCS1。在本实施方式中，在与现有的要素相同的要素上标记同一标记，省略说明。

低电位侧电流源电路LCS3具有：运算放大器OP2，将从带隙基准电路BGRC中包含的运算放大器OP1的输出端子输出的电位V2作为参照电位，向正相输入端子输入；NMOS晶体管N2，其漏极与电阻R6的一端连接，源极与运算放大器OP2的倒相输入端子连接，栅极与运算放大器OP2的输出端子连接；电阻R5，连接在晶体管N2的源极与接地端子之间。

由该低电位侧电流源电路LCS3和电阻R6构成电压偏移电路VSC，所述电阻R6一端与晶体管N2的漏极连接，另一端与电源电压V端子连接；所述电压偏移电路VSC仅使电压V2偏移所需电平，向运算放大器OP3的正相输入端子输入，作为参照电位V3。

低电位侧电流源电路LCS3上被施加不依赖于温度的电位V2，作为参照电位。若将流经电阻R6、晶体管N2、电阻R5的不依赖于温度的电流设为Ix，则电流Ix用以下的式(4)表示，此外，电位V3用以下的式(5)表示。

Ix＝V2/R5 (4)

V3＝VCC-R6·Ix＝VCC-(R6/R5)·V2 (5)

高电位侧电流源电路HCS1具有：电阻R8，连接在电源电压VCC端子与外部端子PAD3之间；运算放大器OP3，倒相输入端子与外部端子PAD3连接，正相输入端子与晶体管N2的漏极连接；PMOS晶体管P1，源极与外部端子PAD3连接，栅极与运算放大器OP3的输出端子连接，漏极与低电位侧电流源电路LCS1的晶体管N3的漏极连接。

由于高电位侧电流源电路HCS1上被供给不依赖于温度的参照电压V3，因此，向晶体管P1流过不依赖于温度的电流I4。利用电阻R8的电阻值来调整该电流I4的值。

具有这样结构的本实施方式，根据有无外部电阻R7、R8、R9，如下进行工作。

(1)当电阻R7和R8的电阻值无限大，电阻R9的电阻值有限时，偏流Ibias不依赖于温度，而维持一定值。

(2)当电阻R8的电阻值无限大，电阻R7和R8的电阻值有限时，偏流Ibias在绝对零度中具有有限的值，相对于温度线性增加。

(3)当电阻R8和R9的电阻值无限大，电阻R7的电阻值有限时，偏流Ibias在绝对零度中等于零，与温度成比例。

(4)当电阻R9的电阻值无限大，电阻R8和R9的电阻值有限时，偏流Ibias维持零，直到某个有限温度Tth，当超过温度Tth时，相对于温度线性增加。

上述(1)至(3)的特性与图6中示出的电路相同，但本实施方式还具有上述(4)的特性。图3的图表中示出上述(4)的特性。

如该图所示，在成为偏流Ibias的镜源(ミラ一元)的晶体管P2中流过的电流I3，直到Tth(约120K)是零，当超过该Tth时，则相对于温度线性增加。

由于生成电流I4的高电位侧电流源电路HCS1，在某温度Tth以下的温度中，不具有恒流源功能，只能供给与电流I1相同的值，因此，电流I3就不能变为负电流。

在此，要提高成为阈值的温度Tth，只要减小电阻比R8/R7的值即可。

某温度T0中的偏流Ibias的每1度温度的上升率R，用以下的式(6)表示。

R＝1/(T0-Tth) (6)

这样，通过使温度Tth接近T0，能够实质上无限制地增大偏流Ibias的温度变化。

这样地，根据本实施方式，由于能够利用与外部连接的电阻R7、R8的值，自由设定温度Tth，因此，即使对于发光效率的温度依赖性大的激光二极管，也能充分进行温度补偿。

即，即使对于发光效率的温度依赖性大的激光二极管，也能不依赖于温度，而维持光输出功率振幅一定。

上述的实施方式都是例子，不限定本发明，可以在本发明的技术范围内做各种各样的变形。

例如，在上述实施方式中，除了包含在带隙基准电路BGRC中的两个NPN双极型晶体管Q1、Q2以外的晶体管，都可以设为MOSFET。但是，如图4所示，也可以取代NMOS晶体管使用NPN双极型晶体管，取代PMOS晶体管使用PNP双极型晶体管。

此外，也可以将由PMOS晶体管P2、P3构成的电流镜电路，置换为更高精度地进行电流镜工作的其他电路。此外，带隙基准电路不限于图1、图2、图4中示出的电路结构，也可以具有其他结构。

发明效果

本发明的偏流发生电路，第一电流供给端子、第二电流供给端子和第三电流供给端子与电流镜电路的参照电流端子连接，根据从该参照电流端子供给的电流，生成偏流，所述第一电流供给端子依赖于温度，供给对应于第一电阻的第一电流，所述第二电流供给端子不依赖于温度，供给对应于第二电阻的第二电流，所述第三电流供给端子不依赖于温度，供给对应于第三电阻的第四电流，本发明的激光二极管驱动电路和光通信用发送器，通过向激光二极管供给这样的偏流，即使在激光二极管的发光效率的温度依赖性大的情况下，也能充分地进行温度补偿，不依赖于温度，而维持光输出功率振幅一定。

Claims

1.一种偏流生成电路，其特征在于，包括：

第三电阻，一端与上述高电源电压端子连接；

2.如权利要求1所述的偏流生成电路，其特征在于，

上述第一低电位侧恒流源电路具有：

上述第二低电位侧恒流源电路具有：

上述高电位侧恒流源电路具有：

3.如权利要求1所述的偏流生成电路，其特征在于，

上述第一低电位侧恒流源电路具有：

第一NPN双极型晶体管，集电极与上述第一电流供给端子连接，基极与上述第一运算放大器的输出端子连接，发射极与上述第一端子连接，

上述第二低电位侧恒流源电路具有：

第二NPN双极型晶体管，集电极与上述第二电流供给端子连接，基极与上述第二运算放大器的输出端子连接，发射极与上述第二端子连接，

上述高电位侧恒流源电路具有：

第三运算放大器，倒相输入端子与上述第三端子连接，正相输入端子与上述第三电阻的另一端连接；

第一PNP双极型晶体管，发射极与上述第三端子连接，基极与上述第三运算放大器的输出端子连接，集电极与上述第三电流供给端子连接。

4.如权利要求1所述的偏流生成电路，其特征在于，

上述第三低电位侧恒流源电路具有：

第四运算放大器，正相输入端子与上述第一输出端子连接；

上述电流镜电路具有：

5.如权利要求1所述的偏流生成电路，其特征在于，

上述第三低电位侧恒流源电路具有：

第四运算放大器，正相输入端子与上述第一输出端子连接；

第三NPN双极型晶体管，集电极与上述第三电阻的另一端连接，基极与上述第四运算放大器的输出端子连接；

第五电阻，一端与上述第四运算放大器的倒相输入端子和上述第三NMOS晶体管的发射极连接，另一端与上述低电源电压端子连接，

上述电流镜电路具有：

第二PNP双极型晶体管，源极与上述高电源电压端子连接，栅极和漏极与上述参照电流端子连接；

第三PNP双极型晶体管，源极与上述高电源电压端子连接，栅极与上述参照电流端子连接，从源极输出上述偏流。

6.如权利要求1至5的任一项所述的偏流生成电路，其特征在于，上述第一电阻、上述第二电阻和上述第四电阻是固定电阻、可变电阻或电子量IC的某一种。

7.一种激光二极管驱动电路，其特征在于，具有：

第六电阻，一端与上述高电源电压端子连接；

第七电阻，一端与上述高电源电压端子连接；

具备：

权利要求1至5中所述的上述偏流生成电路；

8.一种光通信用发送器，其特征在于，包括：

权利要求7中所述的上述激光二极管驱动电路；和

被供给上述激光二极管驱动电路生成的上述驱动电流信号的激光二极管。