CN1551702A - 用于驱动一个电子部件的驱动电路 - Google Patents

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赫伯特·克诺茨
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沃尔夫冈·韦尼希
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Abstract

本发明上涉及一种用于通过可变电流驱动一个电子部件(36)、如激光二极管的驱动电路(16)，该电流以可控方式在至少两个分立的电流放大器之间转换。驱动电路(16)具有电路元件，这些电路元件对在至少两个分立电流放大器之间的可变电流转换时出现的起振过程进行阻尼。该驱动电路(16)的特征在于：它包括一个电流镜电路(38)，该电流镜电路具有一个与可变电流的频率相关的电流镜系数。

Description

用于驱动一个电子部件的驱动电路
技术领域
本发明涉及用于通过可变电流驱动一个电子部件的驱动电路，该电流以可控方式在至少两个分立的电流放大器之间转换，其中驱动电路具有电路元件，这些电路元件对在至少两个分立电流放大器之间的可变电流转换时出现的起振过程(Einschwingvorgnge)进行阻尼。
背景技术
激光二极管代表一个由这种驱动电路驱动的电子部件的例子。一个具有这些特征的驱动激光二极管的驱动电路已由EP 810 700 A2公知。
基于激光二极管的半导体激光器例如用来将数据写到存储介质如CD及DVD上。该以高速度进行的写入需要具有精确时间分辨率及精确功率的光脉冲。为了产生光功率，因此需要控制电路，它可输出确定高度及具有精确时间特性的电流脉冲。
在产生这种脉冲时通常总是出现这样的问题：当驱动电压和/或驱动电流从一个第一电平转换到一个第二电平时将出现起振过程(ringing)。该起振过程是不希望有的。
在起振过程时出现的对理想波形的偏离的大小取决于激励振荡回路的品质因数。
在开始部分所述的EP 810 700 A2中振荡回路通过R-C元件的并联电路来降低。但该措施具有问题，因为它很强地降低电流的上升及下降速度。另一缺点在于，不可避免的壳体电容及焊线电容将继续地影响及降低了所提出措施的作用。此外所提出方案的实现当驱动电路作为集成电路实施时需要不小的芯片面积。
发明内容
出于这样的背景，本发明的任务给出一种具有减小的起振过程的驱动电路。
该任务将在开始所述类型的驱动电路上这样来解决，即驱动电路包括一个电流镜电路(Stromspiegelschaltung)，该电流镜电路具有一个与可变电流的频率相关的电流镜系数(Spiegelfaktor)。
通过这些特征该任务被彻底地解决。事实表明：电流镜系数实现与频率相关将总地导致起振过程的减小。借助与频率相关的电流镜系数尤其可作到：在减小起振(ringing)的情况下在小于1纳秒范围的小上升时间与下降时间时以高至几百mA幅值的电流脉冲来控制激光二极管。
优选的是，该电流镜电路具有一个由一个参考电阻及一个参考晶体管组成的、位于一个第一电源电压端子及一个控制电流源的一个输出端之间的第一串联电路。该优选的电流镜电路还具有一个由另一电阻及另一晶体管组成的、位于一个第二电源电压端子及该电流镜电路的一个输出端之间的第二串联电路，通过该输出端控制电子部件。其中无论是参考晶体管还是另一晶体管由一个共同的控制电流源控制。
该电流镜电路的一个优点是可以单片地集成。另一优点在于：可通过电路技术措施来实现与频率f相关的电流镜系数K(f)，该系数可减小晶体管集电极-基极的有效电容，及此外无需大芯片面积的要求可单片地集成。
此外优选的是，电流镜电路具有一个电容，它跨接在参考电阻上。
有利的还在于，电流镜电路具有一个与另一电阻串联连接的电感。
这两个措施无论单个地还是相互组合地提供了用于实现与频率相关的电流镜系数K(f)的电路技术措施。它们分别实质地减小了驱动电路的有效的集电极-基极电容。
通过加入电感和/或并联电容将达到：驱动电路的集电极-基极的有效电容的偏流(Verschiebungsstrom)仅由一个随着频率下降的电流镜系数k(f)放大。偏流基本上通过参考支路中的参考晶体管及电阻流到电源电压。
该措施减小了驱动电路的有效的集电极-基极电容，这就基本地导致了电流边沿陡度的上升。与此相反地，该随频率可变的电流镜系数减小了电流边沿陡度。但总地，尤其是通过接入电感，在电流边沿陡度仅微小下降的情况下可得到起振过程(ringing)的急速减小。
在用于激光二极管控制的情况下的另一优点是：通过激光二极管电流的高变化速度在激光二极管上产生的电压降不再耦合到驱动组件的电源电压中及由此可减小或甚至完全消除对控制电路不希望有的影响。
此外有利的是，电容由多个单一电容来实现。
事实表明，该构型有利于起振特性的优化，其中电感可被保留。
有利的还在于，电感由在第一电源电压端子与第二电源电压端子之间一个导电连接的中间连接来实现。
此外有利的是，该导电连接通过一个焊线来实现。
另一优选构型的特征是：该导电连接通过载有电流镜电路的印刷电路上的一个条状导线来实现。
有利的还在于，参考晶体管及另一晶体管被作成双极性pnp-晶体管或p沟道场效应晶体管。
一个有利的变换方案的特征是，参考晶体管及另一晶体管被作成双极性npn-晶体管或n沟道场效应晶体管。
这些措施均具有优点，即它们可被组合在一个单片集成电路上，而不会导致芯片面积的实质性增大。
最后有利的是，一个pnp晶体管的n槽或一个npn晶体管的p-槽通过一个阻尼电阻连接到一个参考电位。
由此可达到：流过所属pn结的电容的偏流可直接地流到电源电压。其后果是，通常构造成槽的n层或p层被保持在一个恒定的电位上。由于槽与衬底之间相对大的电容可能出现的不希望有的偏流可保持很小。因此，电阻减小了与连接电子部件如激光二极管的导线的电感一起组成的振荡回路的品质因数。最后该措施也导致了起振过程的减小。
其它的优点可从说明及附图中得到。
应当理解，上述的及下面还要描述的特征不仅能以各个给出的组合，而且能以其它的组合或单独地应用，而不会脱离本发明的范围。
在附图中表示出本发明的实施例及在以下的说明中详细地描述。
附图说明
图1：具有一个供电电压源，一个驱动电路及一个激光二极管的电路形式的本发明的典型技术状况；
图2：具有一个电流镜电路的驱动电路的理想简化电路框图，该电流镜电路不具有与频率相关的电流镜系数；
图3：根据图2的驱动电路的一个内部控制电流信号及一个理想输出信号的随时间变化的波形；
图4：控制信号的理想的及实际的随时间变化的波形示例；
图5：根据图2的驱动电路的单片集成晶体管的横截面；
图6：具有由元件引起的电容及电感的一个实际驱动电路的电路框图；
图7：作为本发明的实施例的一个驱动电路的电路框图；及
图8：根据图6及图7的驱动电路的输出信号的计算出的随时间变化的波形。
具体实施方式
图1中的标号10表示一个电路，尤其是一个用于激光二极管的驱动短路的应用电路。电路10具有一个供电电压源12，它对具有一个驱动芯片16的驱动组件14供电。该驱动芯片16具有至少一个第一电源电压输入端18，后者通过一个焊线(Bonddraht)20与驱动组件14上的引脚22相连接。此外驱动芯片16至少具有一个接地端子24，它通过一个焊线26与驱动组件14上的引脚28相连接。这两个引脚22及28与供电电压源12的各个输出端相连接，使得通过其电源电压输入端18及接地端子24在驱动芯片16上施加一个由供电电压源12提供的电源电压。
此外，该驱动芯片16具有至少一个控制信号输出端30，后者通过一个焊线32与驱动组件14上的引脚34相连接。在驱动组件14的引脚34与引脚28之间连接着一个电子部件36，例如一个激光二极管。因此，该激光二极管36通过驱动芯片16的控制信号输出端30被一个电流I_LD控制。在此情况下电路10处于对激光二极管36提供在0至几个100mA的范围中的一个电流I_LD的状态。在何时调节何电流强度的信息将通过驱动组件14的其它连接端子输入给驱动芯片16或由驱动组件14本身产生。
图2表示图1的应用电路的电路图，其中电路10具有一个驱动电路16，该驱动短路包括一个电流镜电路38。因此标号16不仅表示驱动电路，而且表示在其中集成了驱动电路的实际驱动芯片16。作为电流镜通常被称为电流可控制的、符号可变的电流源。根据图2的电流镜38具有一个由一个参考电阻42及一个连接成晶体二极管的参考晶体三极管44组成的第一串联支路40。该第一串联支路40被连接在电源电压输入端18与一个控制电流源46之间，该控制电流源46控制电流镜38及由此控制连接在驱动电路16的控制信号输出端的激光二极管36。
标号48表示一个由另一电阻50及另一晶体三极管52组成的第二串联支路。该第二串联支路48被连接在电源电压输入端18与驱动电路16的控制信号输出端30之间。控制电流源46不仅控制参考晶体管44而且控制另一晶体管52。用于控制激光二极管36所需的电流I_LD由另一晶体管52提供，该晶体管52与参考晶体管44相连接构成一个电流镜电路38。该电流镜电路38的任务在于：将控制电流I0放大一个尽可能精确地确定的系数K。为了作到这点，必需满足以下的条件。
一方面，另一晶体管52的发射极面积与连接成晶体二极管的参考晶体管44的发射极面积的商数必需得到系数K。另一方面，电阻42及50的比例也必需相应于系数K。
在此情况下，电阻42及50将引起在各由多个发射极指(Emitterfinger)构成的晶体管44及45中的均匀的电流分配。此外另一电阻50起到减小所谓埃里(Early)效应的作用，该效应将导致不希望的、输出电流I_LD与晶体管44及52的集电极-发射极电压的相关性。
因此K的值将由所使用的晶体管与电阻来确定及由此通过作为集成电路来实现的驱动电路16来确定。在此情况下，K的值作为对控制电流I0的要求、对驱动电路16的动态性能的要求及对转换比(放大系数K)的精确度的要求的折衷来构成。通常在使用双极性晶体管技术的情况下K的值在数值4与20之间。驱动电路16或驱动芯片16的其它电路由控制电流源46来代表，而它对于这里本发明的理解将不必再考虑。
以下将参看图3来考察根据图2的驱动电路的一个内部控制电流信号及驱动电路的一个理想的输出信号的随时间变化的波形。由标号54表示的波形相应于控制电流I0的波形，如由图2中的控制电流源46所给出的。由标号56表示的波形相应于用系数K放大的控制电流I0的波形，如理想情况下应由驱动电路16输出的。仅当电流上升的速度足够小，以致通过不可避免的电感并根据公式U_L＝L·dI/dt出现的电压降U_L足够小时，这种理想的特性才可被达到。出于类似的原因，在驱动电路16的不可避免的电容上当电容的电压U_C变化时出现的偏流I_C应足够小。对于I_C已知有：I_C＝C·dU_C/dt。
但是，电流强度的变化，如在结合CDs或DVDs的刻录中激光二极管的控制时所出现的电流强度变化不能满足该条件。在实际的电路中将出现起振过程。图4中实线所示的波形56相应于图3中的波形56，即驱动电路16输出信号所需的或理想的波形。但通过所述的电感及电容，该理想的波形56上叠加了上冲58，64及下冲60，62，它们使电子部件36、例如用于CDs或DVDs刻录中的激光二极管的控制精确度受到不良影响。
干扰电感既以焊线电感及壳体电感的形式位于驱动组件14中，也存在于用于电源电压及激光二极管36供电的供电导线中。这些电感用现在的制造技术是不能完全避免的。对于焊线电感的数值在约1nH的范围中。
对于与激光二极管36的连接导线电感的值典型为几个nH。并且对驱动组件14及对驱动芯片16的电源电压的供给线也带有电感。
这些电感与电路10的电容形成振荡回路，它将导致图4中所示的起振过程(上冲58，64，下冲60，62)。在此情况下，电容主要由作为驱动晶体管工作的另一晶体管52构成。其它的电容由导线电容，例如到相应电路10的激光二极管连接端子的印制导线的电容得到。
在此情况下，这些振荡回路的固有谐振频率是不同的，由此通过不同谐振回路的不同固有谐振频率的叠加可得到不同形状的电流波形。在此情况下，偏差的高度、即根据图4起振过程与理想波形56的偏差程度将取决于被激励振荡回路的品质因数。
图5表示根据图2的驱动电路16的单片集成晶体管44，52的一个横截面。所示的晶体管是一个双极性pnp晶体管，它在一个p型搀杂的发射极层60上具有一个金属的发射极端子58。层60被埋在一个n型搀杂的基极层62中，该基极层被一个金属基极触头64接触。该基极层62位于一个p型搀杂的集电极层66中，后者被一个金属的集电极端子68接触。这个层结构被埋放在一个绝缘的n型搀杂的槽(Wanne)70中，后者又放置在一个p型衬底(Substrat)72上。
在其中载流子密度从一个第一密度过渡到一个第二密度的层中，形成了所述pnp晶体管的不可避免的电容74，76。标号74表示这种不可避免的集电极-基极电容。类似地，标号76表示集电极层66与n-槽70之间不可避免的电容，及标号78表示n-槽70与p型衬底72之间不可避免的电容。观察一下有利的起振特性，不但可尽可能减小寄生电感而且可尽可能减小寄生电容。在给定制造技术及给定的用于控制电子部件36所需的电流强度的情况下，在图5中所示的电容不再能减小。但是通过适当的电路措施可影响它们对起振特性的影响。这尤其适合于集电极-基极结的电容74。
图6表示根据图2的电路结构附加上导线电感及晶体管电容，如它们在一个实际电路中所存在的一样。属于其中的尤其有：在供电电压源12与电源电压输入端18之间的供电导线的电感80，驱动电路16的控制信号输出端30与被控制的激光二极管36之间的控制导线的电感82，及驱动电路16的接地端子24的电感84。集电极-基极电容74尤其在另一晶体管52、即驱动晶体管上起作用。因此它在图6中被表示在另一晶体管52的控制输入端(基极)及其集电极之间。集电极-槽电容76在图6的电路图中与由另一电阻50及另一晶体管52组成的第二串联电路48相并联。槽-衬底电容78在图6的电路图中位于电源电压输入端18与接地端子24之间。
以下参照图7来提出电路技术措施，这些措施将以所需的方式影响起振特性，其方式是它们产生电流镜电路的与频率相关的放大系数K。
通过实现一个与频率相关的电流镜系数K(f)，可使有效的集电极-基极电容74实质性地减小。
在根据图7的输出电路的范围中通过将一个电感86加入到电源导线电感80与由另一电阻50及另一晶体管(驱动晶体管)52组成的第二串联电路48的连接部分中来实现。该电感86可连接到驱动电路16的外面，以使得电感86与驱动电路16的一个第二电源电压输入端87相连接。因此电感86例如可作为焊线来实现。
对于接入电感86变换地或补充地，可在参考电阻42上并联一个电容88。因此集电极-基极电容74的偏流仅用通过频率降低的电流镜系数K(f)放大。换句话说，利用了：集电极-基极电容74的作用被电流镜系数K(f)定标。再换句话说：在根据图7具体连接的范围中，集电极-基极结的有效电容正比于集电极-基极电容74。分配给该集电极-基极电容74的偏流实质上通过参考晶体管44及参考电阻42流到供电电压。如上面所述地，该措施减小了有效的集电极-基极电容74及由此基本上导致电流边沿陡度的增高。另一方面，电流边沿陡度通过随频率可变的K系数来降低。总地，接入电感86和/或接入电容88将以所述方式在边沿陡度仅很小降低的情况下导致起振过程(ringing)急速地降低。另一优点在于：由于激光二极管36上激光二极管电流I_LD的高变化速度产生的电压降不再耦合到驱动组件14的电源电压中。由此可避免由所述电压降对控制电路带来的不希望有的影响。
此外，图7表示出集电极-槽电容76，即对于晶体管绝缘所需的n-槽70的电容通过一个电阻90连接到电源电压输入端18。其结果将实现：通过集电极-槽电容76流过的偏流直接地流到电源电压。由此尤其可作到，n-槽70被保持在恒定电位上。不希望有的偏流可保持很小，否则它将作为槽70与衬底72之间的相对大的电容78的后果出现。在此情况下电阻90具有其功能，即减小与控制导线的电感82相关地出现的振荡回路的品质因数，这将使起振过程的幅值保持很小。在图7中所示的支撑电容器(Stützkondensator)100减小了焊线电感80对驱动电路16的驱动芯片的电源电压供给的影响。
图8表示激光二极管36的控制电流I_LD的随时间变化的波形，当它对于电感86的不同值所计算出的。其中波形92相应于没有电感86的情况。波形94是在控制导线的电感为3nH情况下对于电感86以300pH的值计算出的。如由图8可看到的，接入该具有值300pH的电感86减小了起振过程的幅值。通过接入600pH的电感86将得到该幅值进一步的减小。对于该值的结果由波形96表示。如由波形96的变化可看到的，在几乎同样保持边沿陡度的情况下可几乎完全地避免起振过程。
当以在图7中所示的方式接入电容88的情况下可得到类似的结果。此外当一个电容88与一个电感86相结合时也可得到类似的结果。最后，电路的选择参数及由此电容88和/或电感86的选择参数与技术边界条件、如焊线长度、负载(激光二极管36)的电感及对控制信号的上升时间及下降时间的要求相关。
虽然以上本发明是对于接地的激光二极管36描述的，它需要一个由pnp晶体管44及52组成的电流镜电路38。但应理解，本发明的原理也可很好地应用于具有npn晶体管的电流镜电路。在此情况下，激光二极管36将连接到一个正电压。类似地，本发明也可用于CMOS技术的电路。

Claims (11)

1.用于通过可变电流驱动一个电子部件(36)的驱动电路(16)，该电流以可控方式在至少两个分立的电流放大器之间转换，其中驱动电路(16)具有电路元件，这些电路元件对在至少两个分立的电流放大器之间的可变电流转换时出现的起振过程进行阻尼，其特征在于：驱动电路(16)包括一个电流镜电路(38)，该电流镜电路具有一个与可变电流的频率相关的电流镜系数。
2.根据权利要求1的驱动电路(16)，其特征在于：该电流镜电路(38)包括：
由一个参考电阻(42)及一个参考晶体管(44)组成的、在一个第一电源电压端子(18)与控制电流源(46)之间的一个第一串联电路(40)，及
由另一电阻(50)及另一晶体管(52)组成的、在一个第二电源电压端子(87)与该电流镜电路(38)的一个输出端(30)之间的一个第二串联电路(48)，通过该输出端控制电子部件(36)；
其中无论是参考晶体管(44)还是另一晶体管(52)由一个共同的控制电流源(46)控制。
3.根据权利要求1或2的驱动电路(16)，其特征在于：电流镜电路(38)具有一个电容(88)，它跨接在参考电阻(42)上。
4.根据以上权利要求中一项的驱动电路(16)，其特征在于：电流镜电路(38)具有一个与所述另一电阻(50)串联连接的电感(86)。
5.根据权利要求3的驱动电路(16)，其特征在于：电容(88)由多个单一电容来实现。
6.根据权利要求3或4的驱动电路(16)，其特征在于：电感(86)由在该第一电源电压端子(18)与该第二电源电压端子(87)之间一个导电连接的中间连接来实现。
7.根据权利要求6的驱动电路(16)，其特征在于：该导电连接通过一个焊线来实现。
8.根据权利要求6的驱动电路(16)，其特征在于：该导电连接通过载有该电流镜电路(38)的印刷电路上的一个条状导线来实现。
9.根据以上权利要求中一项的驱动电路(16)，其特征在于：该参考晶体管(44)及该另一晶体管(52)被作成双极性pnp-晶体管或p沟道场效应晶体管。
10.根据以上权利要求中一项的驱动电路(16)，其特征在于：该参考晶体管(44)及该另一晶体管(52)被作成双极性npn-晶体管或n-沟道场效应晶体管。
11.根据权利要求9或10之一的驱动电路(16)，其特征在于：一个pnp-晶体管的n-槽或一个npn-晶体管的p-槽通过一个阻尼电阻(90)连接到一个参考电位。
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