CN1780509A - 用于发光二极管的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

用于发光二极管的驱动电路可包括两个晶体管和运算放大器。运算放大器可工作以导致晶体管的漏极端子的输出电压基本相等，使发光二极管的正向电流与参考电流基本相等。该电流可提供稳定的驱动电流，即使电源电压在大范围变化。

Description

用于发光二极管的驱动电路
技术领域
本发明针对用于发光二极管的驱动电路。
背景技术
通过向发光二极管的阳极端子施加高电位并向阴极端子施加地电位来驱动发光二极管(LED)。在端子之间流动的电流生成电子空穴对，电子空穴对重新结合而在二极管带隙所定义的频谱范围上发光。如果发光二极管由适当的材料构成并设置在反射面之间以形成光谐振腔，则发光二极管可发射相干光，因此形成发光二极管激光器。在很多情况下，器件的解理边具有足够的反射率以形成光谐振腔并允许二极管作为激光器工作。
在打印系统应用中，要求1％或更高精确度的激光强度控制。一旦激光器在发射激光，激光器的光强度随流经激光器的电流线性变化。半导体激光器是二极管，在正向偏置电压电平下发射激光。正向偏置电压随电流变化很小，但可能因激光器不同而不同。因此，理想地，激光驱动器是将电流输送到激光器而与电压状态无关的电流驱动器。由于电源波动和激光二极管的不同正向偏置电压，电压状态可能变化。而且，电流驱动器的发热增加了电流驱动器的内阻，导致电流驱动器要求更多电压以保持相同电流。如果激光二极管的正向偏置电压小并且电源电压大，则激光驱动器有足够的电源电压范围来提供所需的电流电平。如果激光二极管的正向偏置电压占用更多的电源范围和/或电源电压变得更少，和/或如果电流源发热，则激光驱动器必须利用减少的电源电压范围来提供相同的电流。期望激光驱动器能在很宽的电压范围内、特别是较低电压时输送相同的电流。
通常，二极管由例如PMOS晶体管驱动，例如图1所示。图1表示耦合到PMOS晶体管20的漏极端子24和地14的发光二极管30。PMOS晶体管20的源极端子22耦合到电源电压源10，电源电压源10通过PMOS晶体管20提供足以使发光二极管30正向偏置的电压。由栅极端子26上的电压来控制PMOS 20输送的电流量，栅极端子26耦合到参考电压12。例如，将栅极电压提高到电源电压，则会使PMOS晶体管20截止，而将栅极电压降回到参考电压电平，会使PMOS晶体管20重新导通。
然而，图1所示的发光二极管驱动电路存在多个缺点。例如，作为光学系统实现的一部分的发光二极管30可能需要更换或可能被更新为不同型号或类型的发光二极管，因此引入了不同的正向偏置电压，正向偏置电压直接影响PMOS晶体管20上的压降，影响可用于发光二极管30的电流。例如，作为光学器件驱动器的一部分的PMOS晶体管20可用于若干光学系统，每一个采用不同的具有其自己的正向偏置电压的发光二极管30。在每个光学系统中，会向PMOS晶体管20提供不同量的电源范围用于工作，导致不同电流通过发光二极管30。例如，一旦导通，PMOS晶体管20发热从而导致其电阻增加，这增加了PMOS晶体管20上的压降，减小了输出电压，并因此减小了可用于发光二极管30的电流。
而且，来自电源电压源10的电压变化可能直接影响输送到发光二极管30的电流量，因为输送到发光二极管30的输入端子32的电压直接取决于来自电源电压源10通过PMOS晶体管20的电压。
电源电流变化性的这些源中的每一个可能影响发光二极管30的光输出属性。
因此，图1所示的驱动电路存在多个缺点。所以，设计避免了这些缺点的用于发光二极管的驱动电路是有利的。
发明内容
可提供用于发光二极管的驱动电路，它向发光二极管输送稳定量的驱动电流，而不管电源电压的变化、发光二极管的正向偏置电压的变化或驱动PMOS晶体管的内阻的变化。
可提供用于驱动发光二极管的电路，该电路包括控制两个晶体管的栅极电压的运算放大器。运算放大器的输入端可耦合到晶体管的漏极，使得漏极上的电压可由运算放大器保持相等。参考电流可耦合到第一晶体管的漏极，使得运算放大器用来通过第二PMOS晶体管的漏极端子输送基本相等的电流量。发光二极管还可耦合到第二晶体管的漏极端子。第一和第二晶体管可以是PMOS晶体管。发光二极管可以是例如激光二极管。
选通信号可连接到运算放大器，当选通信号为高时，禁用运算放大器，例如通过将运算放大器的输出驱动到其正轨迹，这使其漏极耦合到发光二极管的PMOS晶体管截止。当选通信号为低时，可启用运算放大器，使得电流输送到发光二极管。
在下面的详细描述中描述了本发明的这些和其它特征和优点，或者从下面的详细描述中，本发明的这些和其它特征和优点是显而易见的。
附图说明
图1是用于发光二极管的已知驱动电路的示意图；以及
图2是使用参考电流的用于发光二极管的示范驱动电路的示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，用于发光二极管的驱动电路包括平衡电路，平衡电路的输入端耦合到两个晶体管的漏极端子并且输出端耦合到两个晶体管的控制栅。两个晶体管可为PMOS晶体管，平衡电路可为运算放大器。一个PMOS晶体管的漏极端子也可耦合到参考电流源，另一个PMOS晶体管的漏极端子可耦合到发光二极管。因为运算放大器用来平衡其输入，所以运算放大器的输出可调整PMOS晶体管的控制栅直到其输入基本相等。例如，这导致输送到发光二极管的电流与参考电流源提供的参考电流基本相等，而不管驱动电路工作电压的变化。
图2是用于发光二极管的示范驱动电路100的示意图。电路100包括两个PMOS晶体管110和120、运算放大器150和发光二极管180。PMOS晶体管110和120的源极端子可耦合到电源电压源105。来自电源电压源105的电源电压此后可称为VDD，并可以为例如5伏。
在输入电压节点194处的输入电压可耦合到运算放大器150的负(反相)输入端子154。该输入电压可为发光二极管180的正向偏置电压174。节点192上的参考电流182由参考电流源130定义，参考电流源130由两个串联NMOS晶体管构成；NMOS晶体管131的漏极端子连接到节点192，栅极端子连接到偏置电压136、即“偏置1”，源极端子连接到节点162；NMOS晶体管132的漏极端子连接到节点162，栅极端子连接到偏置电压137、即“偏置2”，源极端子连接到地000。该参考电流可通过节点192输入到PMOS晶体管110的漏极端子。所产生的电压通过节点192连接到运算放大器150的正(非反相)输入端子152。
运算放大器工作而通过改变在其输出端156的电压使其输入端152和154上的电压基本平衡。改变输出电压156改变了PMOS晶体管110和120的栅极输入端的电压，改变了分别输送到节点192和194的PMOS晶体管110和120的漏极电流Id110(111)和Id120(121)。运算放大器150的正输入端152不接受输入电流，所以PMOS晶体管110的漏极电流Id110(111)等于参考电流Ics 182。由于PMOS晶体管110和120具有相同源极电压105以及相同栅极电压156，除了PMOS晶体管110和120上的不同漏极电压的影响之外，从它们漏极输出的电流是相等的。运算放大器150的负输入端154不接受输入电流，所以正向二极管电流Iled 184等于PMOS晶体管120的漏极电流Id120(121)。由于发光二极管的特征是随着通过发光二极管的正向电流改变，正向偏置电压变化很小，运算放大器150的负输入端子154等于正向偏置电压174并且相对稳定。
电流参考源的特征是，当它两端的电压改变时，它的参考电流基本不变。
如果PMOS晶体管110的漏极电流Id110(111)大于参考电流Ics182，则在节点192累积电荷，使节点192上的电压升到高于运算放大器150的负输入端子154上的电压的电平。这导致运算放大器150的输出电压156增加，通过PMOS晶体管110和120的栅极端子，减少了它们的漏极电流Id110(111)和Id120(121)，直到PMOS晶体管110的漏极电流Id110(111)等于参考电流Ics 182。
如果PMOS晶体管110的漏极电流Id110(111)小于参考电流Ics182，则电荷从节点192排出，使节点192上的电压降到低于运算放大器150的负输入端子154上的电压的电平。这导致运算放大器150的输出电压156减少，通过PMOS晶体管110和120的栅极端子，增加了它们的漏极电流Id110(111)和Id120(121)，直到PMOS晶体管110的漏极电流Id110(111)等于参考电流Ics 182。
当PMOS晶体管110的漏极电流Id110(111)等于参考电流Ics 182时，通过运算放大器150的增益，使运算放大器输入端152、154上的电压基本相等。随着运算放大器输入152、154基本相等，PMOS晶体管110和120的漏极电压也基本相等。随着PMOS晶体管110和120的栅极电压和源极电压相等，它们的漏极电流Id110(111)和Id120(121)基本相等，导致正向二极管电流Iled 184与参考电流Ics 182基本相等。
应当意识到，示范性电流驱动电路100功能是保持正向二极管电流Iled 184与参考电流Ics 182基本相等，而不管电源电压源105和115中的电压的变化或瞬变。
应当意识到，示范性电流驱动电路100功能是保持正向二极管电流Iled 184与参考电流Ics 182基本相等，而不管正向偏置电压的变化。
当调整参考电流源130的“偏置1”136和“偏置2”137时，也可调整流经参考电流源130的电流。根据如上所述的运算放大器150的操作，该电流量也输送到发光二极管180。因此，“偏置1”136和“偏置2”137可用于控制电流，因此，控制发光二极管180的光输出电平。
因为图2示出了电流驱动电路100的配置，在很宽的工作条件范围内，会将“偏置1”136和“偏置2”137选择的参考电流Ics 182的电平输送到发光二极管180。例如，可由“偏置1”136和“偏置2”137为在电源端子105应用于PMOS晶体管110和120的各种电源电压VDD确定输送到发光二极管180的电流。
虽然示出了参考电流源的特定实现，但这只是示范性的，可使用参考电流源的任何实现。
应当意识到，与较早提到的图1的典型驱动器相比，示范性电流驱动电路提供了有利的输出阻抗。图1的典型驱动器通过PMOS晶体管20向发光二极管提供电流。输出节点的输出阻抗是其电压的变化除以从输出节点输出的电流的变化。大输出阻抗由PMOS晶体管20的漏极24处的大电压变化导致从漏极24输出的电流的小变化来表示。PMOS器件的输出阻抗通常小于NMOS器件的输出阻抗，并且远小于图2的NMOS器件131和132的串联布置130。图2的运算放大器150的作用是使PMOS晶体管120的漏极端子的输出阻抗的大小等于参考电流源的输出阻抗。如果正向偏置电压174变化，则运算放大器的作用是通过相等改变来改变参考电流发生器192两端的电压。参考电流发生器的大输出阻抗导致参考电流变化极小。运算放大器然后的作用是改变PMOS 110的漏极电流Id110(111)，使其等于参考电流182，它改变PMOS晶体管120的漏极电流Id120(121)，使其也等于参考电流182。虽然正向偏置电压174变化，但是正向二极管电流Iled 184仅改变与参考电流源在给定其输出阻抗的情况下允许的一样多。先取PMOS晶体管120的较低输出阻抗。如果晶体管110和120关于共享热环境非常接近，则先取PMOS晶体管120的较低输出阻抗，而不管PMOS晶体管120上的热效应。
除使用参考电流源130控制到发光二极管180的正向二极管电流Iled 184的量之外，还可通过向电路附加选通信号160接通和断开到发光二极管180的正向二极管电流Iled 184，如图2所示。在各种示范实现中，选通信号160可连接到运算放大器150，当选通信号160为高时，禁用运算放大器150，例如通过将运算放大器150的输出节点156驱动到其正轨迹，这使漏极耦合到发光二极管180的PMOS晶体管120截止。当选通信号160为低时，可启用运算放大器150，使得漏极电流Id120(121)输送到发光二极管180。
虽然结合上面列出的示范实现描述了各种细节，但是通过查看前面的公开，无论是已知的还是可能目前未预料到的各种替代、修改、变化、改进和/或实质等效物可变得清晰。所述驱动电路可应用于任何发光二极管，例如激光二极管、可见光二极管、垂直共振腔表面发射激光器等等。更一般地说，所述驱动电路可应用于任何一个或多个具有用于连接到节点192的高阻抗节点和用于连接到节点194的低阻抗节点的网络，其中高阻抗节点和低阻抗节点的电流与电压特性具有非零对应关系。

Claims (1)

1.一种用于发光二极管的驱动电路，包括：
第一晶体管，具有第一栅极端子、第一漏极端子和在所述第一漏极端子上的第一漏极电压；
第二晶体管，具有第二栅极端子、第二漏极端子和在所述第二漏极端子上的第二漏极电压；
平衡电路，耦合到所述第一和第二晶体管；
耦合到所述第一漏极端子和平衡电路的高阻抗负载，耦合到所述第二漏极端子和平衡电路的低阻抗负载；
其中所述第一和第二晶体管响应平衡电路，以便使所述第一和第二漏极电压基本相等，从而向所述低阻抗负载施加与施加到所述高阻抗负载的电流基本相等的电流。
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