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Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung zum schnellen Schalten eines hohen Stroms, die insbesondere als Lasertreiber ausgebildet ist.
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Lasertreiber sind hinlänglich bekannt.
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DE 42 10 022 A1 beschreibt eine Anzahl paralleler Differenzverstärker mit jeweils einer Stromquelle zur Modulation eines Lasers, wobei der Modulationsstrom im Bereich von 5 mA bis 40 mA liegt und durch Zuschalten der parallelen Differenzverstärker bedarfsweise geändert werden kann.
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In
US 5 038 189 A wird eine Halbleiterlaser-Treiberschaltung beschrieben, die so angeordnet ist, dass eine vorbestimmte Anzahl von Transistoren aus einer Gruppe von parallel angeordneten Transistoren entsprechend den Eigenschaften eines Halbleiterlasers ausgewählt werden kann und die ausgewählten Transistoren parallel zwischen dem Halbleiterlaser und einer Stromquelle geschaltet sind.
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Aus
DE 10 2008018 602 A1 ist eine Lasertreiberschaltung bekannt, die eine Schaltverstärkervorrichtung mit einer Anzahl parallel angeordneter schaltbarer Verstärkereinheiten umfasst, wobei die Verstärkereinheiten ausgangsseitig auf einen Stromsummationsknoten geführt sind, an dem Ausgangsstromimpulse zum Treiben einer Halbleiterlaserdiode bereitgestellt werden können, und wobei die einzelnen Teilströme in ihrer Dauer sowie in ihrer Amplitude variabel einstellbar sind, um einen resultierenden Ausgangsstromimpuls zu formen.
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US 2005 / 0 002 429 A1 beschreibt eine Treibervorrichtung für einen Halbleiterlaser, wobei die Treibervorrichtung eine Mehrzahl von Treiberschaltungen umfasst, sowie eine Steuerschaltung zum Ansteuern der Treiberschaltungen.
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DE 10 2004 063 198 A1 beschreibt eine Treiberschaltung, die eine Treiberpulsfolge mit in verschiedenen Zeitabschnitten unterschiedlich einstellbarer Treiberpulshöhe bereitstellt, mit n Pulsgeneratoren, die Pulshöhen-Beiträge an einen Summationsknoten liefern, wobei die Lieferung über Pulsgenerator-individuelle Schaltelemente steuerbar ist, und mit einer Steuerung, die wenigstens einige der Schaltelemente in Abhängigkeit von einstellbaren Parametern steuert.
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US 2005 / 0 135 445 A1 beschreibt ein Hochleistungs-Treibersystem mit einer vorbestimmten Anzahl von Treibermodulen zum Antreiben einer Hochleistungs-Laservorrichtung, wobei jedes Treibermodul über einen Treiberkreis und einen entsprechenden Rückführkreis verfügt.
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Der
US 4 631 492 A ist ein Ultra-Hochfrequenz-Leistungsverstärker mit einer Mehrzahl von Verstärkungsstufen zu entnehmen, bei dem die durch FETs gebildeten Verstärkungsstufen in einer baumartigen Struktur hintereinandergeschaltet sein können.
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Aus
US 5 955 926 A ein Leistungsverstärker, z.B. zum Einsatz als Sendeempfänger in Mikrowellen-Kommunikationssystemen, mit einer Mehrzahl von FETs bekannt, wobei die Gate-Anschlüsse der FETs über eine erste Leitung und die Drain-Anschlüsse der FETs über eine zweite Leitung miteinander verbunden sind, und wobei an die erste Leitung eine Gate-Vorspannung angelegt ist und an die zweite Leitung eine Drain-Vorspannung, und wobei auf der Gate- und auf der Drain-Seite der FETs jeweils Anpassungsschaltungen mit Kapazitäten und Induktivitäten vorgesehen sind.
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In dem nachveröffentlichten Dokument
DE 10 2008 036 985 A1 wird ferner eine Lasertreiberschaltung beschrieben, die eine Verstärkervorrichtung mit einer Mehrzahl von schaltbaren Teilverstärkern umfasst, die mit einem Ausgang für einen Anschluss eines Lasers verbindbar oder verbunden sind, ferner umfassend eine Analogschaltvorrichtung zum Schalten von Analogeingangssignalen, eine Mehrzahl von Analogeingängen für die Analogeingangssignale, eine Mehrzahl von Steuereingängen zum Empfang von digitalen Steuersignalen, wobei jeder schaltbare Teilverstärker eine Schaltvorrichtung zum Schalten der Verstärkung durch eines der digitalen Steuersignale aufweist, und wobei eine mit einem Eingang jeder Schaltvorrichtung verbundene Digitalschaltvorrichtung zur auswählbaren Verbindung des Eingangs der Schaltvorrichtung jedes schaltbaren Teilverstärkers mit einem Steuereingang vorgesehen ist, wobei jeder schaltbare Teilverstärker einen Analogeingang aufweist, der mit der Analogschaltvorrichtung zum auswählbaren Schalten eines Analogeingangssignals auf den Analogeingang verbunden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Schaltung zum schnellen Schalten eines hohen Stroms zu schaffen, die skalierbar und als Hochgeschwindigkeits-Stromtreiber einsetzbar ist.
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Ein Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, eine Vielzahl von baugleichen Funktionsblöcken, die jeweils für sich voll funktionsfähig sind, nebeneinander auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat zu integrieren. Die Funktionsblöcke werden derart verschaltet, dass die einzelnen Funktionen, die die Funktionsblöcke jeweils durchführen, in ihrer Wirkung vorzugsweise addiert werden. Im Ergebnis weist die integrierte Gesamtschaltung dann die gleichen parametrischen Eigenschaften (zum Beispiel Geschwindigkeit, Pulsform, Spannungsabhängigkeit, Temperaturgang) wie ein einzelner Funktionsblock auf. Demzufolge genügt es, die einzelnen Funktionsblöcke hinsichtlich ihrer auszuführenden Funktion zu optimieren, um eine optimierte Gesamtschaltung zu erzielen. Die Funktionsblöcke werden vorzugsweise im gleichen Arbeitspunkt betrieben und im Wesentlichen zeitgleich angesteuert.
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Das oben genannte technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dementsprechend wird eine integrierte Schaltung zum schnellen Schalten eines hohen Stroms geschaffen. Die integrierte Schaltung weist mehrere in Funktion und Layout gleiche Unterschaltkreise auf, die nebeneinander auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind. Der Begriff „nebeneinander“ bedeutet, dass die Unterschaltkreise ein- oder mehrzeilig und/oder ein- oder mehrspaltig auf dem Substrat angeordnet sein können. Jeder Unterschaltkreis weist eine schnell schaltende Stromerzeugungseinrichtung zum Bereitstellen eines Teilstroms des zu schaltenden hohen Stroms, einen Versorgungsanschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung und einen mit der Stromerzeugungseinrichtung verbundenen Ausgangsanschluss auf, wobei die Versorgungsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse auf dem Substrat, also innerhalb der integrierten Schaltung parallel geschaltet sind.
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Auf diese Weise entsteht ein skalierbarer Hochgeschwindigkeits-Stromtreiber. Das Merkmal „zum schnellen Schalten“ drückt aus, dass die integrierte Schaltung Schaltzeiten im Subnanosekunden-Bereich erzielen kann. Das Merkmal „hoher Strom“ ist dahin gehend zu verstehen, dass Ströme im Bereich von hundert Milli-Ampere bis zu einigen Ampere, zum Beispiel zwischen 300mA und 5A, geschaltet werden können.
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Jeder Unterschaltkreis kann einen Stelleingang zum Anlegen einer Referenzspannung aufweisen, welche den Teilstrom der jeweiligen Stromerzeugungseinrichtung einstellt. Die Stelleingänge sind auf dem Substrat zusammengeschaltet Um den Arbeitspunkt und somit den Teilstrom einstellen zu können, kann jeder Unterschaltkreis wenigstens einen Kondensator und/oder eine Impedanz und/oder aktive Schaltungselemente zum Beispiel zur Ansteuerung und/oder Pulsformung aufweisen. Die Stromerzeugungseinrichtungen der Unterschaltkreise weisen zweckmäßigerweise alle den gleichen Arbeitspunkt auf. Damit ist sichergestellt, dass die Gesamtfunktion der integrierten Schaltung durch eine Addition gleichwertiger Einzelfunktionen ohne gegenseitige Beeinflussungen oder Störungen definiert ist.
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Vorteilhafter Weise kann jeder Unterschaltkreis einen Eingangsanschluss zum Anlegen eines Steuersignals aufweisen. Das Steuersignal kann über ein Ansteuernetzwerk den Eingangsanschlüssen zugeführt werden, so dass die Unterschaltkreise zeitgleich ansteuerbar sind.
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Das Ansteuernetzwerk kann auf dem Substrat angeordnet sein, um eine kompakte Bauweise und schnelle und präzise Ansteuerung der Unterschaltkreise zu erreichen.
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Um eine Gleichzeitigkeit der Schaltvorgänge hinsichtlich der Unterschaltkreise zu erreichen, kann das Ansteuernetzwerk eine Baustruktur mit Verzögerungs- und/oder Verstärkungselementen aufweisen.
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Zweckmäßigerweise ist die integrierte Schaltung zum Treiben wenigstens einer Laserdiode ausgebildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer einzigen Figur näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine integrierte Schaltung 10, welche als skalierbarerer Hochgeschwindigkeits-Stromtreiber ausgebildet ist. Im vorliegenden Beispiel enthält der Hochgeschwindigkeits-Stromtreiber 10 fünfzig nebeneinander angeordnete Unterschaltkreise 201 bis 2050, die auf einem Halbleitersubstrat (nicht dargestellt) angeordnet sind. Die Unterschaltkreise werden nachfolgend auch als Funktionszellen oder Funktionsblöcke bezeichnet. Die Funktionsblöcke 201 bis 2050 weisen den gleichen schaltungstechnischen Aufbau auf, enthalten also die gleichen passiven und aktiven Bauelemente. Weiterhin sind die Funktionsblöcke hinsichtlich der Funktion und des Layouts gleich. Im vorliegenden Beispiel ermöglicht das gewählte Layout eine spalten- oder zeilenweise Anordnung der Funktionsblöcke. Denkbar ist auch ein Layout, welches eine mehrzeilige und/oder mehrspaltige Anordnung von Funktionsblöcken auf einem Substrat ermöglicht. Jeder Funktionsblock ist derart aufgebaut, dass er einen Teilstrom IT von beispielsweise 10mA liefern kann. Folglich kann der Hochgeschwindigkeits-Stromtreiber 10 einen 500mA hohen Gesamtstrom IL zum Treiben einer Laserdiode 100 liefern.
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Da alle Funktionsblöcke gleich aufgebaut sind und die gleiche Funktion ausführen, wird der prinzipielle Aufbau lediglich anhand des Funktionsblocks 201 näher erläutert.
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Der Funktionsblock 201 weist einen mit CI bezeichneten Stelleingang 30 auf, an den eine Referenzspannung beispielsweise über eine Gleichspannungsquelle 40 angelegt werden kann. Erwähnt sei, dass der Laserstrom IL der Laserdiode 100 eine Funktion dieser Referenzspannung ist. Der Funktionsblock 201 weist ferner eine schaltbare Stromerzeugungseinrichtung auf, die schematisch durch einen als Stromquelle fungierenden Feldeffekttransistor 55 und einen als Schalter betriebenen Feldeffekttransistor 50, welche in Reihe geschaltet sind, dargestellt ist. Zudem verfügt der Funktionsblock 201 über einen Versorgungs- bzw. Masseanschluss 95 und einen Ausgangsanschluss 90. Die Ausgangsanschlüsse 90 und die Masseanschlüsse 95 aller Funktionsblöcke sind auf dem Substrat zusammengeschaltet. Die zusammengeschalteten Ausgangsanschlüsse 90 sind mit der Kathode der Laserdiode 100 verbunden, deren Anode mit einer Versorgungsquelle 170 verbunden ist, die an Masse angeschlossen ist und eine Betriebsspannung VDD liefert. Ein Kondensator 110 ist der Laserdiode 100 und dem Hochgeschwindigkeits-Stromtreiber 10 zugeordnet, wobei der Kondensator 110 die Spannungsversorgung abblockt und schnelle Umschaltströme liefert. Zwischen dem Stelleingang 30 und der Spannungsquelle 40 kann eine Impedanz oder aktive Schaltung 120 geschaltet sein, die außerhalb des Funktionsblocks 201 und somit aller übrigen Funktionsblöcke liegen kann. Innerhalb des Funktionsblocks 201 kann ebenfalls eine Impedanz oder aktive Schaltung 122 zwischen dem Stelleingang 30 und dem Gate-Anschluss des Transistors 55 geschaltet sein. Die Referenzspannung wird über den Eingangsanschluss 30 dem Gate-Anschluss des als Stromquelle fungierenden Feldeffekttransistors 55 zugeführt. Zwischen dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors 55 und dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors 50 kann ein Kondensator 80 geschaltet sein. Der Kondensator 80 hält die Spannung am Gate des Feldeffekttransistors 55 konstant. Mittels der Impedanz oder aktiven Schaltung 120, der Impedanz oder aktiven Schaltung 122 und dem Kondensator 80 wird der Arbeitspunkt der Stromerzeugungseinrichtung jedes Funktionsblocks eingestellt. Die Impedanz oder aktive Schaltung 122 und der Kondensator 80 können als Bestandteile der Stromerzeugungseinrichtung betrachtet werden. Der Source-Anschluss des als Schalter fungierenden Feldeffekttransistors 50 ist mit dem Masseanschluss 95 verbunden, während der Drain-Anschluss der Feldeffekttransistors 55 mit dem Ausgangsanschluss 90 verbunden ist. Der Schalttransistor 50 ist über eine elektronische Schaltung 70, welche einen Verstärker, Pulsformer, eine Signalaufbereitung und/oder Ansteuerungselektronik enthalten kann, mit einem Eingang 35 verbunden, der als Steuereingang fungiert. An die Steuereingänge 35 der Funktionsblöcke 201 bis 2050 kann ein Steuersignal über ein Ansteuernetzwerk 180 angelegt werden. Das Ansteuernetzwerk 180, das ebenfalls auf dem Substrat des Hochgeschwindigkeits-Stromtreibers 10 angeordnet sein kann, ist derart ausgebildet, dass die Stromerzeugungseinrichtungen der Funktionsblöcke zeitgleich angesteuert werden können. Das Steuersignal kann von einer entsprechenden Einrichtung 60 bereitgestellt werden.
Das Ansteuernetzwerk 180 kann eine Baumstruktur aufweisen. Im vorliegenden Beispiel enthält das Ansteuernetzwerk 180 einen Strang, welcher ein Verzögerungs- und Verstärkerelement 160 aufweist, von dem sich mehrere Verzögerungs- und/oder Verstärkungselemente 150, 140 abzweigen. Die Einrichtung 60 ist an das Verzögerungs- und/oder Verstärkerelement 160 angeschlossen. In Flussrichtung des Steuersignals betrachtet, verzweigt jedes Verzögerungs- und/oder Verstärkerelements 160, 150, 140 beispielsweise zu zwei nachfolgenden Verzögerungs- und/oder Verstärkerelemente. So verzweigt das Verzögerungs- und/oder Verstärkerelement 140 zu zwei Verzögerungs- und/oder Verstärkerelementen 135 bzw. 130, die beispielsweise jeweils mit zwei benachbarten Funktionsblöcken verbunden sind. Im vorliegenden Beispiel sind daher die Steuereingänge 35 der Funktionsblöcke 201 und 202 mit dem Verzögerungs- und/oder Verstärkerelement 130 verbunden, während die Steuereingänge 35 der beiden benachbarten Funktionsblöcke 203 und 204 mit dem Verzögerungs- und/oder Verstärkerelement 135 verbunden sind. In ähnlicher Weise können die übrigen Funktionsblöcke an das Ansteuernetzwerk 180 angeschlossen sein. Bei entsprechender Dimensionierung der Verzögerungs- und/oder Verstärkerelemente innerhalb der Baumstruktur kann sichergestellt werden, dass das von der Einrichtung 60 bereitgestellte Steuersignal verzögert aber zeitgleich an den Eingängen 35 der Funktionsblöcke 201 bis 2050 anliegt.
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Weiterhin ist denkbar, dass in jedem Funktionsblock weitere passive oder aktive Bauelemente integriert sein können. Dank der Verwendung von in Funktion und Layout gleichen Funktionsblöcken, kann ein skalierbarer Hochgeschwindigkeits-Stromtreiber 10 aufgebaut werden. Jeder Funktionsblock 201 bis 2050 wird hierbei optimal auf einen kleinen Strom, hier 10 mA, ausgelegt, so dass im Ergebnis die Gesamtschaltung auf einen hohen Strom, im vorliegenden Fall 500 mA, optimiert wird.
