DE102014105482B4 - Treiberschaltung für ein lichtemittierendes Element und Laufzeitdetektor - Google Patents

Treiberschaltung für ein lichtemittierendes Element und Laufzeitdetektor Download PDF

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Abstract

Treiberschaltung, die Folgendes umfasst:eine Stromquelle (200B), die mit einer Eingangselektrode eines lichtemittierenden Elements (112) gekoppelt und eingerichtet ist, der Eingangselektrode einen Konstantstrom bereitzustellen, um dem lichtemittierenden Element (112) eine Durchlassspannung bereitzustellen;einen ersten Modulationsschalter (302A; 502), der mit der Eingangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) gekoppelt und eingerichtet ist, den Konstantstrom von der Stromquelle (200B) freizugeben oder nicht freizugeben, um das lichtemittierende Element (112) in Durchlassrichtung zu betreiben, indem der erste Modulationsschalter (302A; 502) geschlossen wird bzw. die Stromquelle (200B) mit Masse verbunden wird, undeinen zweiten Modulationsschalter (402A; 504), der mit einer Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) gekoppelt und eingerichtet ist, von einer zweiten Spannungsquelle (518), die mit dem zweiten Modulationsschalter (402A; 504) über ein Widerstandselement (404A) gekoppelt ist, eine positive Spannung anzulegen, um das lichtemittierende Element (112) in Sperrrichtung zu betreiben, wobei der zweite Modulationsschalter (402A; 504) ferner eingerichtet ist, das lichtemittierende Element (112) in Sperrrichtung zu betreiben, wenn der erste Modulationsschalter (302A; 502) die Stromquelle mit Masse verbindet, und wobei der zweite Modulationsschalter (402A; 504) ferner eingerichtet ist, die Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) mit Masse zu verbinden, wenn der erste Modulationsschalter (302A; 502) den Konstantstrom freigibt, um das lichtemittierende Element (112) in Durchlassrichtung zu betreiben.

Description

  • HINTERGRUND
  • Laufzeit(TOF)-Sensoren (TOF - „Time Of Flight“) geben ein moduliertes Lichtsignal ab, welches von einem nahen Objekt reflektiert und von einem Bildsensor, der aus einer Matrix aus PMDs (Photomischdetektoren - „Photon Mixing Devices“) besteht, die das Objekt in Echtzeit auflösen, gesammelt wird. Jeder PMD bewertet die Distanz zu einem Punkt auf dem nahen Objekt durch Bestimmung einer Phasenverschiebung zwischen dem abgegebenen Lichtsignal und einem reflektierten Lichtsignal. Die über den Matrix-PMD gesammelten zusammengesetzten Informationen können für Anwendungen wie unter anderem zum Beispiel Fahrzeugaufpralldetektionssysteme, dreidimensionale Bildgebung, Videospielschnittstellen und Robotik verwendet werden.
  • Die US 7 439 945 B1 offenbart eine Treiberschaltung mit einem Gleichspannungs-/Gleichspannungswandler als Stromquelle. Mittels eines Modulationsschalters wird ein Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers wahlweise auf Masse geschaltet, um eine Leuchtdiode wahlweise ein- und auszuschalten. Eine RC-Schaltung ist zum schnelleren Abschalten der Leuchtdiode bereitgestellt.
  • Eine ähnliche Schaltung, bei welcher ein Strom wahlweise auf Masse abgeleitet wird, ist auch aus der DE 10 2012 111 247 A1 bekannt.
  • Die DE 10 2011 006 613 A1 offenbart ein Laufzeitsystem mit einer ähnlichen Schaltung.
  • Weiter verwandte Schaltungen sind aus der US 2008 /0 258 695 A1 , der DE 10 2010 001 113 A1 , der JP S62- 269 416 A oder der DE 698 18 352 T2 bekannt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, für Laufzeitdetektoren verwendbare Treiberschaltungen, Laufzeitdetektoren und entsprechende Verfahren mit verbesserten Eigenschaften, z.B. verbesserter Skalierbarkeit, geringerem Platzbedarf und/oder verbesserter Leistungsfähigkeit, bereitzustellen.
  • KURZZUSAMMENFASSUNG
  • Es werden eine Treiberschaltung nach Anspruch 1 sowie ein Laufzeitdetektor nach Anspruch 8 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine Treiberschaltung für ein lichtemittierendes Element.
    • 2A zeigt einige Ausführungsformen eines Konstantspannung-Gleichspannungswandlers.
    • 2B zeigt einen Konstantstrom-Gleichspannungswandler.
    • 3A zeigt eine Treiberschaltung für ein lichtemittierendes Element, umfassend ein RC-Schaltungselement.
    • 3B zeigt ein Zeitplandiagramm für die Treiberschaltung von 3A.
    • 4A zeigt einige Ausführungsformen einer Treiberschaltung für ein lichtemittierendes Element, umfassend einen zweiten Modulationsschalter.
    • 4B zeigt ein Zeitplandiagramm für einige Ausführungsformen der Treiberschaltung von 4A.
    • 5 zeigt einige Ausführungsformen eines Laufzeitdetektors, umfassend die Treiberschaltung von 4.
    • 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Betreiben eines Laufzeitdetektors, umfassend ein RC-Schaltungselement oder umfassend einen zweiten Modulationsschalter.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszahlen durchgehend allgemein zur Bezeichnung gleicher Elemente verwendet werden und wobei die verschiedenen Strukturen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind. In der folgenden Beschreibung werden zu Erklärungszwecken zahlreiche spezifische Einzelheiten aufgelistet, um das Verständnis zu erleichtern. Es versteht sich jedoch für einen Fachmann, dass ein oder mehrere hier beschriebene Aspekte mit einem geringeren Maß an diesen spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden kann. Bei anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Einrichtungen in Form eines Blockschaltbilds gezeigt, um das Verständnis zu erleichtern.
  • Bei der Laufzeit(TOF)-Messung verwendet man die bekannte Lichtgeschwindigkeit, um eine Distanz zu einem nahen Objekt zu bestimmen. Die TOF-Messung findet man in Anwendungen in Fahrzeugaufpralldetektionssystemen, in der dreidimensionalen (3D) Bildgebung, in Videospielschnittstellen, der Robotik und dergleichen. Bei einigen Anwendungen gibt ein TOF-Messsystem ein moduliertes Infrarotsignal ab und bestimmt eine Distanz zu einem nahen Objekt, indem es eine Phasenverschiebung eines reflektierten Signals misst, wobei das reflektierte Signal von dem nahen Objekt reflektiert wird. Die Distanzauflösung einer modulierten TOF-Kamera wird durch die Frequenz bestimmt, mit der das modulierte Infrarotsignal erzeugt werden kann (d. h. eine höhere Frequenz ergibt eine höhere Auflösung).
  • In der folgenden Beschreibung werden anhand der 1-3 nicht beanspruchte Schaltungen erläutert, die zum Verständnis der anschließend beschriebenen Schaltungen gemäß beanspruchten Schaltungen hilfreich sind.
  • 1 zeigt eine Treiberschaltung 100 für ein lichtemittierendes Element, welches eine Leuchtdiode (LED) 112 umfasst. Die Treiberschaltung 100 umfasst einen Gleichspannungswandler 102, der zur Einstellung einer Eingangsspannung auf eine gewünschte Betriebsspannung konfiguriert ist, einen Abblockkondensator 104, der zur Entkopplung des Gleichspannungswandlers 102 während des Schaltens konfiguriert ist, ein RC-Schaltungselement 106, welches ferner einen parallel mit einem Kondensator 110 konfigurierten Widerstand 108 umfasst, und einen Modulationsschalter 114, der ferner einen Feldeffekttransistor vom n-Typ (nFET) umfasst. Der Modulationsschalter 114 ist dazu konfiguriert, Stromfluss durch die LED 112 zu gestatten, wenn an einem Gate des Modulationsschalters 114 eine Spannung angelegt wird, womit der Modulationsschalter 114 eingeschaltet ist. Ist keine Spannung angelegt, ist der Stromfluss durch die LED 112 deaktiviert, wodurch der Modulationsschalter 114 ausgeschaltet ist.
  • Eine Einschaltzeit der LED 112 wird durch das RC-Schaltungselement 106 gesenkt. Wenn der Modulationsschalter 114 durch Aktivierung einer Spannung an dem Gate des Modulationsschalters 114 eingeschaltet wird, ist ein Spannungsabfall am Widerstand 108 und Kondensator 110 null, da der Kondensator 110 völlig entladen ist, wenn die Treiberschaltung 100 aus ist. Somit ist die LED 112 direkt mit der Versorgungsspannung verbunden, so dass zusätzlicher Strom in die LED 112 gezwungen wird, bis der Kondensator 110 völlig geladen ist. Während die Einschaltzeit durch derartige Mittel verbessert wird, enthält die Treiberschaltung 100 keinen Mechanismus dafür, eine Abschaltezeit der LED 112 zu verringern, um die Entfernungsauflösung weiter zu verbessern. Zusätzlich kann der Abblockkondensator 104 relativ zu den anderen Treiberkomponenten einen beträchtlichen Platz einnehmen, und skaliert darüber hinaus mit den anderen Komponenten nicht. Einige heutige Treiberschaltungen können die Abschaltezeit durch Anlegen einer Sperrvorspannung an die LED 112 verbessern. Bei diesen Treiberschaltungen benötigt die Versorgungsspannung des Gleichspannungswandlers 102 noch immer einen Abblockkondensator 104 zum Entkoppeln, was die Skalierbarkeit einschränkt. Zusätzlich benötigt die Synchronisierung von zwei Schaltern zusätzliche Schaltkreise und zusätzliche Zeiteinschränkungen für Signale, die entlang verschiedenen Wegen laufen, sowie eine Erhöhung des Aufwands der Treiberschaltung 100.
  • Demgemäß stellen einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung ein System und ein Verfahren zum Betreiben einer Treiberschaltung für ein lichtemittierendes Element in einer TOF-Kamera bereit. Ein Gleichspannungswandler ist dazu konfiguriert, einen Konstantstrom auszugeben, und ist parallel mit einem ersten Modulationsschalter, der zur Verbindung der Treiberschaltung mit Masse konfiguriert ist, gekoppelt. Der erste Modulationsschalter ist ferner dazu konfiguriert, Verbindungen zwischen der Stromquelle und Masse mit einer Frequenz in einem erwünschten Betriebsbereich zu alternieren, um einen Wechselstrom zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen ist ein RC-Schaltungselement an eine Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements gekoppelt und dazu konfiguriert, eine Sperrvorspannung anzulegen, um die Abschaltezeit des lichtemittierenden Elements zu verringern. Bei einigen Ausführungsformen ist ein zweiter Modulationsschalter an die Ausgangselektrode gekoppelt und dazu konfiguriert, die Sperrvorspannung an das lichtemittierendes Element anzulegen. Andere Systeme und Verfahren sind ebenso offenbart.
  • 2A zeigt einige Ausführungsformen eines Konstantspannung-Gleichspannungswandlers 200A, der eine Eingangsspannungsquelle 202A, einen zur Freigabe von Eingangsenergie konfigurierten Leistungsschalter 204A, eine Drossel 206A und einen Abblockkondensator 208A umfasst. Der Leistungsschalter 204A ist dazu konfiguriert, den Konstantspannung-Gleichspannungswandler 200A mit der Drossel 206A bzw. Masse 112A zu verbinden. Die Drossel 206A und der Abblockkondensator 208A kombiniert umfassen einen Tiefpassfilter zu einer Eingangsspannung der Eingangsspannungsquelle 202A. Ein resultierender Ausgang des Konstantspannung-Gleichspannungswandlers 200A ist ein Durchschnitt einer Eingangsrechteckwelle an dem Ausgang des Leistungsschalters 204A (d. h. ein Durchschnittssignal zwischen Ein- und Aus-Zuständen des Gleichspannungswandlers 200A). Eine Ausgangsspannung des Konstantspannung-Gleichspannungswandlers 200A wird durch das Tastverhältnis des Leistungsschalters 204A bestimmt. In der Regel wird die Ausgangsspannung überwacht und das Tastverhältnis des Leistungsschalters 204A wird je nach einer gegebenen Anwendung eingestellt. Zu diesem Zweck gibt es mehrere Steuertechniken, wie zum Beispiel nichtlückender Betrieb (CCM - Continuous Conduction Mode) und lückender Betrieb (DCM - Discontinuous Conduction Mode). Allgemein umfasst der Konstantspannung-Gleichspannungswandler aufgrund der Tiefpassfiltergeometrie der Drossel 206A und des Abblockkondensators 208A eine Schleife zweiter Ordnung. Der Widerstand 210A stellt eine Belastung des Konstantspannung-Gleichspannungswandlers 200A bereit (d. h. die Belastung eines lichtemittierenden Elements und eines Modulationsschalters, diskutiert in den folgenden Ausführungsformen).
  • 2B zeigt einige Ausführungsformen eines Konstantstrom-Gleichspannungswandlers 200B, der eine Eingangsspannung 202B, einen Leistungsschalter 204B, eine Drossel 206B und einen die Last auf dem Konstantstrom-Gleichspannungswandler 200B darstellenden Widerstand 210B umfasst. Die Schaltung in 2B ist der als Stromquelle konfigurierte Gleichspannungswandler 200B. Der Leistungsschalter 204B verbindet die Eingangsspannung 202B mit der Drossel 206B oder mit Masse 212B. Ein durch die Drossel 206B fließender Strom ist proportional zum Integral des Spannungsabfalls an der Drossel 206B (d. h. dem Durchschnitt) und wird somit durch ein Tastverhältnis des Leistungsschalters 204B bestimmt. Der Strom wird von einer (nicht gezeigten) Steuerung überwacht und das Tastverhältnis wird entsprechend eingestellt. Für die Ausführungsformen des Konstantstrom-Gleichspannungswandlers 200B wird der Durchschnitt mittels einer Drossel 206B statt einem LC-Tiefpass der Ausführungsformen von 2A erzeugt. Der Gleichspannungswandler 200B umfasst somit theoretisch eine Schleife erster Ordnung. In der Praxis kann der Gleichspannungswandler 200B jedoch auch aufgrund von Stromerfassung zweiter Ordnung sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfassen die Anforderungen für TOF-Anwendungen einen AC-Frequenzbereich von ungefähr 1 MHz bis 100 MHz mit einer optischen Ausgangsleistung von mehreren Watt. Schnelle Einschaltzeiten und schnelle Abschaltezeiten für ein lichtemittierendes Element, welches eine LED oder einen Laser umfasst, können die Distanzauflösung einer modulierten TOF-Kamera verbessern. Um schnelle Einschaltzeiten für das lichtemittierende Element anzusteuern, kann eine „Spannungsüberhöhung“ verwendet werden, wobei ein Konstantstrom auf einen Wert eingestellt wird, der größer als ein benötigter Schwellenwert ist, und an einer Eingangselektrode des lichtemittierenden Elements angelegt wird (zum Beispiel einer Anode der LED). Schnelle Abschaltezeiten können durch Anlegen einer positiven Spannung an eine Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (zum Beispiel einer Kathode einer LED) erreicht werden, womit eine Sperrvorspannung zur Erreichung eines Aus-Modus der LED bereitgestellt wird.
  • 3A zeigt einige Ausführungsformen einer Treiberschaltung 300A für eine LED 112, umfassend eine Stromquelle, die ferner einen Konstantstrom-Gleichspannungswandler 200B umfasst, der an einer Anode der LED 112 gekoppelt ist, wobei der Gleichspannungswandler 200B zur Bereitstellung einer Durchlassspannung an die LED 112 konfiguriert ist. Ein erster Modulationsschalter 302A ist mit der Anode der LED 112 gekoppelt und dazu konfiguriert, einen modulierten Wechselstrom bei einer Frequenz zur Vorspannung der LED 112 freizugeben. Für die Ausführungsformen der Treiberschaltung 300A umfasst der erste Modulationsschalter 302A einen Feldeffekttransistor vom n-Typ (nFET), kann aber allgemein einen Feldeffekttransistor vom p-Typ (pFET), eine Kombination aus einem oder mehreren nFETs und pFETs oder eine beliebige Einrichtung, die den Konstantstrom am Erreichen der Anode der LED 112 hindern kann, umfassen. Der erste Modulationsschalter 302A ist mit einem TOF-Bildgeber 304A gekoppelt, der den ersten Modulationsschalter 302A durch Anlegen einer Steuerspannung (Ctrl_V) an ein Gate des Modulationsschalters 302A steuert. Wenn die Steuerspannung am Modulationsschalter 302A angelegt wird, wird einem Ausgangsstrom des Konstantstrom-Gleichspannungswandlers 200B ein Weg zu Masse bereitgestellt, und die LED 112 ist nicht aktiv. Wenn die Steuerspannung nicht an den Modulationsschalter 302A angelegt wird, weist der Ausgangsstrom des Konstantstrom-Gleichspannungswandlers 200B keinen Weg zu Masse auf und fließt zu der Anode der LED 112. Somit umfasst bei einigen Ausführungsformen einer Treiberschaltung 300A ein Anlegen keiner Steuerspannung an den ersten Modulationsschalter 302A eine Freigabe des Ausgangsstroms des Konstantstrom-Gleichspannungswandlers 200B zur Vorspannung der LED 112 auf der gewünschten Frequenz. Eine resultierende Spannung an der LED 112 (V LED) erzeugt daraufhin ein moduliertes Lichtsignal auf der Frequenz.
  • Die Treiberschaltung 300A umfasst weiterhin ein RC-Schaltungselement 306A, welches an eine Kathode der LED 112 gekoppelt und dazu konfiguriert ist, eine positive Spannung an die Kathode anzulegen, um die LED 112 in Sperrrichtung zu betreiben, um eine schnelle Abschaltezeit der LED 112 zu erreichen. Das RC-Schaltungselement 306A umfasst weiterhin einen Widerstand 308A und den parallel konfigurierten Kondensator 310A. Der Widerstand 308A umfasst einen ersten Widerstandsknoten 312A, der mit der Kathode der LED 112 gekoppelt ist, und einen zweiten Widerstandsknoten 314A, der mit Masse gekoppelt ist. Der Kondensator 310A umfasst einen ersten Kondensatorknoten 316A, der mit der Kathode der LED 112 gekoppelt ist, und einen zweiten Kondensatorknoten 318A, der mit Masse gekoppelt ist. Wenn der erste Modulationsschalter 302A abgeschaltet wird, wird der Spannungsabfall, der am Widerstand 308A induziert wird, im Kondensator 310A gespeichert. Wenn der erste Modulationsschalter 302A angeschaltet wird, beginnt die gespeicherte Spannung im Kondensator 310A damit, sich zu entladen, wodurch vorübergehend eine Sperrspannung an der LED 112 geschaffen wird, wodurch die Abschaltezeit der LED 112 gesenkt wird.
  • Die „Spannungsüberhöhung“, die durch den Konstantstrom-Gleichspannungswandler 200B an die Anode der LED 112 bereitgestellt wird, senkt die Einschaltzeit der LED 112, während die durch das RC-Schaltungselement 306A an die LED 112 angelegte oben genannte Sperrspannung die Abschaltezeit der LED 112 senkt. Ein (einziger) erster Modulationsschalter 302A eliminiert die Zeitplanprobleme der Ansätze des Stands der Technik, die mehrere Modulationsschalter umfassen. Die Treiberschaltung 300A erreicht außerdem einen Diodenstrom, der von einer Schwellenspannung der LED 112 unabhängig ist, womit die übertragene optische Leistung unabhängig von der Temperatur wird (wodurch eine Überhitzung der LED 112, die zu einem thermischen Versagen der LED 112 führen könnte, gemildert wird). Der Konstantstrom-Gleichspannungswandler 200B steuert die LED 112 mit einem Strom und nicht einer Spannung an. Somit wird kein Abblockkondensator zur Entkopplung benötigt. Dies spart an Chipfläche und erhöht die Skalierbarkeit gegenüber einigen anderen Schaltungen des Stands der Technik. Einige Schaltungen des Stands der Technik verwenden eine Versorgungsspannung von mehr als ungefähr 10 V, wobei der erste Modulationsschalter 302A die Versorgungsspannung aushalten muss. Für die Ausführungsformen der Treiberschaltung 300A besteht die Spannung an dem ersten Modulationsschalter 302A aus einer Spannung der LED 112 (zum Beispiel ungefähr 2 V) und einer Spannung des Widerstands 308A (zum Beispiel ungefähr 1 V).
  • 3B zeigt ein Zeitplandiagramm 300B für einige Ausführungsformen der Treiberschaltung von 3A. Falls die Steuerspannung (Ctrl_V) null ist, ist der erste Modulationsschalter 302A, der einen Transistor umfasst, nicht leitend. Der Konstantstrom wird durch die LED 112 gezwungen und verursacht an der LED 112 einen konstanten Spannungsabfall. Zusätzlich wird Strom durch den Widerstand 308A und den parallel verbundenen Kondensator 310A gezwungen. Nach einer vorbestimmten Zeit wird die Spannung des Kondensators 310A auf einen Wert geladen. Wenn der erste Modulationsschalter 302A angeschaltet wird, wird die Spannung an der Anode und der Kathode der LED 112 (V_node) auf null gezwungen und die Spannung am Kondensator 310A wird entladen. Die Spannung an der LED 112 ist negativ, da die Summe von RC_res und der Spannung an der LED 112 V_node ist, was null ist. Nach einer vorbestimmten Zeit ist die Spannung des Kondensators 310A null.
  • 4A zeigt einige Ausführungsformen einer Treiberschaltung 400A für eine LED 112, wobei das RC-Schaltungselement 306A der Ausführungsformen von 3A durch einen zweiten Modulationsschalter 402A ersetzt wurde.
  • Ein Konstantstrom-Gleichspannungswandler 200B stellt der LED 112 einen Ausgangsstrom bereit, der durch den ersten Modulationsschalter 302A, der einen nFET umfasst, gesteuert wird. An einem Gate des ersten Modulationsschalters 302A wird eine erste Steuerspannung (Ctrl_V1) angelegt, um Strom von der Anode der LED 112 zu Masse abzulenken, wodurch die LED 112 effektiv ausgeschaltet wird. In diesem Modus wird das Gate des zweiten Modulationsschalters 402A auf Masse gezwungen. Somit ist die Kathode über einen Widerstand 404A mit einer Konstantspannungsversorgung verbunden, und an der LED 112 ist eine Sperrspannung angelegt. Die Sperrspannung trägt dazu bei, eine schnelle Abschaltezeit der LED 112 zu erreichen. Die Entfernung der ersten Steuerspannung lässt Strom durch die LED 112 fließen, was die LED 112 effektiv einschaltet. In diesem Modus wird eine zweite Steuerspannung (Ctrl V2) an einem Gate des zweiten Modulationsschalters 402A angelegt, wobei Strom durch die LED 112 und den zweiten Modulationsschalter 402A fließt.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst der erste Modulationsschalter 302A der Treiberschaltung 400A einen ersten Feldeffekttransistor vom n-Typ, ferner umfassend einen ersten, mit der Anode der LED 112 gekoppelten Diffusionsbereich (z.B. Source oder Drain), einen zweiten, mit Masse gekoppelten Diffusionsbereich (z.B. Drain oder Source) und ein erstes Gate, das dazu konfiguriert ist, die erste Steuerspannung zu empfangen, um Strom zwischen dem ersten Diffusionsbereich (zum Beispiel Source) und dem zweiten Diffusionsbereich (zum Beispiel Drain) fließen zu lassen, wodurch der Konstantstrom von der LED 112 auf Masse umgelenkt wird. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der zweite Modulationsschalter 402A der Treiberschaltung 400A einen zweiten Feldeffekttransistor vom n-Typ, ferner umfassend einen dritten Diffusionsbereich, der mit der Kathode der LED 112 gekoppelt ist, einen vierten Diffusionsbereich, der mit Masse gekoppelt ist, und ein zweites Gate, das dazu konfiguriert ist, die zweite Steuerspannung zu empfangen, um Strom zwischen dem dritten Diffusionsbereich (zum Beispiel Source) und dem vierten Diffusionsbereich (zum Beispiel Drain) fließen zu lassen, wodurch der Kathode die positive Spannung bereitgestellt wird.
  • 4B zeigt ein Zeitplandiagramm 400B für einige Ausführungsformen der Treiberschaltung von 4A. Die erste Steuerspannung (Ctrl_V1) umfasst ein erstes Steuersignal für den ersten Modulationsschalter 302A. Die zweite Steuerspannung (Ctrl V2) umfasst ein zweites Steuersignal für den zweiten Modulationsschalter 402A. Die Spannung an der LED 112 (V LED) ist gleich einer Differenz zwischen einer ersten Spannung an der Anode der LED 112 (V_node1) und einer zweiten Spannung an der Kathode der LED 112 (V_node2), die ein Signal mit einem Verhalten umfasst, das ähnlich dem der V_node1 (und Ctrl_V2) ist, aber auch an der LED 112 zur Unterstützung einer schnellen Abschaltung der LED 112 einen Sperrstrom bereitstellen kann.
  • 5 zeigt einige Ausführungsformen eines Laufzeit(TOF)-Detektors 500, umfassend die Treiberschaltung von 4A. Ein Konstantstrom-Gleichspannungswandler 200B stellt einem lichtemittierenden Element 516 einen Ausgangsstrom bereit, der durch einen ersten Modulationsschalter 502 gesteuert wird, wobei der erste Modulationsschalter 502 die Lieferung eines Ausgangsstroms des Konstantstrom-Gleichspannungswandlers 200B an eine Eingangselektrode des lichtemittierenden Elements 516 zur Bereitstellung einer Durchlassspannung an das lichtemittierende Element 516 steuert. Ein zweiter Modulationsschalter 504 ist an einer Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements 516 gekoppelt und dazu konfiguriert, von einer zweiten Spannungsquelle 518, die mit dem zweiten Modulationsschalter 504 durch ein Widerstandselement, welches einen Widerstand 404A umfasst, gekoppelt ist, eine positive Spannung an die Ausgangselektrode anzulegen, um die Leuchtdiode 516 in Sperrrichtung zu betreiben.
  • Falls die Eingangselektrode des lichtemittierenden Elements 516 mit einer positiven Spannung verbunden ist und die Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements 516 mit Masse verbunden ist, wird das lichtemittierende Element 516 in Durchlassrichtung betrieben. Die Spannung am lichtemittierenden Element 516 ist positiv und das lichtemittierende Element 516 gibt Licht ab. Falls die Ausgangselektrode mit einer positiven Spannung verbunden ist und die Eingangselektrode mit Masse verbunden ist, wird das lichtemittierende Element 516 in Sperrrichtung betrieben. Die an die Eingangselektrode angelegte Spannung minus die Spannung, die an die Ausgangselektrode angelegt wird (V_in - V_out) ist negativ, und das lichtemittierende Element 516 stellt die Abgabe von Licht ein. Daraufhin benötigt die Treiberschaltung (400A) des TOF-Detektors 500 zwei Schalter (um die Eingangselektrode und die Ausgangselektrode mit Masse zu verbinden). In der Treiberschaltung (400A) ermöglicht eine verwendete Durchlassspannung und eine zweite Spannung, die über einen Widerstand 404A mit der Ausgangselektrode verbunden ist, eine Sperrspannung. Für die Ausführungsformen des TOF-Detektors 500 umfassen der erste Modulationsschalter 502 und der zweite Modulationsschalter nFETs, aber allgemein können sie pFETs, eine Kombination aus einem oder mehreren nFETs und pFETs oder einer Einrichtung zur Ablenkung von Stromfluss von der Eingangselektrode und der Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements 516 weg umfassen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das lichtemittierende Element 516 eine LED, wobei die Eingangselektrode der LED eine Anode umfasst und die Ausgangselektrode der LED eine Kathode umfasst. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das lichtemittierende Element 516 einen Laser, wobei die Eingangselektrode des Lasers einen Leistungsanschluss mit dem Laser umfasst, und die Ausgangselektrode des Lasers eine Masseverbindung zum Laser umfasst.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist der erste Modulationsschalter 502 dazu konfiguriert, den Konstantstrom von der Treiberschaltung (400A) freizugeben, um das lichtemittierende Element 516 auf einer Frequenz vorzuspannen, um zum Aufleuchtenlassen des lichtemittierenden Elements 516 auf der Frequenz eine AC-Quelle bereitzustellen. Der zweite Modulationsschalter 504 ist ferner dazu konfiguriert, zwischen einem Anlegen einer positiven Vorspannung von der zweiten Spannungsquelle 518 und Masse an die Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements 516 auf der Frequenz zu alternieren, um das lichtemittierende Element auf der Frequenz in Sperrrichtung zu betreiben. Der zweite Modulationsschalter 504 ist dazu konfiguriert, das lichtemittierende Element 516 in Sperrrichtung zu betreiben, wenn der erste Modulationsschalter 502 die Treiberschaltung (400A) mit Masse verbindet. Der zweite Modulationsschalter 504 ist ferner dazu konfiguriert, mit Masse zu verbinden, wenn der erste Modulationsschalter 502 den Konstantstrom freigibt, um das lichtemittierende Element 516 in Durchlassrichtung zu betreiben.
  • Das lichtemittierende Element 516 ist dazu konfiguriert, ein erstes moduliertes Lichtsignal 506 abzugeben. Der TOF-Detektor 500 umfasst ferner einen TOF-Sensor 508, der dazu konfiguriert ist, ein zweites moduliertes Lichtsignal 510 zu empfangen, wobei das zweite modulierte Lichtsignal 510 ein erstes moduliertes Lichtsignal 506 umfasst, das von einem oder mehreren nahen Objekten 512 (z. B. einer „3D-Szene“) reflektiert wurde. Ein TOF-Bildgeber 514 umfasst den TOF-Sensor 508 und ist dazu konfiguriert, dem ersten Modulationsschalter 502 eine erste Steuerspannung (Ctrl_V1) und dem zweiten Modulationsschalter 504 eine zweite Steuerspannung (Ctrl_V2) bereitzustellen. Das erste modulierte Lichtsignal 506 ist proportional zu Ctrl_V1 oder Ctrl V2 (oder der Inversen von Ctrl_V1 oder Ctrl V2). Bei einigen Ausführungsformen wandelt der TOF-Sensor 508 das zweite modulierte Lichtsignal 510 in ein moduliertes elektrisches Signal um. Daher kann der TOF-Bildgeber 514 die Distanz zu dem einen oder mehreren nahen Objekten 512 durch Messung der Phasenverschiebung zwischen dem modulierten elektrischen Signal und Ctrl_V1 oder Ctrl V2 messen. Bei einigen Ausführungsformen stellt der TOF-Sensor 508 direkt ein Signal bereit, das zu der Phasenverschiebung zwischen dem zweiten modulierten Lichtsignal 510 und dem Steuersignal Ctrl V1 oder Ctrl_V2 proportional ist, indem das optische Eingangssignal (d. h. das zweite modulierte Lichtsignal 510) mit einem elektrischen Bezugssignal multipliziert wird, was zu einem Photomischdetektor (PMD) führt. Daher ist das modulierte elektrische Signal nur zur Verwendung durch den TOF-Sensor 508 verfügbar, wobei der TOF-Sensor 508 die Verzögerung bestimmt und ein Ausgangssignal bereitstellt, das zu der Phasenverschiebung, Verzögerung, Distanz proportional ist.
  • Es sollte bemerkt werden, dass zwischen dem abgegebenen ersten modulierten Lichtsignal 506 und den Steuersignalen Ctrl_V1 oder Ctrl V2 eine unerwünschte Verzögerung auftreten kann. Diese Verzögerung kann mittels eines A/D-Wandlers (ADC) gemessen werden, der mit der LED verbunden ist (siehe 320A in 3A).
  • Der TOF-Bildgeber 514 ist dazu konfiguriert, eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten modulierten Lichtsignal 506 und dem zweiten modulierten Lichtsignal 510 zu bestimmen, wodurch eine Distanz zu einer Stelle auf dem einen oder den mehreren nahen Objekten 512, an der das erste modulierte Lichtsignal 506 reflektiert wurde, bestimmt wird. Der TOF-Bildgeber 514 kann diese Informationen dazu, ein 3D-Bild der nahen Objekte 512 zu konstruieren, zur Näherungsdetektion in Voraufpralldetektionssystemen in Fahrzeugen usw. verwenden.
  • 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens 600 zum Betreiben eines TOF-Detektors, umfassend ein RC-Schaltungselement wie bei nicht beanspruchten Schaltungen oder umfassend einen zweiten Modulationsschalter wie bei beanspruchten Ausführungsformen. Es versteht sich, dass, obwohl das Verfahren 600 als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen gezeigt und beschrieben wird, die gezeigte Reihenfolge derartiger Handlungen oder Ereignisse nicht in einem begrenzenden Sinn zu interpretieren ist. Zum Beispiel können einige Handlungen in verschiedenen anderen Reihenfolgen auftreten und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen als den hier gezeigten und/oder beschriebenen. Zudem müssen nicht alle gezeigten Handlungen einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung implementieren. Außerdem können eine oder mehrere der Handlungen, die hier gezeigt sind, in einer oder mehreren separaten Handlungen und/oder Phasen durchgeführt werden. Ferner können die offenbarten Verfahren als Einrichtung oder Herstellungserzeugnis mittels Standardprogrammierungs- und/oder Herstellungstechniken zur Erzeugung von Software, Firmware, Hardware oder einer Kombination daraus zur Steuerung eines Computers zur Implementierung des offenbarten Gegenstands implementiert sein.
  • Bei 602 wird ein Gleichspannungswandler aktiviert. Der Gleichspannungswandler ist dazu konfiguriert, einem ersten Modulationsschalter, der mit einer Eingangselektrode eines lichtemittierenden Elements gekoppelt ist, einen Konstantstrom bereitzustellen, wobei die Eingangselektrode ferner eine Anode einer LED oder einen Leistungsanschluss zu einem Laser umfasst. Der erste Modulationsschalter ist dazu konfiguriert, Verbindungen zwischen der Ausgangsleistung des Gleichspannungswandlers und Masse auf einer Frequenz (z. B. AC-Frequenz zur Beleuchtung) zu alternieren.
  • Bei 604 wird eine erste Rechtecksteuerspannung an den ersten Modulationsschalter angelegt, um der Eingangselektrode des lichtemittierenden Elements einen Wechselstrom bereitzustellen, um das lichtemittierende Element auf der Frequenz in Durchlassrichtung zu betreiben.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst eine Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements eine Kathode für eine LED, oder einen Masseanschluss für einen Laser. Die Ausgangselektrode ist mit einem RC-Schaltungselement gekoppelt, welches zwischen der Ausgangselektrode und Masse einen Widerstand und einen parallel konfigurierten Kondensator umfasst. Bei 606A wird an das lichtemittierende Element auf der Frequenz eine Sperrspannung angelegt, wie in den Ausführungsformen von 3A-3B. Die Sperrspannung hilft dabei, Strom von der Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements weg zu lenken, um eine Abschaltezeit des lichtemittierenden Elements zu reduzieren.
  • Erfindungsgemäß ist die Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements mit einem zweiten Modulationsschalter gekoppelt, der dazu konfiguriert ist, die Sperrspannung auf der Frequenz anzulegen, um das lichtemittierende Element abzuschalten. Bei 606B wird eine zweite Rechtecksteuerspannung, die eine Inverse einer ersten Rechtecksteuerspannung umfasst, an den zweiten Modulationsschalter angelegt, um an dem lichtemittierenden Element auf der Frequenz eine Sperrspannung bereitzustellen.
  • Bei 608 wird von dem lichtemittierenden Element auf der Frequenz ein erstes moduliertes Lichtsignal abgegeben. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das erste modulierte Lichtsignal elektromagnetische Infrarot(IR)-Strahlung, um den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums nicht zu stören.
  • Bei 610 wird das erste modulierte Lichtsignal an einem oder mehreren nahen Objekten reflektiert, um ein zweites moduliertes Lichtsignal auszubilden.
  • Bei 612 wird das zweite modulierte Lichtsignal an einem TOF-Sensor innerhalb des TOF-Bildgebers empfangen. Bei Empfang des zweiten modulierten Lichtsignals wird die TOF-Beleuchtungszeit gestoppt.
  • Bei 614 bestimmt der TOF-Bildgeber eine Phasenverschiebung zwischen der ersten Rechtecksteuerspannung und dem modulierten elektrischen Signal, wodurch eine Distanz zu einer Stelle auf dem Objekt oder den Objekten, an der das erste modulierte Lichtsignal reflektiert wurde, bestimmt wird.
  • Bei 616 wird der Gleichspannungswandler deaktiviert.

Claims (12)

  1. Treiberschaltung, die Folgendes umfasst: eine Stromquelle (200B), die mit einer Eingangselektrode eines lichtemittierenden Elements (112) gekoppelt und eingerichtet ist, der Eingangselektrode einen Konstantstrom bereitzustellen, um dem lichtemittierenden Element (112) eine Durchlassspannung bereitzustellen; einen ersten Modulationsschalter (302A; 502), der mit der Eingangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) gekoppelt und eingerichtet ist, den Konstantstrom von der Stromquelle (200B) freizugeben oder nicht freizugeben, um das lichtemittierende Element (112) in Durchlassrichtung zu betreiben, indem der erste Modulationsschalter (302A; 502) geschlossen wird bzw. die Stromquelle (200B) mit Masse verbunden wird, und einen zweiten Modulationsschalter (402A; 504), der mit einer Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) gekoppelt und eingerichtet ist, von einer zweiten Spannungsquelle (518), die mit dem zweiten Modulationsschalter (402A; 504) über ein Widerstandselement (404A) gekoppelt ist, eine positive Spannung anzulegen, um das lichtemittierende Element (112) in Sperrrichtung zu betreiben, wobei der zweite Modulationsschalter (402A; 504) ferner eingerichtet ist, das lichtemittierende Element (112) in Sperrrichtung zu betreiben, wenn der erste Modulationsschalter (302A; 502) die Stromquelle mit Masse verbindet, und wobei der zweite Modulationsschalter (402A; 504) ferner eingerichtet ist, die Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) mit Masse zu verbinden, wenn der erste Modulationsschalter (302A; 502) den Konstantstrom freigibt, um das lichtemittierende Element (112) in Durchlassrichtung zu betreiben.
  2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Modulationsschalter (302A; 502) einen ersten Feldeffekttransistor vom n-Typ umfasst, der Folgendes umfasst: einen ersten, mit der Eingangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) gekoppelten Diffusionsbereich; einen zweiten, mit Masse gekoppelten Diffusionsbereich und ein erstes Gate, das eingerichtet ist, eine erste Steuerspannung zu empfangen, um Strom zwischen dem ersten Diffusionsbereich und dem zweiten Diffusionsbereich fließen zu lassen, wodurch der Konstantstrom von dem lichtemittierenden Element (112) auf Masse umgelenkt wird, um das lichtemittierende Element (112) zu deaktivieren.
  3. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Modulationsschalter (402A; 504) einen zweiten Feldeffekttransistor vom n-Typ umfasst, der Folgendes umfasst: einen zweiten Widerstand, der mit der Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) gekoppelt und mit einer Stromversorgung verbunden ist; einen dritten Diffusionsbereich, der mit der Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) gekoppelt ist, einen vierten Diffusionsbereich, der mit Masse gekoppelt ist, und ein zweites Gate, das eingerichtet ist, eine zweite Steuerspannung zu empfangen, um Strom zwischen dem dritten Diffusionsbereich und dem vierten Diffusionsbereich fließen zu lassen, wodurch der Ausgangselektrode von dem zweiten Widerstand die positive Spannung bereitgestellt wird.
  4. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der erste Modulationsschalter (302A; 502) ferner eingerichtet ist, den Konstantstrom mit einer Frequenz freizugeben, um einen Wechselstrom mit der Frequenz bereitzustellen, um das lichtemittierende Element (112) mit der Frequenz zum Aufleuchten zu bringen.
  5. Treiberschaltung nach Anspruch 4, wobei der zweite Modulationsschalter (402A; 504) ferner eingerichtet ist, zwischen einem Anlegen der positiven Spannung und Masse an die Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) mit der Frequenz zu alternieren, um das lichtemittierende Element (112) mit der Frequenz in Sperrrichtung zu betreiben.
  6. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Stromquelle (200B) einen Gleichspannungs/Gleichspannungswandler (200B) umfasst, der Folgendes umfasst: eine in Reihe mit einem Leistungsschalter (204B) gekoppelte Drossel (206B) und eine mit dem Leistungsschalter (204B) in Reihe gekoppelte Eingangsspannungsquelle (202B), wobei der Leistungsschalter (204B) eingerichtet ist, die Eingangsspannungsquelle (202B) durch Schließen des Leistungsschalters (204B) bzw. Verbinden der Drossel (206B) mit Masse zu aktivieren oder deaktivieren.
  7. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei das lichtemittierende Element (112) eine Leuchtdiode oder einen Laser umfasst.
  8. Laufzeitdetektor, der Folgendes umfasst: eine Treiberschaltung, die Folgendes umfasst: einen Gleichspannungs/Gleichspannungswandler (200B), der eingerichtet ist, einen Konstantstrom bereitzustellen; einen ersten Modulationsschalter (302A; 502), der mit einer Eingangselektrode eines lichtemittierenden Elements (112) gekoppelt und eingerichtet ist, den Konstantstrom freizugeben oder nicht freizugeben, um das lichtemittierende Element (112) in Durchlassrichtung zu betreiben, indem der Modulationsschalter (302A; 502) geschlossen wird bzw. der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler mit Masse verbunden wird; und einen zweiten Modulationsschalter (402A; 504), der mit einer Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) gekoppelt und eingerichtet ist, eine positive Spannung von einer zweiten Spannungsquelle (518), die durch ein Widerstandselement (404A) mit dem zweiten Modulationsschalter (402A; 504) gekoppelt ist, anzulegen, um das lichtemittierende Element (112) in Sperrrichtung zu betreiben, wobei der zweite Modulationsschalter (402A; 504) ferner eingerichtet ist, das lichtemittierende Element (112) in Sperrrichtung zu betreiben, wenn der erste Modulationsschalter (302A; 502) den Gleichspannungs/Gleichspannungswandler mit Masse verbindet, und wobei der zweite Modulationsschalter (402A; 504) ferner eingerichtet ist, die Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) mit Masse zu verbinden, wenn der erste Modulationsschalter (302A; 502) den Konstantstrom freigibt, um das lichtemittierende Element (112) in Durchlassrichtung zu betreiben.
  9. Laufzeitdetektor nach Anspruch 8, wobei der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler (200B) ferner Folgendes umfasst: eine in Reihe mit einem Leistungsschalter (204B) gekoppelte Drossel (206B) und eine mit dem Leistungsschalter (204B) in Reihe gekoppelte Eingangsspannungsquelle (202B), wobei der Leistungsschalter (204B) eingerichtet ist, die Eingangsspannungsquelle (202B) durch Schließen des Leistungsschalters (204B) bzw. Verbinden der Drossel (206B) mit Masse zu aktivieren oder deaktivieren.
  10. Laufzeitdetektor nach Anspruch 8 oder 9, wobei: der erste Modulationsschalter (302A; 502) ferner eingerichtet ist, den Konstantstrom mit einer Frequenz freizugeben, um einen Wechselstrom bereitzustellen, um das lichtemittierende Element (112) mit der Frequenz aufleuchten zu lassen; und der zweite Modulationsschalter (402A; 504) ferner eingerichtet ist, zwischen einem Anlegen der positiven Spannung und Masse an der Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) mit der Frequenz zu alternieren, um das lichtemittierende Element (112) mit der Frequenz in Sperrrichtung zu betreiben.
  11. Laufzeitdetektor nach einem der Ansprüche 8-10, wobei der erste Modulationsschalter (302A; 502) einen Feldeffekttransistor vom n-Typ umfasst, der Folgendes umfasst: einen ersten, mit der Eingangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) gekoppelten Diffusionsbereich; einen zweiten, mit Masse gekoppelten Diffusionsbereich und ein erstes Gate, das eingerichtet ist, eine erste Steuerspannung zu empfangen, um Strom zwischen dem ersten Diffusionsbereich und dem zweiten Diffusionsbereich fließen zu lassen, und wobei ein Anlegen der ersten Steuerspannung Strom zwischen dem ersten Diffusionsbereich und dem zweiten Diffusionsbereich fließen lässt, wodurch der Konstantstrom von dem lichtemittierenden Element (112) auf Masse umgelenkt wird, um das lichtemittierende Element (112) zu deaktivieren.
  12. Laufzeitdetektor nach einem der Ansprüche 8-11, wobei der zweite Modulationsschalter (402A; 504) Folgendes umfasst: einen dritten Diffusionsbereich, der mit der Ausgangselektrode des lichtemittierenden Elements (112) gekoppelt ist, einen vierten Diffusionsbereich, der mit Masse gekoppelt ist, und ein zweites Gate, das eingerichtet ist, eine zweite Steuerspannung zu empfangen, um Strom zwischen dem dritten Diffusionsbereich und dem vierten Diffusionsbereich fließen zu lassen, wodurch eine positive Spannung an die Ausgangselektrode angelegt wird; und wobei die positive Spannung dem lichtemittierenden Element (112) eine Sperrspannung bereitstellt.
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