DE2848932A1

DE2848932A1 - Ttl-kompatible ansteuerschaltung fuer lumineszenzdioden

Info

Publication number: DE2848932A1
Application number: DE19782848932
Authority: DE
Inventors: Jerome P Dirksen
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1977-11-10
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1979-05-17
Also published as: GB2008356A; US4166947A; JPS5475906A; FR2408954A1; IT7851846A0; NL7811059A; CA1113543A; GB2008356B; FR2408954B1

Description

Minnesota Mining and Manufacturing Company, Saint Paul, Minnesota, V.St.A.

TTL-kompatible Ansteuersctialtung für Lumineszenzdioden

Die vorliegende Erfindung betrifft optoelektronische Datenübertragungssysteme und insbesondere Systeme, in denen die Daten mit TTL-kompatiblen Schaltungen übertragen werden und eine Lumineszenzdiode (LED) bei hohen Frequenzen treiben, die mit einer optischen Faser gekoppelt ist, um den digitalen Eingangssignalen entsprechende Lichtimpulse an einen optoelektronischen Empfänger am anderen Faserende zu übertragen.

Störfreie optoelektronische Datenübertragungssysteme zur Informationsübermittlung sind seit etwa 25 Jahren im Gespräch. Während der Forschung nach und der Entwicklung von praktischen Systemen hat man einige Mühe auf die wirtschaftliche Herstellung robuster Fasern, Niederspannungsphotodetektoren, Lichtquellen mit langer Lebensdauer und zuverlässiger Verbinder verwandt. Nachdem diese Schwierigkeiten gelöst waren, hat man mehr Auf-

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merksamkeit einer praktischen und wirkungsvollen Einrichtung zugewandt, um diese optischen Systeme mit der Elektronik zu koppeln, die den Rest des Informationsübertragungssystems insgesamt darstellt.

Ein mit besonderen Schwierigkeiten behaftetes Problem hinsichtlich solcher Anschluß- bzw. Schnittstellen betrifft das Ansteuern bzw. Treiben einer geeigneten Lichtquelle wie beispielsweise einer Lumineszenzdiode mit hohen Frequenzen entsprechend einem herkömmlich kodierten digitalen Eingangssignal. Ein Verfahren zum Erstellen einer LED-Treiberschaltung ist in der US-PS 3 968 399 vorgeschlagen; es verwendet Gatterschaltung in EGL-Technik (emittergekoppelte Logik). Während derartige Methoden die hochfrequente Erregung von LED's ermöglichen, erfordern sie Stromversorgungsteile mit gegen Null sowohl positiven als auch negativen Spannungen und sind weiterhin auch nicht mit den TTL-Logiksignalen unmittelbar kompatibel, die in Datenübertragungssystemen am häufigsten auftreten. Während einige Schaltungen zum Ansteuern von LED's bekannt sind, die mit TTL-Gattern aufgebaut sind, ist bisher eine einfache und billige Schaltung mit einer Bandbreite bis 30 MHz nicht erhältlich - vergl. "Optoelectronics and Interface Electronics" von Po W. Casper, SPIE ; Vol. 63 (1975), Guided Optical Communications, S. 19 - 27, ins- ! besondere S. 21. Schaltungen, wie sie dort offenbart sind, weisen erhebliche Überschwinger von bis zu 25 % insbesondere in der fallenden Flanke der Ansteuerimpulse und das nachfolgend© Ausschwingen auf, so daß die Lumineszenzdiode zwischen aufein=

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anderfolgenden Impulsen nicht einwandfrei rückgesetzt wird und folglich Fehler in der Signalübertragung auftreten.

Im Gegensatz zu den Schaltungen nach dem Stand der Technik, bei denen erhebliche Stromüber- und Ausschwinger die Geschwindigkeit für eine fehlerfreie Modulation einer Leuchtdiode mit einer einfachen und billigen Schaltung begrenzen, erlaubt die vorliegende Erfindung, eine Lumineszenzdiode in einem optoelektronischen Übertragungssystem ohne Ausschwinger oder andere die Anstieg- und Abfallzeiten der Erregerimpulse verzögernde Effekte bei Frequenzen von 30 MHz anzutreiben, so daß die Leuchtdiode zwischen den aufeinanderfolgenden Impulsen einwandfrei stromlos wird. Mit der Schaltung kann man eine billige Lumineszenzdiode bei Strömen von mindestens 200 mA ansteuern und sie benutzt billige TTL-kompatible Bauteile. Die Schaltung enthält Mittel zur Aufnahme TTL-kompatibler digitaler Eingangssignale - wie beispielsweise ein NAND-Glied mit zwei Eingängen, von denen einer ein Auftaststeuersignal erhält, so daß das TTL-Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal invertiert ist.

Das empfangene Signal wird - vorzugsweise in der invertierten Form - an eine Schaltenordnung mit den Ausgangszuständen H und L gelegt, die vom empfangenen Signal gesteuert werden. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, um eine Stromquelle anzuschließen, die die Lumineszenzdiode im System mit Strom versorgt. Weiterhin sind Einrichtungen zum Verbinden der den Strom liefernden Einrichtung, der Schaltanordnung und der Lumineszenzdiode vorge-

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sehen, die den Strom aus der Stromquelle durch die Schaltanordnung um die Leuchtdiode herumleiten und sie stromlos machen, wenn die Schaltanordnung den Zustand L hat, und den Strom durch die Leuchtdiode führen, wenn die Schaltanordnung den Zustand H einnimmt. Die Verbindungseinrichtung enthält ein Impulsformernetzwerk aus einem ersten Widerstand zwischen der die Stromquelle darstellenden Einrichtung und der Schaltanordnung, einen zweiten Widerstand zwischen der die Stromquelle darstellenden Einrichtung und der Lumineszenzdiode sowie einen Kondensator zwischen der Schaltanordnung und der Lumineszenzdiode auf. Die Bauteile dieses Netzwerks sind so gewählt, daß sie die den Erregerstrom für die Lumineszenzdiode zu Pulsen entsprechend der Eingangssignale mit einer Ansteuerfrequenz bis zu 30 MHZ formen, und zwar so, daß die Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulse kurz genug sind, um eine Erregung und Entregung der Leuchtdiode mit der Ansteuerfrequenz zu erlauben.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt eine Konstantstromquelle für einen Strom von 275 dlä. vor. In diesem Pail enthält das Ankoppelnetzwerk einen weiteren Koppelkondensator zwischen der Stromquelle und der Lumineszenzdiode. Die Erregerimpulse für die Lumineszenzdiode erhalten auf diese Weise gleiche Anstiegs- und Abfallzeiten von weniger als 10 ns und sind sowohl an der steigenden als auch, an der fallenden Flanke von Überschwingern im wesentlichen frei.

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Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Pig. 2 zeigt eine Wellenform eines typischen TTL-Logiksignals, wie es in der Schaltung nach Fig. 1 verarbeitet wird; und

Fig. 3 ist ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild einer TTL-kompatiblen LED-Treiberschaltung 10 nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Schaltung nimmt ein herkömmliches NAND-Glied 12 ein eintreffendes TTL-kompatibles Signal auf der Leitung 14 aus einer Informationsschnittstelle auf. An den anderen Eingang der Stufe 12 sind Auftastsignale auf der Leitung 16 aus geeigneten Takt- und Steuerschaltungen gelegt, infolge deren ein digitales Eingangssignal auf der Leitung 14 durch die Stufe 12 hindurch invertiert an einen Ausgang 18 geschaltet wird. Das invertierte Ausgangssignal wird parallel auf jeweils einen der Eingänge von 4 NAND-Pufferstufen mit offenem

Kollektor gegeben, die mit den Bezugszeichen 20, 22, 24 und 26 el • gekennzeichnet sind. Die Ausgänge dieser parallen NAND-Glieder sind auf den Knoten 28 parallelgelegt, um das Impulsformernetzwerk 30 anzusteuern. Das Netzwerk 30 seinerseits erhält Strom aus einer Konstantstromquelle 32 und liefert einen Ausgangsstroa mit dem eine Lumineszenzdiode 34 (beispielsweise des Typs

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FPE 104) am Ausgang des Netzwerks 30 angesteuert wird. Die Konstantstromquelle 32 ihrerseits wird mit einer geeigneten +5V-Quelle auf der Leitung 36 gespeist, die ihrerseits das NAND-Glied 12 auf der Leitung 39 sowie die parallelgeschalteten NAND-Pufferstufen 20, 22, 24, 26 auf der Leitung 40 speist.

Der Eingangsteil der Schaltung 10 arbeitet also so, daß, wenn ein digitales Eingangssignal auf der Leitung 14 eintrifft, es auf einen Eingang des NAND-Glieds 12 (beispielsweise des Typs 74S00) geht und in dieser Stufe logisch invertiert wird. Erscheint also am Eingang 14 eine ¹¹O", erscheint eine "1" am Ausgang 18; erscheint am Eingang 14 eine "1^M, erhält man am Ausgang 18 eine ^w0^M. Der andere Eingang des Glieds 12 am Anschluß 16 dient zum Auftasten des Eingangs; wenn also am Anschluß eine "0" liegt, erfolgt keine Durchschaltung der anliegenden Impulse. Legt man andererseits an den Anschluß 16 die "1" (+5 V), werden die anliegenden Datenimpulse durch das NAND-Glied 12 durchgeschaltet. Die +5V-Quelle auf der Leitung 38 ist mit dem Kondensator 42 gegen Störungen aus der Betriebsstromversorgung abgeblockt.

Sas digitale Signal am Ausgang 18 des NAND-Glieds 12 geht auf

jeweils ©inen Eingang der vier parallelgeschalteten NAND-Puffer-

j stufen in beispielsweise einem NAND-Puffer-IC-Baustein des Typs 74S38 mit offenem Ausgangskollektor. Die anderen Eingänge jedes der Glieder 20, 22, 24, 26 sind über einen Strombegrenzungswiderstand 44 und einen Abblockkondensator 46 an die +5V-

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Versorgung 36 gelegt, um weitere Störungen aus der Versorgungsleitung 56 auszufiltern. Palis die NAND-Glieder 20, 22, 24, 26 in einem einzigen IO-Ghip vorliegen, kann man die Versorgungsspannung an einen einzigen Anschluß wie den Anschluß 48 legen und den Baustein an einem einzigen Masseanschluß 50 erden.

Die Konstantstromquelle 32 ist herkömmlich aufgebaut und enthält einen Spannungsteiler aus den Widerständen 52, 5^ zwischen der Betriebsspannungsversorgung am Anschluß 36 und Masse, so daß am Knoten 56 ein festes Potential von etwas weniger als 2,5 V steht. Typischerweise kann beispielsweise der Widerstand 52 einen Wert von 180 Ohm haben, während der Widerstand 5^ einen Wert von etwa I50 Ohm hat. Der Knoten 56 ist mit der Basis eines PNP-Transistors 58 beispielsweise des Typs 2N5160 verbunden. Der Emitter des Transistors 58 ist an den Anschluß 36 über einen Vorwiderstand 60 geführt, der typischerweise einen Wert von 3,3 Ohm haben kann. In dieser Verschaltung kann man am Kollektor des Transistors 58 (d.h. am Anschluß 62) einen konstanten Strom von etwa 275 niA abnehmen, und zwar unabhängig von Änderungen des Ausgangswiderstands an diesem Punkt. Die ; Konstantstromquelle 32 wirkt weiter als Filter, das ein Durchschlagen von Störspitzen auf die Betriebsspannungsleitung 36 verhindert, die beim Schalten der Pufferglieder 20, 22, 24, 26 entstehen.

Das in der I?ig. 1 gezeigte Impulsformernetzwerk 30 besteht aus den Strombegrenzerwiderständen 64, 66 und den Impulsformerkon-

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densatoren 68, 70. In der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführ ungsform haben die Widerstände 64-, 66 je einen Wert von 3 Ohm, der Kondensator 68 eine Kapazität von 390 pi¹ und der Kondensator γθ eine Kapazität von 1 nF. Wird der Strom aus der Konstantstromquelle 32 wahlweise entsprechend dem Zustand H an den NAND-Puffergliedern 20 - 26 geschaltet, fließen etwa 200 mA Strom aus der Konstantstromquelle 32 in die Lumineszenzdiode 34-, die anderen etwa 75 niA durch die NAND-Pufferglieder 20 - 26. Sind dagegen die Pufferglieder im Zustand L, leiten sie im wesentlichen den gesamten Strom um die Lumineszenzdiode 3^- herum ab, die also stromlos bleibt. Während in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform NAND-Pufferglieder mit offenem Kollektoren verwendet werden, so daß die Ausgänge aneinandergelegt werden können, um eine Parallelsenke für den zu einer ausreichenden Modulation der Lumineszenzdiode erforderlichen Strom zu bilden, kann men auch andere digitale Schaltanordnungen zu diesem Zwecke einsetzen. Die Verwendung der parallelgeschalteten Pufferglieder mit offenen Kollektoren erlaubt jedoch die Verwendung des Impulsformernetzwerks 30 anstelle einer herkömmlichen Schaltung mit einem Strombegrenzerwiderstand.

Bei Verwendung des Impulsformernetzwerks nach Fig. 1 und digitalen Impulsen mit für Schottky-TTL-Schaltkreisen typischen An-■ stiegs- und Abfallzeiten von weniger als 5 ns am Eingangsan-Schluß Ί6 (beispielsweise mit einer Taktrate von 10 MHz, so daß Daten mit einer Kapazität von 20 MBit übertragen werden können) haben die die Lumineszenzdiode 34- modulierenden Impulse im

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wesentlichen die in Fig. 2 gezeigte Form. Wie dort gezeigt, haben unter diesen Bedingungen die Impulse eine Dauer von etwa 30 ns und sind ihre Anstiegs- und Abfallzeiten im wesentlichen gleich und kürzer als 10 ns.

Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt das Schaltbild der Fig. 3. In dieser Schaltung sind das NAND-Glied 12 zur Signalinversion, die parallelgeschalteten NAND-Pufferstufen 20 bis 26 und die Bauteile der zugehörigen Speiseschaltung erwünschterweise die gleichen wie in der Fig. 1. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die Konstantstromquelle der Fig. 1 durch einen einzigen Strombegrenzungswiderstand 74 wie beispielsweise mit einem Viert von 9 Ohm ersetzt. Der Strom aus der Versorgungsleitung 36 über den Widerstand 74 wird dann durch die Lumineszenzdiode 34 oder durch die Pufferstufen 20 - 26 geschaltet, wie für die Ausführungsform der Fig. 1 erläutert. Das Impulsformernetzwerk 76 dieser Ausführungsform besteht aus den Widerständen 78, 80 und einem Kondensator 82; diese Bauteile sind funktionell den Widerständen und Kondensatoren 64·, 66, 68 des Impulsformernetzwerks 30 der Fig. 1 gleichwertig. In dieser Ausführungsform haben die Widerstände _;

,

! jedoch jeweils einen Widerstand von 9 Ohm, während der Konden-

j sator 82 eine Kapazität von 4-70 pF hat. Das Netzwerk 76 enthält weiterhin einen zusätzlichen Widerstand 84 von 12 Ohm, der parallel zum Kondensator 82 geschaltet ist. Das Netzwerk 76 formt also die Stromimpulse, die wahlweise durch die Lumineszenzdiode 34 oder die parallelgeschalteten Pufferglieder 20 -

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geführt wird, und bewirkt Stromimpulse durch die Lumineszenzdiode, die im wesentlichen die Form der Fig. 2 haben.

In beiden Ausführungsformen, die die Fig. 1 und 3 zeigen, werden die Stromimpulse so geformt, daß die Anstiegs- und Abfallzeiten im wesentlichen gleich sind und mindestens weniger als 10 ns dauern. Wenn man zum Ansteuern einer Leuchtdiode wie beispielsweise des Typs FEP104- der Fa. Fair child einsetzt, erhält man einen Lichtimpuls, der im wesentlichen frei von Ausschwingern (d.h. weniger als 5 #) ist.

In der vorgehenden Beschreibung sind praktisahe, brauchbare und neuartige Schaltungen offenbart, die TTL-kompatibel sind und es gestatten, eine Lumineszenzdiode mit hoher Geschwindigkeit anzutreiben. Während die Erfindung an bestimmten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist einzusehen, daß en den gezeigten Einzelheiten im Rahmen und Grundgedanken der Erfindung weitere Änderungen durchgeführt werden können.

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Patentansprüche

\1 .J Optisches Faserdatenübertragungssystem mit einer optischen Faser als Lichtübertragungsstrecke, einer Lumineszenzdiode (LED), die zur Einkopplung von Licht in die optische Faser angeordnet ist, und einer Schaltung für eine hochfrequente Impulserregung der Lumineszenzdiode, dadurch gekennzeichnet, daß die. Schaltung (10) (a) eine Einrichtung (14), die TTL-kompatible digitale Eingangssignale empfängt, (b) eine Einrichtung (J2), die eine Stromquelle zur Erregung der Lumineszenzdiode darstellt, (c) eine Schaltanordnung (20, 22, 24, 26), die an die Empfangseinrichtung angeschlossen ist und die digitale Ausgangszustände H und L aufweist, in die sie unter Steuerung durch das empfangene TTL-kompatible Signal geschaltet werden kann, und (d) eine Einrichtung (30) aufweist, die die Stromquelle darstellende Einrichtung, die Schaltanordnung und die Lumineszenzdiode so miteinander verbindet, daß der Strom aus der Quelle über die Schaltanordnung geleitet wird, wenn diese den digitalen Ausgangszustand L hat, um die Lumineszenzdiode stromlos zu machen, und den ! Strom aus der Stromquelle durch die Lumineszenzdiode zu leiten, um sie zu erregen, wenn die Schaltanordnung den Ausgangs-

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zustand H hat, wobei die Verbindungsanordnung ein Netzwerk zum Formen der Erregerimpulse für die Lumineszenzdiode derart aufweist, daß die Anstiegs- und Abfallzeiten der eingespeisten Impulse ausreichend kurz sind, um ein Erregen und Entregen der Lumineszenzdiode mit Ansteuerfrequenzen bis 30 MHz zuzulassen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Impulsformernetzwerk einen ersten Widerstand (64) zwischen der die Stromquelle darstellenden Einrichtung und der Schaltanordnung,, einen zweiten Widerstand (66) zwischen der die Stromquelle darstellenden Einrichtung und der Lumineszenzdiode und einen Kondensator (68) aufweist, der die Schaltanordnung und die Lumineszenzdiode miteinander verbindet, wobei die elektrischen Eigenschaften der Widerstände und des Kondensators so gewählt sind, daß sie Stromimpulse mit der Ansteuerfrequenz übertragen.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Stromquelle darstellende Einrichtung (32) Mittel enthält, die eine Konstantstromquelle bilden, und daß das Impulsformernetz+- werk einen weiteren Kondensator (20) aufweist, der parallel ί zwischen die den konstanten Strom liefernde Einrichtung und die Lumineszenzdiode geschaltet und so gewählt ist, daß an die Lumineszenzdiode Erregerimpulse mit Anstiegs- und Abfallzeiten von nicht mehr als 10 ns gehen, wobei die Ansteuerimpulse auf sowohl der steigenden als auch der fallenden

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Planke im wesentlichen frei von Uberschwingern sind.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einen konstanten Strom liefernde Einrichtung (32) einen Transistor (58) aufweist, dessen Basis und Emitter an feste Potentiale (56 bzw. 36) und dessen Kollektor an einen Ausgangsanschluß (2) gelegt sind derart, daß trotz Änderungen des Ausgangswiderstands am Kollektor der durch den Transistor fließende Strom konstant bleibt.

5· System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Stromquelle darstellende Einrichtung eine Einrichtung (7*0 aufweist, die einen Strom von mindestens 250 mA an das Impulsformernetzwerk liefert, und daß das Impulsformernetzwerk einen dritten Widerstand (84) parallel zum Kondensator (82) aufweist, um einen Erregerimpuls an die Lumineszenzdiode zu liefern, dessen Anstiegs- und Abfallzeiten nicht mehr als 10 ns sind und der im wesentlichen frei von Ausschwingern auf sowohl der steigenden als auch der fallenden Flanke ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet« daß die Schaltanordnung eine Vielzahl von NAND-Puffergliedern (22, 24·, 26, 28) mit offenen Ausgangskollektoren aufweist, die bei (28) miteinander verbunden sind und Strom

i aus der die Stromquelle darstellenden Einrichtung durch die

Pufferglieder nach Masse (50) schalten, wenn sie sich im

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Zustand L befinden, bzw. im Zustand H diesen Senkstrom sperren, so daß der Strom dann durch die Lumineszenzdiode fließen muß.

7- System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (14) Mittel (12) aufweist, um die TTL-kompatiblen Eingangssignale zu invertieren, damit ein vorgegebener Zustand des Eingangssignals - beispielsweise eine digitale "1" - die Erregung der Lumineszenzdiode während eines gleichen Intervalls bewirkt.

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