DE3617588A1

DE3617588A1 - Pruefanordnung fuer die funktion eines photoelektrischen bauteils und halbleiter-treiberschaltung mit einem photoelektrischen bauteil

Info

Publication number: DE3617588A1
Application number: DE19863617588
Authority: DE
Inventors: Shozi Hachioji Tokio/Tokyo Yoshikawa
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1985-05-29
Filing date: 1986-05-24
Publication date: 1986-12-04
Also published as: JPS61274379A; US4713819A; DE3617588C2

Description

Prüfanordnung für die Funktion eines photoelektrischen
Bauteils und Halbleiter-Treiberschaltung mit einem
photoelektrischen Bauteil

Die Erfindung betrifft eine Prüfanordnung für die Funktion eines elektrischen Bauteils. Die Erfindung betrifft ferner eine Halbleiterlaser-Treiberschaltung mit einem photoelektrischen Bauteil zur photoelektrischen Umwandlung eines von einem Halbleiterlaser ausgesandten Laserstrahls.

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In vielen Anwendungsfällen von photoelektrischen Bauteilen sind diese innerhalb einer Regelanordnung wirksam. Bei einem Defekt des photoelektdLschen Bauteils gerät die Regelanordnung außer Funktion. Ein derartiger Anwendungsfall ist insbesondere eine Halbleiterlaser-Treiberschaltung, die eine
automatische Ausgangslichtstabilisierung aufweist, mit der die Intensität des von dem Halbleiterlaser ausgesandten
Laserstrahls detektiert und der Treiberstrom für den Halbleiterlaser geregelt wird, um eine konstante Laserausgangs-

20 leistung zu erhalten.

Ein Halbleiterlaser hat eine nichtlineare Laserleistungscharakteristik in Abhängigkeit von dem Treiberstrom (oder der Treiberspannung) und ist von der Umgebungstemperatur
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abhängig. Um eine konstante Laserausgangsleistung zu erhalten, wird ein Halbleiterlaser von einer Treiberschaltung gesteuert, die eine automatische Ausgangsstabilisierung beinhaltet. Ein Laserstrahl, der von der Rückseite des Halbleiterlasers ausgesandt wird, wird beispielsweise durch eine PIN-Photodiode detektiert. Eine geschlossene Rückkoppelungsschleife verwertet die detektierte Lichtmenge und verursacht eine konstante Ausgangsleistung des Halbleiterlasers.

Wenn jedoch die Photodiode selbst außer Funktion gerät, kann eine normale Rückkoppelungsregelung nicht erhalten werden, wodurch die Stabilisierung der Laserausgangsleistung unmöglich wird. Wenn der Halbleiterlaser als Aufnehmer eines optischen Aufnahme-/Wiedergabegeräts verwendet wird, können einwandfreie Aufnahmen und Wiedergaben von Signalen nicht erhalten werden.

Wenn die normale Rückkopplungsregelung nicht wirksam ist,

fließt ein übergroßer Treiberstrom durch den Halbleiterlaser, wodurch die Gefahr der Beschädigung oder des Ausfalls des Halbleiterlasers resultiert.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Halbleiterlaser-Treiberschaltung mit einer automatischen Leistungsstabilisierung eine kompliziert aufgebaute Schaltungsanordnung ist und daß es daher bei einer durch die eine Verschlechterung oder den Ausfall einer Photodiode erzeugten Störung lange Zeit dauert, bis der Fehler gefunden ist. Die durchschnittliche Reparaturzeit, die als Indikator für die Zuverlässigkeit eines Geräts angesehen wird, wird dadurch verlängert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prüfanordnung für die Funktion eines photoelektrischen Bauteils, insbesondere als Teil einer Halbleiterlaser-Treiberschaltung anzugeben, die die Nachteile durch Ausfälle des photoelektrischen

Bauteils vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Prüfanordnung der eingangs erwähnten Art gelöst, die eine Vorspannungsschaltung, die an das photoelektrische Bauteil angeschlossen ist und eine Meßschaltung zur Messung der Spannung an den Anschlußklemmen des photoelektrischen Bauteils aufweist.

Bei der Anwendung einer derartigen Prüfanordnung bei einer Halbleiterlaser-Treiberschaltung wird erfindungsgemäß ferner eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung eines Treibersignals für den Halbleiterlaser entsprechend dem Ausgangssignal der Prüfanordnung derart gesteuert, daß die Funktion des Halbleiterlasers unterbunden wird, wenn ein Defekt des photo-15· elektrischen Bauteils festgestellt ist.

Erfindungsgemäß wird vor dem normalen Betrieb des photoelektrischen Bauteils auf dieses eine Vorspannung gegeben und die Spannung über dem photoelektrischen Bauteil, vorzugsweise eine Photodiode, gemessen. Die Klemmenspannung ist dabei ein Indikator für die Funktionsfähigkeit des photoelektrischen Bauteils. Bei einer Photodiode wird eine Vorwärts-Vorspannung zu Prüfzwecken auf die Photodiode geleitet und die an der Photodiode abfallende Spannung gemessen.

Mit einer Bewertungsschaltung, die ein erstes Signal erzeugt, wenn die Klemmenspannung der Photodiode innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt und ein zweites Ausgangsssignal erzeugt, wenn die Klemmenspannung außerhalb dieses Bereichs liegt, kann ein digitales Ausgangssignal angeben, ob die Photodiode in Ordnung ist oder nicht. Dieses Steuersignal kann zum Schalten des Halbleiterlasers in dem Sinne verwendet werden, daß nur bei Vorliegen eines die normale Funktion der Photodiode anzeigenden Steuersignals die Halbleiterlaser-Treiberschaltung wirksam geschaltet wird, so daß erst nach Vorliegen des Bewertungssignals für die Photodiode ein Be-

trieb des Halbleiterlasers möglich ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 - ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Halbleiterlaser-Treiberschaltung

Figur 2 - ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform

einer Halbleiterlaser-Treiberschaltung 10

Figuren 3A

bis 3E - Wellenformdiagramme zur Erläuterung der Funktion des in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels.
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Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Treiberstrom für einen Halbleiterlaser 1 von einer Treiberschaltung 11 gesteuert. Ein von dem Halbleiterlaser 1 ausgesandter Laserstrahl wird von einer PIN-Photodiode 2 detektiert. Eine Vorwärts-Vorspannungsguelle 4 oder eine Rückwärts-Vorspannungsquelle 5 werden über einen Vorspannungsschalter 3 mit der Photodiode 2 verbunden. Eine Prüfschaltung 6 vergleicht die über die Photodiode 2 abgefallene Spannung mit einer Referenzspannung, um festzustellen, ob die Photodiode 2 normal arbeitet oder nicht. Ein Ausgangssignal 61 der Prüfschaltung 6 gelangt auf eine (nicht dargestellte) Alarmanordnung und ferner auf einen Steuereingang des Vorspannungsschalters 3. In der Zeichnung ist nicht dargestellt, daß ein von der Photodiode 2 photoelektrisch gewandeltes Signal auf eine automatische Ausgangsleistungsstabilisierung gelangt, durch die die Ausgangsleistung des Halbleiterlasers 1 stabilisiert wird.

Die Funktion des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels ist wie folgt: Wenn eine Spannungsquelle angeschaltet

wird, wird der Vorspannungsschalter 3 so geschaltet, daß die Vorwärts-Vorspannungsquelle 4 mit der Photodiode 2 verbunden ist. Demgemäß gelangt ein Vorspannungsstrom auf die Photodiode 2. Zu diesem Zeitpunkt liefert die Treiberschaltung 11 noch keinen Treiberstrom für den Halbleiterlaser 1. Durch den Vorwärts-Vorspannungsstrom wird über der Photodiode 2 ein Vorwärts-Spannungsabfall erzeugt. Dieser Spannungsabfall liegt zwischen 0,5 und 2.0 V, wenn die Photodiode 2 in Ordnung ist. Die Prüfschaltung 6 vergleicht den Vorwärts-Spannungsabfall mit dem genannten Referenz-Spannungsbereich.

Wenn der Vorwärts-Spannungsabfall außerhalb dieses Bereichs liegt, bewertet die Schaltung 6 die Photodiode 2 als anomal und erzeugt ein "0"-Signal als Prüfsignal 61. Wenn ein Prüfsignal 61 mit einem "O"-Pegel erzeugt wird, wird die Funktion der Treiberschaltung 11 unterbunden und die (nicht dargestellte) Alarmanordnung erzeugt einen Alarm, der anzeigt, daß die Photodiode 2 nicht in Ordnung ist. Die Unterbindung der Funktion der Treiberschaltung 11 bedeutet, daß kein Treiberstrom auf den Halbleiterlaser 1 gelangt.

Wenn der Vorwärts-Spannungsabfall über der Photodiode 2 in dem Bereich zwischen 0,5 und 2,0 V liegt, erzeugt die Prüfschaltung 6 ein "1"-Signal als Prüfsignal 61. Durch das "1"-Signal als Prüfsignal 61 wird die Funktion der Treiberschaltung 11 gestartet, wodurch die intensitätsmodulierte Oszillation des Halbleiterlasers 1 entsprechend einem extern angelegten Modulationssignal (nicht dargestellt) verursacht wird. Der Schalter 3 wird umgeschaltet und verbindet nun die Rückwärts-Vorspannungsquelle 5 mit der Photodiode 2. Die Photodiode 2 liefert somit ein photoelektrisches Wandlersignal entsprechend der empfangenen Lichtmenge an die Ausgangsleistung-Regelschaltung (nicht dargestellt). Auf diese Weise wird der Halbleiterlaser 1 so geregelt, daß seine Ausgangsleistung stabilisiert ist.

In diesem dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind eine

Vorwärts- und eine Rückwärts-Vorspannungsquelle 4 bzw. 5 für die Photodiode 2 vorgesehen und vor der Ansteuerung des Halbleiterlasers 1 wird über die Messung des Vorwärts-Spannungsabfalls nach Anwendung der Vorwärts-Vorspannung auf die Photodiode 2 eine Prüfungs durchgeführt, ob die Photodiode 2 in Ordnung ist oder nicht. Wenn festgestellt worden ist, daß die Photodiode 2 nicht in Ordnung ist, unterbleibt die Funktion des Halbleiterlasers 1. Auf diese Weise wird vermieden, daß der Halbleiterlaser einen durch die Ausgangsleistungsregelung wegen des Ausfalls der Photodiode selbst nicht stabilisierbaren Laserstrahl aussenden kann. Ferner wird die Gefahr vermieden, daß der Halbleiterlaser aufgrund eines übergroßen Treiberstroms beschädigt oder zerstört wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Fehler in der Photodiode selbst sofort lokalisierbar ist, wodurch die mittlere Reparaturzeit vermindert und die Handhabbarkeit des Gerätes verbessert wird.

Figur 2 zeigt ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform.

Solche Teile, die die gleiche Funktion wie im ersten Ausführungsbeispiel ausüben, sind mit gleichen Bezugsziffern versehen und nicht nochmals erläutert. Der Vorspannungsschalter 3 enthält npn Transistoren 31 und 34, einen pnp Transistor 35, eine Relaisspule 32, einen Relaisschalter 33 und Widerstände und Pegel-Klemmdioden. Auf die Photodiode 2 gelangt entweder die Spannung +V (Vorwärts-Vorspannung) oder eine Spannung von einer Rückwärts-Spannungsquelle 5 entsprechend dem Schaltzustand des pnp Transistors 35. Der Relaisschalter 33 verbindet entweder die +V-Anschlußklemme oder eine Masseklemme mit der Treiberschaltung 11 in Abhängigkeit von der Schaltfunktion der Relaisspule 32. Die Verbindung des Relaisschalters 33 mit Masse entspricht der Unterbindung der Funktion der Treiberschaltung 11 .

Die Prüfschaltung 6 enthält einen Trennverstärker 62, Vergleichsstufen 63a und 63b, Spannungsquellen 631 und 633 zur

Lieferung von Referenzspannungen an die Vergleichsstufen 63a und 63b, ein ODER-Gatter 64, ein D-Flip-Flop 65 und ein UND-Gatter 66, das den Q-Ausgang des Flip-Flops 65 und ein Laser "Ein"-Befehlssignal erhält. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 65 wird als Prüfsignal 61 auf die Basis des Transistors 31 des Vorspannungsschalters 3 geleitet. Das Prüfsignal 61 steuert das Schalten der Vorwärts-Vorspannung (+V) und der mit der Photodiode 2 verbundenen Rückwärts-Vorspannungsquelle 5 durch die Steuerung des Transistors 35 und das Umschalten zwischen der Spannungsquellenklemme +V und der Masseklemme für die Treiberschaltung 11 durch die Steuerung der Relaisspule 32. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 66 wird als Signal 611 verwendet, um einen unnormalen Zustand der Photodiode 2 anzuzeigen. Das photoelektrische Wandlersignal von der Photodiode 2 wird durch eine Monitorschaltung 7 auf eine Ausgangsleistungsstabilisierungsschaltung (nicht dargestellt) geleitet. Die Monitorschaltung 7 detektiert die Spannung über dem Transistor R, der zwischen den pnp Transistor 35 und der Rückwärts-Vorspannungsquelle 5 geschaltet ist. Die Monitorschaltung 7 kann beispielsweise aus einem Differenzverstärker bestehen. Auf die Treiberschaltung 11 wird ein Modulationssignal 12 geleitet, daß die Modulation der Oszillation des Halbleiterlasers 1 bewirkt.

Die Funktion des in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels soll im folgenden anhand der Wellenformdiagramme der Figuren 3A bis 3E erläutert werden. In den Figuren 3A bis 3E stellen die durchgezogenen Linien den normalen Zustand der Photodiode 2 dar. Die in unterbrochenen Linien dargestellten Wellenformen werden erhalten, wenn die Photodiode einen den Schaltkreis unterbrechenden Fehler aufweist. Die strichpunktierte Linie charakterisiert einen kurzschließenden Fehler der Photodiode 2.

Wenn die Spannungsquelle angeschaltet wird, nimmt der Q-Ausgang des Flip-Flops 65 den Pegel "0" an und das Prüf-

signal 61 wird "0". Demzufolge ist die Basisvorspannung des Transistors 31 "0", und die Transistoren 34 und 35 werden eingeschaltet. Daraus resultiert, daß die Photodiode 2 in Vorwärtsrichtung durch den Transistor 35 vorgespannt ist, wie dies in Figur 3A dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Relaisspule 32 nicht Stromdurchflossen, so daß der Relaisschalter 33 die Massenklemme NC mit der Treiberschaltung 11 verbindet und so die Funktion der Treiberschaltung 11 unterbindet. Der Vorwärts-Spannungsabfall über der Photodiode 2 ist 2 V oder höher, wenn die Photodiode 2 einen unterbrechenden Fehler aufweist, liegt in dem Bereich zwischen 0,5 und 2 V, wenn die Photodiode 2 normal arbeitet und ist 0,5 V oder niedriger, wenn die Photodiode einen kurzschließenden Fehler aufweist. Demzufolge ist die Ausgangsspannung des Trennverstärkers 62 eine hohe Spannung, wenn die Photodiode 2 einen unterbrechenden Fehler aufweist, eine niedrige Spannung, wenn die Photodiode 2 einen kurzschließenden Fehler aufweist und eine mittlere Spannung, wenn die Photodiode 2 normal arbeitet, vgl. Figur 3B.

Die Vergleichsstufe 73a vergleicht die Ausgangsspannung des Trennverstärkers 62 mit der Referenzspannung 631 (entsprechend 2 V) und liefert ein "1" Signal, wenn die Ausgangsspannung des Trennverstärkers 62 niedriger ist als die Referenzspannung 631. Die Vergleichsstufe 63b vergleicht die Ausgangsspannung des Trennverstärkers 62 mit der Referenzspannung 632 (entsprechend 0,5 V). Wenn die Ausgangsspannung des Trennverstärkers über der Referenzspannung 631 liegt, erzeugt die Vergleichsstufe 63b ein "1" Signal. Demzufolge steht am Ausgang des ODER-Gatters 64 ein "1" Signal, wenn die Photodiode 2 normal arbeitet. Ein Ausgangssignal "0" steht an, wenn die Photodiode einen den Stromkreis unterbrechenden oder kurzschließenden Fehler aufweist, wie in Figur 3C dargestellt ist.

Wenn das Laser "Ein" Befehlssignal 67 den Pegel "1" annimmt

(Figur 3D), befindet sich das Prüfsignal 61, das das Q-Ausgangssignal des Flip-Flops 65 ist, auf dem Pegel "1", wenn die Photodiode 2 normal arbeitet und auf dem Pegel "0", wenn die Photodiode 2 einen detektierten Fehler aufweist (vgl. Figur 3E). Wenn das Prüfsignal 61 den Pegel "1" aufweist (d. h. wenn die Photodiode normal arbeitet), wird der Transistor 31 eingeschaltet und die Transistoren 34 und 35 werden ausgeschaltet. Daraus resultiert, daß die Photodiode 2 rückwärts vorgespannt wird, wie in Figur 3A dargestellt ist.

Durch die Relaisspule 32 fließt Strom, so daß der Relaisschalter 33 umgeschaltet wird und nun seine Klemme NO, die mit der Spannung +V verbunden ist, mit der Treiberschaltung 11 verbindet. Dadurch wird die Funktion der Treiberschaltung 11 gestartet und die durch das Modulationssignal 12 intensitätsmodulierte Oszillation des Lasers 1 bewirkt. Die rückwärts vorgespannte Photodiode 2 gibt die ausgesandte Lichtmenge des Halbleiterlasers 1 wieder und eine Ausgangsleistungsregelung wird über die Monitorschaltung 7 bewirkt.

Wenn das Prüfsignal 61 andererseits den "O"-Pegel annimmt (d. h. wenn die Photodiode 2 nicht in Ordnung ist), wird der Schalter 3 nicht umgeschaltet, so daß der Transistor 31 ausgeschaltet und die Transistoren 34 und 35 eingeschaltet bleiben. Die Photodiode 2 bleibt in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wie dies Figur 3A veranschaulicht. Die Treiberschaltung 11 bleibt mit Masse verbunden und kann somit Ihre Funktion nicht aufnehmen. Gleichzeitig zeigt das Q-Ausgangssignal ("O"-Pegel-Ausgangssignal) des Flip-Flops 65 als Diodenstörsignal 611 durch das UND-Gatter 66 die Störung der Diode an.

Demzufolge stellt das dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eine höchst zuverlässige Laser-Treiberschaltung dar, die selbst überprüfen kann, ob die Photodiode in Ordnung ist oder nicht.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung und können in verschiedener Hinsicht modifiziert werden. So ist es beispielsweise möglich, andere photoelektrische Bauteile als PIN-Photodioden zu verwenden. Sie können beispielsweise durch andersartige Photodioden oder andere Photoelemente, wie z. B. Kadmiumsulf j^zellen ersetzt werden. Wenn Kadmiumsulfidtelemente als photoelektrische Wandler verwendet werden, ist es nicht notwendig, zur Prüfung eine Vorwärts-Vorspannung auf den Wandler zu leiten. Da Kadmiumsulfit-Elemente auf Vorwärts- und Rückwärts-Vorspannungen gleich reagieren, ist es möglich, auf Kadmiumsulf!^elemente auch eine Rückwärts-Vorspannung zur Prüfung zu leiten. Die Prüfschaltung oder Vorspannungsschalter können in Prozessoreinheiten integriert werden, statt sie mit unabhängigen Elementen aufzubauen.

Li/bk

- Leerseite

Claims

Patentansprüche:

1. Prüfanordnung für die Funktion eines photoelektrischen Bauteils (2), gekennzeichnet durch eine Vorspannungsschaltung (4), die an das photoelektrische Bauteil (2) angeschlossen ist und durch eine Meßschaltung (6) zur Messung der Spannung an den Anschlußklemmen des photoelektrischen Bauteils.

2. Prüfanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das photoelektrische Bauteil eine Photodiode (2) mit einem pn-übergang ist und daß zur Prüfung eine Vorwärts-Vorspannung der Vorspannungsschaltung (4) an die Photodiode (2) gelangt.

3. Prüfanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet, durch eine Bewertungsschaltung (631,632,63a,63b,64) für die Funktion des photoelektrischen Bauteils (2).

4. Prüfanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsschaltung ein erstes Signal erzeugt, wenn das Ausgangssignal des photoelektrischen Bauteils (2) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt und ein zweites Signal erzeugt, wenn das Ausgangssignal außer-

halb dieses Bereichs liegt.

5. Prüfanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodiode (2) eine PIN-Photodiode ist und daß die Steuereinrichtung eine Vorspannungs-

schaltung (4) für eine Vorwärtsvorspannung für die Prüfung und eine Vorspannungsschaltung (5) für die Rückwärtsvorspannung für den Normalbetrieb der PIN-Photodiode wirksam schaltet.
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6. Halbleiter-Treiberschaltung mit einem photoelektrischen Bauteil (2) zur photoelektrischen Umwandlung eines von einem Halbleiterlaser (1) ausgesandter Laserstrahls, gekennzeichnet durch eine Prüfanordnung nach einem der An-Sprüche 1 bis 5 und durch eine Steuereinrichtung (11) zur Steuerung eines Treibersignals für den Halbleiterlaser (1) entsprechend dem Ausgangssignal der Prüfanordnung derart, daß die Funktion des Halbleiterlasers (1) unterbunden wird, wenn ein Defekt des photoelektrischen Bauteils (2) festgestellt ist.