JP2004153114A

JP2004153114A - 半導体レーザ駆動装置

Info

Publication number: JP2004153114A
Application number: JP2002318086A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Kyogoku; 浩明京極
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP4213945B2

Abstract

【課題】ホールドコンデンサの容量を半導体に集積できるレベルまで小さくしても、レーザダイオードの電流増加を防止することができるＡＰＣ回路を備えた半導体レーザ駆動装置を得る。
【解決手段】制御回路１１は、まずＤＡＴＡ信号ＳｄをハイレベルにしてレーザダイオードＬＤを点灯させ、フォトダイオードＰＤ及び演算増幅器２のセトリング時間を考慮して、レーザダイオードＬＤを点灯する前後のタイミングで、ＡＳＷ制御信号Ｓａをハイレベルにする前に制御信号Ｓｃをハイレベルにし、ＡＳＷ制御信号Ｓａをローレベルにしてアナログスイッチ３をオフさせる場合は、ＡＳＷ制御信号Ｓａをローレベルにした後、制御信号ＳｃをローレベルにしてＮＭＯＳトランジスタ１０をオンさせ、接続部Ｂを接地電圧に接続した後、ＤＡＴＡ信号Ｓｄをローレベルにし、レーザダイオードＬＤを消灯させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザープリンタの光書き込み、光データ通信、光ディスク等に用いられる半導体レーザ駆動装置に関し、特にサンプルホールド回路を備えた半導体レーザ駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザは、小型で安価で電流を流すだけで容易にレーザ光を得ることができるため、プリンタ、光ディスク及び光通信等の分野で広く使用されている。しかし、半導体レーザの電流−光出力特性は温度依存性を有するため、一定の光出力を得るためには半導体レーザの光量制御を行う必要があり、該光量制御は、ＡＰＣ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌ）と呼ばれている。
【０００３】
ＡＰＣは、半導体レーザに内蔵されているフォトダイオード（ＰｉｎＰＤ：ＰＩＮＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）の出力電流を用いて行われる。フォトダイオードは、半導体レーザの発光量に応じた電流を出力し、しかもその出力電流は温度依存性を持たないため、該出力電流の電流値をモニタすることによって半導体レーザの光出力を一定に制御することができる。
【０００４】
図５は、ＡＰＣ回路を使用した半導体レーザ駆動装置の従来例を示した図であり、図５を用いてＡＰＣ回路の動作について説明する。
図５のＡＰＣ回路１００において、アナログスイッチ１０３が制御回路１０１からのＡＳＷ制御信号Ｓａによってオンしている状態がＡＰＣ作動中であり、制御回路１０１からのデータ信号Ｓｄがスイッチ回路１０６に入力され、スイッチ回路１０６がオンすると、レーザダイオードＬＤが発光する。フォトダイオードＰＤは、レーザダイオードＬＤの発光量に比例した電流を可変抵抗１０８に供給し、可変抵抗１０８の両端電圧が上昇する。フォトダイオードＰＤと可変抵抗１０８との接続部の電圧は、演算増幅器１０２の反転入力端に入力される。
【０００５】
演算増幅器１０２の非反転入力端には基準電圧発生回路１０７からの所定の基準電圧Ｖｒが入力されていることから、演算増幅器１０２の出力電圧は、電圧−電流変換回路１０５で電流に変換され、可変抵抗１０８の両端の電圧が基準電圧Ｖｒに等しくなるまで、レーザダイオードＬＤの電流を増減させる。一方、ホールドコンデンサ１０４が演算増幅器１０２の出力電圧で充電されていることから、ホールドコンデンサ１０４の高圧側電圧（以下、ホールドコンデンサ１０４の電圧と呼ぶ）は、演算増幅器１０２の出力電圧と同じになる。アナログスイッチ１０３がオフすると、このときの演算増幅器１０２の出力電圧が、ホールドコンデンサ１０４に充電されて記憶される。
【０００６】
通常動作時は、アナログスイッチ１０３のオン及びオフは短時間（数μｓｅｃ〜数ｍｓｅｃ）周期で繰り返されているが、レーザダイオードＬＤが点灯中に、製造時の検査工程や何らかの事故が発生して、アナログスイッチ１０３がオフしている期間が数秒から数十秒に達する場合がある。このような状態のときに、演算増幅器１０２の出力電圧が、電源電圧Ｖｄｄ側か、接地電圧側に大きく振れていると、演算増幅器１０２の出力電圧がアナログスイッチ１０３のリーク電流となってホールドコンデンサ１０４を充放電し、ホールドコンデンサ１０４の電圧を変化させていた。
【０００７】
しかし、従来はホールドコンデンサ１０４が集積回路に外付けされ、ホールドコンデンサ１０４にかなり大きな容量のものが使用されていたため、前記リーク電流によるホールドコンデンサ１０４の電圧変化はわずかであり、特に問題にはならなかった。例えば、リーク電流が１ｐＡで、ホールドコンデンサ１０４の容量が１００００ｐＦの場合、ＡＰＣ回路１００の動作が１０秒間停止した場合でも、ホールドコンデンサ１０４の電圧変化は１ｍＶと小さく、無視できるレベルであった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年、部品点数の削減によるコスト低減や小型化等のため、ホールドコンデンサ１０４も集積回路に内蔵させる必要が高まってきた。従来使用されていたホールドコンデンサ１０４の容量を半導体で構成するには、非常に大きなチップ面積が必要となることから実用的ではなく、ホールドコンデンサ１０４の容量をできるだけ小さくする必要があった。
【０００９】
半導体で集積できる静電容量はせいぜい１００ｐＦ程度であり、ホールドコンデンサ１０４の容量を１００ｐＦ程度まで小さくすると、前記のように、アナログスイッチ１０３がオフしている期間が数秒から数十秒に達した場合、アナログスイッチ１０３のリーク電流による、ホールドコンデンサ１０４の電圧変化を無視することができなくなってきた。例えば、リーク電流が１ｐＡで、ホールドコンデンサ１０４の容量が１００ｐＦの場合、ＡＰＣ回路１００の動作が１０秒間停止すると、ホールドコンデンサ１０４の電圧変化は１００ｍＶになる。このような大きな電圧変化がレーザダイオードＬＤの光量を増加させると、レーザダイオードＬＤの光出力の絶対最大定格値を超える場合があり、レーザダイオードＬＤの不具合が発生するという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、ホールドコンデンサの容量を半導体に集積できるレベルまで小さくしても、レーザダイオードの電流増加を防止することができるＡＰＣ回路を備えた半導体レーザ駆動装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体レーザ駆動装置は、レーザダイオードの光量をモニタして該光量に応じた電流を出力するフォトダイオードの出力電流を検出し、該検出した出力電流に基づいて前記レーザダイオードの光量が所定値になるように制御するＡＰＣ回路を備えた半導体レーザ駆動装置において、
前記フォトダイオードの出力電流を電圧に変換して出力する電流−電圧変換回路部と、
入力された電圧を電流に変換して前記レーザダイオードに供給する電圧−電流変換回路部と、
前記電流−電圧変換回路部からの出力電圧があらかじめ設定された所定値になるように該電圧−電流変換回路部の入力電圧を制御して前記レーザダイオードの光量を制御する光量制御回路部と、
入力された第１制御信号に応じて、該光量制御回路部から出力された電圧の前記電圧−電流変回路部への出力制御を行う第１スイッチ回路部と、
前記光量制御回路部から該第１スイッチ回路部を介して前記電圧−電流変換回路部に出力された電圧を保持するコンデンサからなる電圧保持回路部と、
入力された第２制御信号に応じて、前記光量制御回路部と第１スイッチ回路部の接続部を所定の電圧に接続する第２スイッチ回路部と、
前記第１スイッチ回路部及び第２スイッチ回路部に対して、対応する前記第１制御信号及び第２制御信号をそれぞれ出力して動作制御を行う制御回路部と、
を備えるものである。
【００１２】
具体的には、前記制御回路部は、第１スイッチ回路部の動作制御を行って、光量制御回路部から出力された電圧の前記電圧−電流変換回路部への出力を停止させると、前記第２スイッチ回路部に対して光量制御回路部と第１スイッチ回路部との接続部を所定の電圧に接続させるようにした。
【００１３】
また、前記制御回路部は、第１スイッチ回路部の動作制御を行って、光量制御回路部の出力電圧を前記電圧−電流変換回路部に入力させる場合、該第１スイッチ回路部の動作制御を行う前に、前記第２スイッチ回路部に対して、光量制御回路部と第１スイッチ回路部との接続部に対する前記所定の電圧への接続を遮断させるようにしてもよい。
【００１４】
一方、前記光量制御回路部は、所定の基準電圧を生成して出力する基準電圧発生回路と、前記電流−電圧変換回路部の出力電圧と該基準電圧との電圧を比較し、該比較結果を示す電圧を出力する電圧比較回路とを備え、該電圧比較回路、前記電圧電流変換回路部、第１スイッチ回路部、電圧保持回路部、第２スイッチ回路部及び制御回路部は１つのＩＣに集積されるようにしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第１の実施の形態．
図１は、本発明の第１の実施の形態における半導体レーザ駆動装置の例を示した図である。
図１において、半導体レーザ駆動装置１は、演算増幅器２、アナログスイッチ３、演算増幅器２の出力電圧を記憶するホールドコンデンサ４、電圧−電流変換回路５、入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチ回路６、可変抵抗７及び所定の基準電圧Ｖｒを生成して出力する基準電圧発生回路８を備えている。
【００１６】
更に、半導体レーザ駆動装置１は、インバータ９、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ（以下、ＮＭＯＳトランジスタと呼ぶ）１０、アナログスイッチ３とスイッチ回路６とＮＭＯＳトランジスタ１０の動作制御をそれぞれ行う制御回路１１及びフォトダイオードＰＤを備えている。なお、図１では、演算増幅器２の出力電圧が大きくなるほどレーザダイオードＬＤに流れる電流が増加する場合を例にして示している。また、演算増幅器２及び基準電圧発生回路８は光量制御回路部をなすと共に演算増幅器２は電圧比較回路をなし、アナログスイッチ３は第１スイッチ回路部を、ホールドコンデンサ４は電圧保持回路部を、可変抵抗７は電流−電圧変換回路部を、インバータ９及びＮＭＯＳトランジスタ１０は第２スイッチ回路部を、制御回路１１は制御回路部をそれぞれなす。
【００１７】
演算増幅器２の非反転入力端と接地電圧との間に基準電圧発生回路８が接続され、演算増幅器２の非反転入力端には基準電圧発生回路８からの基準電圧Ｖｒが入力されている。演算増幅器２の出力端はアナログスイッチ３の一端に接続され、該接続部と接地電圧との間にＮＭＯＳトランジスタ１０が接続されている。ＮＭＯＳトランジスタ１０のゲートには、制御回路１１からの制御信号Ｓｃがインバータ９で信号レベルが反転されて入力されている。
【００１８】
アナログスイッチ３の他端は電圧−電流変換回路５に接続され、該接続部と接地電圧との間にはホールドコンデンサ４が接続されている。アナログスイッチ３は、制御回路１１からＡＳＷ制御信号Ｓａが入力され、該入力されたＡＳＷ制御信号Ｓａに応じてスイッチングを行う。このことにより、アナログスイッチ３は、ホールドコンデンサ４の高圧側電圧（以下、ホールドコンデンサ４の電圧と呼ぶ）をホールドするために、ホールドコンデンサ４と演算増幅器２の出力端との接続の切断を行う。なお、ＡＳＷ制御信号Ｓａが第１制御信号をなし、制御信号Ｓｃが第２制御信号をなす。
【００１９】
電圧−電流変換回路５は、入力された電圧をレーザダイオードＬＤの駆動電流に変換するものであり、スイッチ回路６を介してレーザダイオードＬＤのカソードに接続され、レーザダイオードＬＤのアノードは電源電圧Ｖｄｄに接続されている。スイッチ回路６は、制御回路１１からＤＡＴＡ信号Ｓｄが入力され、該入力されたＤＡＴＡ信号Ｓｄに応じてスイッチングを行う。このことにより、スイッチ回路６は、レーザダイオードＬＤに駆動電流を供給するために、電圧−電流変換回路５とレーザダイオードＬＤとの接続制御を行う。一方、フォトダイオードＰＤのカソードは電源電圧に接続され、フォトダイオードＰＤのアノードと接地電圧との間に可変抵抗７が接続されている。また、フォトダイオードＰＤのアノードと可変抵抗７との接続部は演算増幅器２の反転入力端に接続されている。
【００２０】
図２は、アナログスイッチ３の回路例を示した図であり、図２において、アナログスイッチ３は、ＮＭＯＳトランジスタ２１、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ（以下、ＰＭＯＳトランジスタと呼ぶ）２２及びインバータ２３で構成されている。
ＮＭＯＳトランジスタ２１及びＰＭＯＳトランジスタ２２は並列に接続されており、該一方の接続部Ａはホールドコンデンサ４と電圧−電流変換回路５にそれぞれ接続され、他方の接続部Ｂは演算増幅器２の出力端及びＮＭＯＳトランジスタ１０のドレインにそれぞれ接続されている。
【００２１】
また、ＮＭＯＳトランジスタ２１のゲートには制御回路１１からのＡＳＷ制御信号Ｓａが入力されると共に、該ＡＳＷ制御信号Ｓａはインバータ２３で信号レベルが反転されてＰＭＯＳトランジスタ２２のゲートに入力される。更に、ＮＭＯＳトランジスタ２１のサブストレートゲート（バックゲート）は接地電圧に接続され、ＰＭＯＳトランジスタ２２のサブストレートゲートは電源電圧Ｖｄｄに接続されている。このような構成において、ＡＳＷ制御信号Ｓａがハイレベルになると、ＮＭＯＳトランジスタ２１及びＰＭＯＳトランジスタ２２がそれぞれオンし、ＡＳＷ制御信号Ｓａがローレベルになると、ＮＭＯＳトランジスタ２１及びＰＭＯＳトランジスタ２２がそれぞれオフする。
【００２２】
このような構成において、アナログスイッチ３がＡＳＷ制御信号Ｓａによりオンして導通した状態がＡＰＣ作動状態であり、ＤＡＴＡ信号Ｓｄがスイッチ回路６に入力され、スイッチ回路６がオンして導通状態になると、レーザダイオードＬＤが発光する。フォトダイオードＰＤは、レーザダイオードＬＤの発光量をモニタしレーザダイオードＬＤの発光量に比例した電流を可変抵抗７に供給し、可変抵抗７は、フォトダイオードＰＤから供給された電流を電圧Ｖｐｄに変換し、該電圧Ｖｐｄは演算増幅器２の反転入力端に入力される。
【００２３】
演算増幅器２は、入力された電圧Ｖｐｄが基準電圧Ｖｒに等しくなるように、電圧−電流変換回路５に入力される電圧を制御してレーザダイオードＬＤに流れる電流を制御し、レーザダイオードＬＤの発光量を制御する。また、ホールドコンデンサ４の電圧は、演算増幅器２の出力電圧で充電されているため、演算増幅器２の出力電圧と同じである。アナログスイッチ３がオフすると、このときの演算増幅器２の出力電圧が、ホールドコンデンサ４に記憶される。
【００２４】
一方、制御回路１１は、アナログスイッチ３をオンさせる場合、制御信号ＳｃをハイレベルにしてＮＭＯＳトランジスタ１０をオフさせた後、ＡＳＷ制御信号Ｓａをハイレベルにしてアナログスイッチ３をオンさせる。また、制御回路１１は、アナログスイッチ３をオフさせる場合は、ＡＳＷ制御信号Ｓａをローレベルにしてアナログスイッチ３をオフさせた後、制御信号ＳｃをローレベルにしてＮＭＯＳトランジスタ１０をオンさせる。
【００２５】
図３は、制御回路１１の動作例を示したタイミングチャートである。図３を用いて、各部の動作をもう少し詳細に説明する。
ＡＰＣ動作を行うため、制御回路１１は、まずＤＡＴＡ信号ＳｄをハイレベルにしてレーザダイオードＬＤを点灯させる。制御回路１１は、フォトダイオードＰＤ及び演算増幅器２のセトリング時間を考慮して、レーザダイオードＬＤを点灯する前後のタイミングで、ＡＳＷ制御信号Ｓａをハイレベルにする前に制御信号Ｓｃをまずハイレベルにする。また、制御回路１１は、ＡＳＷ制御信号Ｓａをローレベルにしてアナログスイッチ３をオフさせる場合は、ＡＳＷ制御信号Ｓａをローレベルにした後、制御信号ＳｃをローレベルにしてＮＭＯＳトランジスタ１０をオンさせ、接続部Ｂを接地電圧に接続する。この後、制御回路１１は、ＤＡＴＡ信号Ｓｄをローレベルにし、レーザダイオードＬＤを消灯させる。
【００２６】
このように、制御回路１１は、アナログスイッチ３をオンさせている状態では、ＮＭＯＳトランジスタ１０をオフさせ、アナログスイッチ３をオフさせている状態では、ＮＭＯＳトランジスタ１０をオンさせて接続部Ｂを接地電圧に接続するようにした。このことから、アナログスイッチ３にリーク電流が流れても、ホールドコンデンサ４の電圧は低下する方向であり、万一事故等で、レーザダイオードＬＤが点灯した状態でアナログスイッチ３がオフしている期間が長くなったり、アナログスイッチ３がオフした後でレーザダイオードＬＤが点灯しても、レーザダイオードＬＤの電流を増大させて、レーザダイオードＬＤの最大定格電流値を超えることによる不具合の発生を防止することができる。
【００２７】
このため、ホールドコンデンサの容量を小さくすることができ、ホールドコンデンサをＩＣ内に設けることができる。図１の場合、演算増幅器２、アナログスイッチ３、ホールドコンデンサ４、電圧−電流変換回路５、スイッチ回路６、インバータ９、ＮＭＯＳトランジスタ１０及び制御回路１１が１つのＩＣに集積される。
【００２８】
なお、前記説明では、演算増幅器２の出力電圧が大きくなるほどレーザダイオードＬＤに流れる電流が増加する場合を例にしたが、演算増幅器２の出力電圧が大きくなるほどレーザダイオードＬＤに流れる電流が減少する場合は、図４で示すように、インバータ９及びＮＭＯＳトランジスタ１０の代わりに、ＰＭＯＳトランジスタ２５を設けるようにする。
【００２９】
図４において、電源電圧Ｖｄｄと接続部Ｂとの間にＰＭＯＳトランジスタ２５を接続し、該ＰＭＯＳトランジスタ２５のゲートには制御信号Ｓｃが入力される。このようにしても、図１で示した場合と同様の効果を得ることができ、この場合、演算増幅器２、アナログスイッチ３、ホールドコンデンサ４、電圧−電流変換回路５、スイッチ回路６、ＰＭＯＳトランジスタ２５及び制御回路１１が１つのＩＣに集積され、ＰＭＯＳトランジスタ２５は第２スイッチ回路部をなす。
【００３０】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明の半導体レーザ駆動装置によれば、レーザダイオードの電流が最大定格値を超えることなく電圧保持回路部のコンデンサの容量を小さくすることができるため、従来ＩＣに外付けされていた該コンデンサを他の回路要素と共に１つのＩＣに集積させることができ、装置の小型化及びコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における半導体レーザ駆動装置の例を示した図である。
【図２】図１のアナログスイッチ３の回路例を示した図である。
【図３】図１の制御回路１１の動作例を示したタイミングチャートである。
【図４】本発明の第１の実施の形態における半導体レーザ駆動装置の変形例を示した図である。
【図５】ＡＰＣ回路を使用した半導体レーザ駆動装置の従来例を示した図である。
【符号の説明】
１半導体レーザ駆動装置
２演算増幅器
３アナログスイッチ
４ホールドコンデンサ
５電圧−電流変換回路
６スイッチ回路
７可変抵抗
８基準電圧発生回路
９インバータ
１０ＮＭＯＳトランジスタ
１１制御回路
２５ＰＭＯＳトランジスタ
ＬＤレーザダイオード
ＰＤフォトダイオード

Claims

レーザダイオードの光量をモニタして該光量に応じた電流を出力するフォトダイオードの出力電流を検出し、該検出した出力電流に基づいて前記レーザダイオードの光量が所定値になるように制御するＡＰＣ回路を備えた半導体レーザ駆動装置において、
前記フォトダイオードの出力電流を電圧に変換して出力する電流−電圧変換回路部と、
入力された電圧を電流に変換して前記レーザダイオードに供給する電圧−電流変換回路部と、
前記電流−電圧変換回路部からの出力電圧があらかじめ設定された所定値になるように該電圧−電流変換回路部の入力電圧を制御して前記レーザダイオードの光量を制御する光量制御回路部と、
入力された第１制御信号に応じて、該光量制御回路部から出力された電圧の前記電圧−電流変回路部への出力制御を行う第１スイッチ回路部と、
前記光量制御回路部から該第１スイッチ回路部を介して前記電圧−電流変換回路部に出力された電圧を保持するコンデンサからなる電圧保持回路部と、
入力された第２制御信号に応じて、前記光量制御回路部と第１スイッチ回路部の接続部を所定の電圧に接続する第２スイッチ回路部と、
前記第１スイッチ回路部及び第２スイッチ回路部に対して、対応する前記第１制御信号及び第２制御信号をそれぞれ出力して動作制御を行う制御回路部と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ駆動装置。
前記制御回路部は、第１スイッチ回路部の動作制御を行って、光量制御回路部から出力された電圧の前記電圧−電流変換回路部への出力を停止させると、前記第２スイッチ回路部に対して光量制御回路部と第１スイッチ回路部との接続部を所定の電圧に接続させることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ駆動装置。
前記制御回路部は、第１スイッチ回路部の動作制御を行って、光量制御回路部の出力電圧を前記電圧−電流変換回路部に入力させる場合、該第１スイッチ回路部の動作制御を行う前に、前記第２スイッチ回路部に対して、光量制御回路部と第１スイッチ回路部との接続部に対する前記所定の電圧への接続を遮断させることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ駆動装置。
前記光量制御回路部は、所定の基準電圧を生成して出力する基準電圧発生回路と、前記電流−電圧変換回路部の出力電圧と該基準電圧との電圧を比較し、該比較結果を示す電圧を出力する電圧比較回路とを備え、該電圧比較回路、前記電圧電流変換回路部、第１スイッチ回路部、電圧保持回路部、第２スイッチ回路部及び制御回路部は１つのＩＣに集積されることを特徴とする請求項１、２又は３記載の半導体レーザ駆動装置。