JP2008098206A - 発光素子駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】発光及び消光を高速に切替え可能な発光素子駆動回路を提供する。
【解決手段】発光素子１１のアノードに接続されたダイオード１３と、発光素子１１のカソードに接続されたスイッチング素子１５と、発光素子１１のアノードに接続されたコンデンサ２５ａとコンデンサ２５ａに接続されたインバータ２３ａとを有しインバータ２３ａに駆動信号３３ｂが入力されるピーキング回路２１ａと、発光素子１１のカソードに接続されたコンデンサ２５ｂとコンデンサ２５ｂに接続されたインバータ２３ｂとを有しインバータ２３ｂに駆動信号３３ａが入力されるピーキング回路２１ｂとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子を駆動する発光素子駆動回路に関する。

光伝送は、ノイズに強く、高速伝送が可能という特徴を有している。比較的短距離の光伝送は、ＦＡ（Factory Automation）、オーディオ・マルチメディア用等の民生機器、自動車内ＬＡＮ（Local Area Network）等の分野で利用され、可視光・赤外光のＬＥＤを含む発光素子とプラスチック光ファイバー（ＰＯＦ、Plastic Optical Fiber）等とを組み合わせて用いられることが多い。

近年、データ量の増大に伴い、高速化の要求が強まり、発光素子の高速化と共に、発光素子の能力を十分に引き出すための駆動回路の開発が進められている。

例えば、次のような発光素子駆動回路が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。ＬＥＤのアノードは電源電位Ｖｃｃに接続され、カソードは電流源を介して接地電位に接続される。また、ＬＥＤと並列となるスイッチは、ＬＥＤのアノード（＝Ｖｃｃ）にｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、以下、ｐ−ＭＯＳ）のソース、ｐ−ＭＯＳのドレインにダイオードのアノード、ダイオードのカソードから抵抗を介し、ＬＥＤのカソードに接続される構成となっている。更に、ＬＥＤのカソードは抵抗及びコンデンサを介しインバータの出力に接続され、駆動信号が、インバータの入力及びｐ−ＭＯＳのゲートに接続されている。ここで、ＬＥＤのカソードに接続されるコンデンサは、インバータ出力の矩形波を入力して微分波を形成する。すなわち、コンデンサは、矩形波の変化に合わせて、充電または放電を行い、これらをＬＥＤの発光または消光に同期させることにより、過渡的な電流をＬＥＤ駆動のピーキング電流として、ＬＥＤを高速に駆動することが可能とされる。

しかしながら、開示された発光素子駆動回路は、ＬＥＤの高速駆動に一定の効果があるものの、ＬＥＤのアノードが電源電位Ｖｃｃに接続されてアノードの電位が固定され、消光時のピーキングがかかりにくいという問題があった。すなわち、発光時では、コンデンサに流れ込む過渡的な電流と共に、順方向に、電流源に発光素子駆動電流が流れるため、２つの電流が重畳されて、光波形の立上がりが速くなる。しかし、消光時では、コンデンサから流れ出る過渡的な電流が、ＬＥＤの駆動電流を逆方向に引き抜くこととなり、マイナス側の電流絶対値が立上がりより小さいため、立下がり効果が小さく、下がりきらずに裾を引く出力光波形となっていた。この出力光波形の立上がりと立下がりがアンバランスになると、出力光のパルス幅に歪が生じたり、また、時間的な歪であるジッターが増え、高速伝送が難しくなるという問題があった。
特開２００５−２９４７５８号公報

本発明は、発光及び消光を高速に切替え可能な発光素子駆動回路を提供することを目的とする。

本発明の一態様の発光素子駆動回路は、発光素子のアノードに接続された第１の回路素子と、前記発光素子のカソードに接続された第２の回路素子と、前記発光素子のアノードに接続された第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに接続された第１の反転回路とを有し、前記第１の反転回路に駆動信号が入力される第１の微分回路と、前記発光素子のカソードに接続された第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサに接続された第２の反転回路とを有し、前記第２の反転回路に駆動信号が入力される第２の微分回路とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、発光及び消光を高速に切替え可能な発光素子駆動回路を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。以下に示す図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。

本発明の実施例１に係る発光素子駆動回路について、図１乃至図４を参照しながら説明する。図１は発光素子駆動回路の回路構成を模式的に示す図である。図２は発光素子駆動回路におけるインバータの入力電圧、過渡電流を模式的に示すタイミングチャートである。図３は発光素子の発光時及び消光時の過渡的及び定常的な電流を模式的に示す図である。図４はピーキングの有無による発光素子の駆動電流を模式的に示すタイミングチャートである。

図１に示すように、発光素子駆動回路１は、ＬＥＤ等の発光素子１１のアノードが、第１の回路素子であるダイオード１３を介して電源電位Ｖｃｃに接続され、発光素子１１のカソードが、差動スイッチの一方をなす第２の回路素子であるバイポーラトランジスタ構成のスイッチング素子１５のコレクタに接続され、スイッチング素子１５のエミッタが電流源１９を介し接地電位に接続されている。発光素子駆動回路１は、また、スイッチング素子１５と対をなすバイポーラトランジスタ構成のスイッチング素子１７が、コレクタを電源電位Ｖｃｃに接続され、エミッタをスイッチング素子１５のエミッタに接続されている。ダイオード１３は、コレクタとベースをショートさせたｎｐｎ型バイポーラトランジスタにより形成されている。

また、発光素子駆動回路１は、発光素子１１のアノードが、抵抗２７ａ及びコンデンサ２５ａを介して第１の反転回路であるインバータ２３ａの出力端子に接続されて第１の微分回路であるピーキング回路２１ａを構成している。また、発光素子１１のカソードが、抵抗２７ｂ及びコンデンサ２５ｂを介して第２の反転回路であるインバータ２３ｂの出力端子に接続されて第２の微分回路であるピーキング回路２１ｂを構成している。

インバータ２３ａの入力端子及びスイッチング素子１７のベースには、駆動信号３３ｂが供給され、インバータ２３ｂの入力端子及びスイッチング素子１５のベースには、駆動信号３３ｂとは逆相の駆動信号３３ａが供給されている。例えば、インバータ２３ａ及びスイッチング素子１７のベースに正相の信号が入力されると、インバータ２３ｂ及びスイッチング素子１５のベースに負相の信号が入力される。

発光素子１１は、電流源１９により規定されるほぼ一定の定常的な駆動電流が供給される。発光素子１１の駆動電流は、駆動信号３３ａに基づいて、スイッチング素子１５が導通となって供給される。一方、駆動電流の停止は、駆動信号３３ａに基づいて、スイッチング素子１５が非導通となって行われ、このとき、発光素子１１に並列に配置されたスイッチング素子１７を通る電流路が、逆相の駆動信号３３ｂに基づいて、導通となって、電流源１９により規定されるほぼ一定の電流が流される。スイッチング素子１５及びスイッチング素子１７は、差動的に導通及び非導通が制御されている。

ピーキング回路２１ａ、２１ｂは、インバータ２３ａ、２３ｂの出力の矩形波をコンデンサ２５ａ、２５ｂに入力して微分波形が形成され、抵抗２７ａ、２７ｂで時定数が設定され、ピーキング回路２１ａ、２１ｂに直列に接続された発光素子１１に対して、過渡的なピーキング電流（過渡電流という）を供給することを可能とする。なお、この２つのピーキング回路２１ａ、２１ｂは実質的に同等な特性を有し、同等の過渡電流を供給するように設定されているが、必要に応じて別々の特性を持たせることは可能である。

ピーキング回路に入力される駆動信号電圧及び出力される過渡電流等を、図２を参照しながら説明する。図２に示す横軸は共通な時間軸、縦軸は電圧または電流を表わしている。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、駆動信号３３ａ、３３ｂの電圧分布は、矩形波、より正確には台形波で示される。例えば、図２（ａ）に示される波形を駆動信号３３ａ、図２（ｂ）に示される波形を位相の逆転された駆動信号３３ｂとして説明する。すなわち、図２（ａ）の台形波のハイレベルへの移行のタイミングに合わせて、発光素子１１に駆動電流が流されて、発光素子１１は発光状態となる。

インバータ２３ａの入力電圧は、図２（ｂ）に示す電圧分布を有し、インバータ２３ａの出力電圧は、図２（ａ）に示す電圧分布と同様のタイミング及び形状を有している。インバータ２３ａの出力に接続されたコンデンサ２５ａは、印加される電圧の変化に対応して、図２（ｃ）に示すように、矩形パルス状の過渡電流を発光素子１１のアノードに供給可能となる。

インバータ２３ｂの入力電圧は、図２（ａ）に示す電圧分布を有し、インバータ２３ｂの出力電圧は、図２（ｂ）に示す電圧分布と同様のタイミング及び形状を有している。インバータ２３ｂの出力に接続されたコンデンサ２５ｂは、印加される電圧の変化に対応して、図２（ｄ）に示すように、矩形パルス状の過渡電流を発光素子１１のカソードに供給可能となる。図２（ｄ）に示される過渡電流は、図２（ｃ）に示される過渡電流と逆の位相となっている。

図３に示すように、発光素子駆動回路１の電流は、ダイオード１３、発光素子１１及びスイッチング素子１５を流れる定常電流Ｃ１１、差動的にスイッチング素子１７を流れる定常電流Ｃ１２、ピーキング回路２１ａから発光素子１１に過渡的に流れる過渡電流Ｃ２１、及び、ピーキング回路２１ｂから発光素子１１に過渡的に流れる過渡電流Ｃ２２がある。例えば、発光素子１１のアノードに正相の過渡電流（過渡電流Ｃ２１と同じ方向）が入力されると、カソードに負相の過渡電流が入力されることになり、発光素子１１は、同じ効果を及ぼす過渡電流をアノード側及びカソード側の両側から受けることになる。すなわち、発光素子１１には、ピーキング回路２１ａ、２１ｂの一方から供給される過渡電流の約２倍となる過渡電流Ｃ２１が供給される。

次に、発光素子駆動回路１の発光素子１１に流れる電流を、ピーキング回路のない駆動回路の場合と比較しながら説明する。図４に実線で示すように、過渡電流Ｃ２１、Ｃ２２を定常電流Ｃ１１に重畳させた発光素子１１に供給される駆動電流は、立上がり時に電流増加方向に突出したピーキングが現れる。次に、立上がり時に見られた突出した駆動電流は、急激に減少し、一定の定常電流Ｃ１１に近づく。そして、立下がり時に、駆動電流は、電流減少方向に突出したピーキングが現れ、その後、急激に増加して、ほぼ零に近づく。

一方、破線で示すように、発光素子駆動回路１からピーキング回路２１ａ、２１ｂを省略した場合、駆動電流は定常電流（定常電流Ｃ１１に近いもの）のみとなり、立上がり時に、比較的緩やかに電流増加して行き、一定値に近づき、立下がり時に、比較的緩やかに電流減少して零に近づく。

過渡電流Ｃ２１、Ｃ２２を重畳させた駆動電流は、過渡電流Ｃ２１、Ｃ２２なしの駆動電流より、立上がり時及び立下がり時の傾斜が急、すなわち、立上がり及び立下がりにおいて、より短時間で一定の電流値に達することになる。なお、実線及び破線で示された発光素子駆動回路１の駆動電流は、発光素子の等価回路（ダイオード、コンデンサ、抵抗を含む）に流れる電流を表している。

上述したように、本実施例の発光素子駆動回路１は、差動的に導通及び非導通が制御される一対のスイッチング素子１５、１７が電流源１９を介して接地電位に接続され、スイッチング素子１５、発光素子１１、及びダイオード１３が直列に接続され、ダイオード１３及びスイッチング素子１７が電源電位Ｖｃｃに接続され、発光素子１１のアノード及びカソードに、それぞれ、ピーキング回路２１ａ、２１ｂが接続されている。

発光素子駆動回路１において、発光素子１１に、ダイオード１３からスイッチング素子１５を流れる定常電流Ｃ１１が供給され、一方、発光素子１１のアノード及びカソードに、それぞれ、ピーキング回路２１ａ、２１ｂから、過渡電流Ｃ２１、Ｃ２２が重畳される。

発光素子１１は、アノードがダイオード１３を介して電源電位Ｖｃｃに接続され、カソードが電流源１９を介して接続されているので、アノード及びカソードの電位は、それぞれ、電源電位Ｖｃｃ及び接地電位に固定されることはなく、ピーキング回路２１ａ、２１ｂによる過渡電流Ｃ２１、Ｃ２２を供給して、より効果的にピーキングを掛けることができる。すなわち、発光時及び消光時に、同程度のピーキングを掛けることができるので、立上がり時及び立下がり時の発光素子１１の出力光は、バランスを崩すことがなく、しかも、急峻となる。

また、ピーキング回路２１ａ、２１ｂは、発光素子１１のアノード及びカソードに、それぞれ、接続されているので、ピーキング回路が片側に接続されている場合に比較して、約２倍のピーキングの効果を期待できる。また、必要に応じて、ピーキング回路２１ａ、２１ｂに別々の特性を持たせることによって、発光素子１１の出力光の強度分布をより適する形状とすることが可能となる。

その結果、発光素子駆動回路１により駆動される発光素子１１の光伝送速度は、発光素子１１のアノードまたはカソードの片側にピーキング回路が接続されている場合に比較して、約１．５倍の高速動作が可能となる。

本発明の実施例２に係る発光素子駆動回路について、図２、図３、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は発光素子駆動回路の回路構成を模式的に示す図である。図６はＶｃｃ−アノード間抵抗の有無による発光素子の駆動電流を模式的に示すタイミングチャートである。実施例１の発光素子駆動回路１とは、ダイオードが抵抗に変更されて点が異なる。なお、実施例１と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図５に示すように、発光素子駆動回路２は、実施例１の発光素子駆動回路１のダイオード１３が抵抗４３に置き換えられ、抵抗４３は、一端を電源電位Ｖｃｃ、他端を発光素子１１のアノードに接続されている。その他の構成は、発光素子駆動回路１の構成と同様である。

発光素子１１には、抵抗４３を介し駆動電流が供給される。発光素子駆動回路２の発光素子１１に流れる電流を、抵抗４３を省略した駆動回路の場合と比較しながら説明する。図６に実線で示すように、図３に示す過渡電流Ｃ２１、Ｃ２２を定常電流Ｃ１１に重畳させた発光素子１１に供給される駆動電流（図３を参照）は、立上がり時に電流増加方向に突出したピーキングが現れる。次に、立上がり時に見られた突出した駆動電流は、急激に減少し、一定の定常電流Ｃ１１に近づく。そして、立下がり時に、駆動電流は、電流減少方向に突出したピーキングが現れ、その後、急激に増加して、ほぼ零に近づく。発光素子駆動回路２の発光素子１１に流れる電流は、発光素子駆動回路１の発光素子１１に流れる電流とほぼ同様の形状となる。

一方、破線で示すように、発光素子駆動回路２から抵抗４３を省略した場合、立上がり時に電流増加方向に突出するピーキングが弱く、その後の、一定の定常電流Ｃ１１への近づき方が緩やかとなる。つまり、抵抗４３が省略されると、発光素子１１のアノードは電源電位Ｖｃｃに接続され、アノードの電位は、電源電位Ｖｃｃに固定されるために、ピーキングの効果が弱まる傾向となる。

上述したように、本実施例の発光素子駆動回路２は、実施例１の発光素子駆動回路１のダイオード１３が抵抗４３に置き換えられ、発光素子１１のアノードの電位は、電源電位Ｖｃｃに固定されないので、発光素子駆動回路１と同様な効果を有している。

なお、実施例２においては、電源電位Ｖｃｃと発光素子１１のアノードの間に、抵抗４３が配置されているが、抵抗４３の代わりに、図７に示すように、別の電流源５９を配置して、発光素子駆動回路３を構成することが可能である。発光素子駆動回路３では、電流源１９及び電流源５９により決まる電流を、発光素子１１の駆動電流とすることが可能である。発光素子１１のアノードの電位は、電源電位Ｖｃｃに固定されないので、発光素子駆動回路３は、発光素子駆動回路１が有する効果と同様な効果を有している。

また、実施例２においては、電源電位Ｖｃｃと発光素子１１のアノードの間に、抵抗４３が配置されているが、抵抗４３の代わりに、図８に示すように、ｐ−ＭＯＳ（ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ）からなるスイッチング素子６５を配置して、発光素子駆動回路４を構成することが可能である。ここで、スイッチング素子６５は、差動構成となっているので、対となるスイッチング素子６７は、ｐ−ＭＯＳに置き換えられている。

スイッチング素子６５のソースが電源電位Ｖｃｃに接続され、ドレインが発光素子１１のアノードに接続され、ゲートが駆動信号３３ａに接続されている。一方、スイッチング素子６７のソースが電源電位Ｖｃｃに接続され、ドレインが電流源１９に接続され、ゲートが駆動信号３３ｂに接続されている。スイッチング素子６５、６７は、スイッチング素子６５、６７のゲートに印加される駆動信号３３ａ、３３ｂにより、発光素子駆動回路１のスイッチング素子１５、１７と同様に、流路の導通及び非導通が制御される。

発光素子１１のアノードの電位は、スイッチング素子６５を介して電源電位Ｖｃｃに接続されるので、固定されることはなく、発光素子駆動回路４は、発光素子駆動回路１が有する効果と同様な効果を有している。バイポーラトランジスタで構成されたスイッチング素子１５、１７を有する発光素子駆動回路１に比較して、ｐ−ＭＯＳで構成されたスイッチング素子６５、６７を有する発光素子駆動回路４は、スイッチング素子の飽和を考慮しなくてよいという特徴を有している。

以上、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

例えば、実施例１の発光素子駆動回路は、発光素子のカソードにｎｐｎ型バイポーラトランジスタ構成のスイッチング素子が接続される例を示したが、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタをｎ−ＭＯＳに置き換え、同時に、対となるｎｐｎ型バイポーラトランジスタ構成のスイッチング素子をｎ−ＭＯＳに置き換えることは可能である。

また、実施例１の発光素子駆動回路は、発光素子のアノードにダイオードが接続され、カソードにｎｐｎ型バイポーラトランジスタ構成のスイッチング素子が接続される例を示したが、ダイオードをｐｎｐ型バイポーラトランジスタ構成のスイッチング素子に置き換え、同時に、対となるｎｐｎ型バイポーラトランジスタ構成のスイッチング素子をｐｎｐ型バイポーラトランジスタ構成のスイッチング素子に置き換えることは可能である。

本発明は、以下の付記に記載されるような構成が考えられる。
（付記１）発光素子のアノードに接続された第１の回路素子と、前記発光素子のカソードに接続された第２の回路素子と、前記発光素子のアノードに接続された第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに接続された第１の反転回路とを有し、前記第１の反転回路に駆動信号が入力される第１の微分回路と、前記発光素子のカソードに接続された第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサに接続された第２の反転回路とを有し、前記第２の反転回路に駆動信号が入力される第２の微分回路とを備えている発光素子駆動回路。

（付記２） 前記第１の微分回路は、前記発光素子のアノードと前記第１のコンデンサとの間に、更に、抵抗を有している付記１に記載の発光素子駆動回路。

（付記３） 前記第２の微分回路は、前記発光素子のカソードと前記第２のコンデンサとの間に、更に、抵抗を有している付記１に記載の発光素子駆動回路。

（付記４） 前記第１の回路素子から、前記発光素子を通って、前記第２の回路素子方向に通ずる電流路に直列に電流源を有している付記１に記載の発光素子駆動回路。

（付記５） 前記第１及び第２の回路素子は、それぞれ、ダイオード、トランジスタ、抵抗、及び電流源のいずれか１つである付記１に記載の発光素子駆動回路。

（付記６） 前記スイッチング素子は、トランジスタである付記１に記載の発光素子駆動回路。

本発明の実施例１に係る発光素子駆動回路の回路構成を模式的に示す図。 本発明の実施例１に係る発光素子駆動回路図におけるインバータの入力電圧、過渡電流を模式的に示すタイミングチャート。 本発明の実施例１に係る発光素子の発光時及び消光時の過渡的及び定常的な電流を模式的に示す図。 本発明の実施例１に係るピーキングの有無による発光素子の駆動電流を模式的に示すタイミングチャート。 本発明の実施例２に係る発光素子駆動回路の回路構成を模式的に示す図。 本発明の実施例２に係るＶｃｃ−アノード間抵抗の有無による発光素子の駆動電流を模式的に示すタイミングチャート。 本発明の実施例２の変形例に係る発光素子駆動回路の回路構成を模式的に示す図。 本発明の実施例２の変形例に係る発光素子駆動回路の回路構成を模式的に示す図。

符号の説明

１、２、３、４ 発光素子駆動回路
１１ 発光素子１３ダイオード
１５、１７、６５、６７ スイッチング素子
１９、５９ 電流源
２１ａ、２１ｂ ピーキング回路
２３ａ、２３ｂ インバータ
２５ａ、２５ｂ コンデンサ
２７ａ、２７ｂ、４３ 抵抗
３３ａ、３３ｂ 駆動信号
Ｖｃｃ 電源電位
Ｃ１１ 定常電流
Ｃ１２ 差動電流
Ｃ２１、Ｃ２２ 過渡電流

Claims (5)

1. 発光素子のアノードに接続された第１の回路素子と、
   前記発光素子のカソードに接続された第２の回路素子と、
   前記発光素子のアノードに接続された第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに接続された第１の反転回路とを有し、前記第１の反転回路に駆動信号が入力される第１の微分回路と、
   前記発光素子のカソードに接続された第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサに接続された第２の反転回路とを有し、前記第２の反転回路に駆動信号が入力される第２の微分回路と、
   を備えていることを特徴とする発光素子駆動回路。
2. 前記第１の反転回路の出力電圧は、前記第２の反転回路の出力電圧と逆の位相を有していることを特徴とする請求項１に記載の発光素子駆動回路。
3. 前記第１の回路素子及び第２の回路素子のいずれか１つは、前記第１の回路素子から、前記発光素子を通って、前記第２の回路素子方向に通ずる電流路の導通・非導通を制御するスイッチング素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子駆動回路。
4. 前記スイッチング素子は、前記第１の反転回路の出力電圧がローレベルからハイレベルに移行するタイミングで、前記電流路を導通させることを特徴とする請求項３に記載の発光素子駆動回路。
5. 前記スイッチング素子が非導通のときに導通となる、前記電流路に並列に配設された別のスイッチング素子を有していることを特徴とする請求項３または４に記載の発光素子駆動回路。

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