JP3468566B2 - 光半導体素子の駆動回路 - Google Patents
光半導体素子の駆動回路Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光半導体素子の駆動
回路に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、光半導体素子の駆動回路として、
図８に示すように、発光ダイオード１,制御回路２およ
び定電流回路６から概略構成されたものがある。上記制
御回路２を構成する論理回路３の出力端子３a,３bから
は、制御入力信号Ｖinのレベルに応じて、レベル“Ｈ"
とレベル“Ｌ"の出力信号が出力される。そして、論理
回路３からの各出力信号に基づいて、各スイッチングト
ランジスタ４,５が相互にオン/オフすることによって発
光ダイオード１がオン/オフして光信号が伝送される。 【０００３】ここで、上記発光ダイオード１がオン状態
の場合には、定電流回路６に引かれて電源電圧＋Ｖccか
ら発光ダイオード１およびスイッチングトランジスタ５
を通って定電流Ｉ0が流れ、この定電流Ｉ0が発光ダイオ
ード１の順方向電流ＩFとなる。一方、発光ダイオード
１がオフ状態の場合には、定電流回路６に引かれて電源
電圧＋Ｖccからスイッチングトランジスタ４を通って定
電流Ｉ0が流れる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成を有する従来の光半導体素子の駆動回路には以下のよ
うな問題がある。すなわち、上記制御入力信号Ｖinの周
波数が高い場合(すなわち、発光ダイオード１を高速に
駆動する場合)には、制御入力信号Ｖinの周波数変化に
伴って光のオン時間および光のオフ時間が変化する。 【０００５】また、上記光のオン/オフ時間(すなわち、
光の立ち上がり/立ち下がり時間)はスイッチングトラン
ジスタ５のオン/オフ時間による。ところで、光のオフ
時には発光ダイオード１の順方向電流ＩFが約０Ａにな
ると共に、スイッチングトランジスタ５のコレクタ電流
が約０Ａになるために、発光ダイオード１のカソード側
がハイインピーダンスになる。したがって、上記制御回
路２の駆動周波数に変化があると光オフ期間が変化し
て、光オフ状態における発光直前の発光ダイオード１の
バイアス電圧値やバイアス電流値が変化する。その結
果、光の立ち上がり時間および遅延時間が変化すること
になる。この様子を、図９の波形図に示す。 【０００６】図９(a)は制御入力信号Ｖinの波形を示
し、図９(b)は発光ダイオード１の順方向電圧ＶFの波形
を示す。図９(a)において、制御入力信号Ｖinのレベル
が“Ｈ"である期間は論理回路３の出力に基づいて発光
ダイオード１はオン状態にあり、逆に制御入力信号Ｖin
のレベルが“Ｌ"である期間は発光ダイオード１はオフ
状態にある。上述のような光オフ時における光の立ち下
がりはスイッチングトランジスタ５に対する制御信号の
立ち下がりよりも急峻であり、順方向電圧ＶFも急峻に
立ち下がる。ところが、発光ダイオード１の順方向電流
ＩFが０Ａになると、これに伴って急激に順方向電圧ＶF
の立ち下がりが鈍くなり、それに連れて、図９(b)に示
すように、光オフ期間における順方向電圧ＶFのレベル
が徐々に低下するようになる。 【０００７】上述のような状態において、図９に実線で
示すように、ある一定の周波数で制御回路２を駆動して
いる場合には、発光ダイオード１における発光直前の順
方向電圧ＶFは一定(＝ＶF1)となり、順方向電圧ＶFの立
ち上がり時間ｔrも一定（＝ｔr1)となる。その結果、遅
延時間ｔpは一定(tp1)となって変化しない。これに対し
て、図９に破線で示すように、光オフ期間が変動した場
合には、上述の光オフ期間におけるレベル低下に起因し
て発光ダイオード１の発光直前における順方向電圧ＶF
は“ＶF3"に変化する。したがって、光の遅延時間ｔpお
よび立ち上がり時間ｔrにΔＶF(＝ＶF3−ＶF1)に相当す
る変化が生じて、光の遅延時間ｔpは“ｔp2"になり、立
ち上がり時間ｔrは“ｔr2(＜ｔr1)"になる。 【０００８】また、上記発光ダイオード１にはＰＮ接合
によるジャンクション容量が存在する。このジャンクシ
ョン容量には製造過程においてばらつきが生じ、このば
らつきによって応答時間にばらつきが生ずる。図１０に
その様子を示し、図１０(a)は制御入力信号Ｖinの波形
であり、図１０(b)は発光ダイオード１の順方向電圧ＶF
の波形である。尚、図中、実線はジャンクション容量Ｃ
jが大きい場合の順方向電圧ＶFの波形を示し、破線はジ
ャンクション容量Ｃjが小さい場合の順方向電圧ＶFの立
ち下がりを示す。図から明らかなように、ジャンクショ
ン容量Ｃjが大きい場合の順方向電圧ＶFの立ち下がり時
間“ｔf1"とジャンクション容量Ｃjが小さい場合の順方
向電圧ＶFの立ち下がり時間“ｔf2"とにはｔf1＜ｔf2な
る関係がある。したがって、ジャンクション容量Ｃjの
ばらつきによって応答時間がばらつくのである。 【０００９】以上のことから、光信号の伝送を光ファイ
バ・リンク等によって実施するに際して、制御入力信号
Ｖinとして高周波成分を含む周波数の異なる複数の信号
から構成されたランダムな信号が入力されると、順方向
電圧ＶFの遅延時間ｔpのばらつき量(つまり、ジッタ量)
が大きくなり、高速且つ正確な情報伝達が困難になると
いう問題がある。さらに、発光ダイオード１のジャンク
ション容量Ｃjのばらつきによって応答時間がばらつく
という問題もある。 【００１０】また、図１１に示すように、上記発光ダイ
オード１,制御回路２および定電流回路６から構成され
る光半導体素子の駆動回路にプリバイアス印加回路７を
付加して、光オフ時に発光ダイオード１にプリバイアス
電圧ＶFBを印加するようにした光半導体素子の駆動回路
がある。しかしながら、発光ダイオード１のＶF−ＩF温
度特性(図１２)およびＶF−光量温度特性(図１３)から
分かるように、温度依存性の高い電圧をプリバイアス源
として用いた場合には、環境温度の変化によって安定し
た光オフ時の順方向電圧ＶFが得られないのである。し
たがって、環境温度によっては、スイッチングトランジ
スタ５がオフであるにも拘わらず光オン状態になる可能
性がある。 【００１１】そこで、この発明の目的は、変化の激しい
高周波成分を含む信号に対しても光半導体素子を高速に
且つ確実に駆動でき、光半導体素子のジャンクション容
量のばらつきによる応答時間のばらつきを抑え、光半導
体素子の温度係数をキャンセルする温度係数を有する定
電流回路を用いることによって光半導体素子の光量の温
度依存性を無くした光半導体素子の駆動回路を提供する
ことにある。 【００１２】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、端子と定電流源との間に並
列に接続された第１，第２のスイッチング素子と，上記
第１，第２のスイッチング素子を制御入力信号のレベル
に応じて一方をオンに他方をオフに制御する論理回路
と，上記端子と第２のスイッチング素子との間に接続さ
れた光半導体素子を備える光半導体素子の駆動回路にお
いて、上記光半導体素子に対して順方向であって当該光
半導体素子が発光しない程度の定電流を流すバイアス回
路を当該光半導体素子と第２のスイッチング素子との間
に接続し、上記バイアス回路を、上記光半導体素子に対
するプリバイアス源として、上記光半導体素子の温度係
数をキャンセルする温度係数を有する定電流を出力し
て、光オフ時における順方向電圧の温度依存性を抑制す
るように構成されたプリバイアス定電流回路としたこと
を特徴としている。 【００１３】 【００１４】 【作用】請求項１に係る発明では、論理回路によって制
御入力信号のレベルに応じて、端子と定電流源との間に
並列に接続された第１，第２のスイッチング素子の一方
がオンされ他方がオフされる。そして、上記第２のスイ
ッチング素子がオンした際に上記端子と第２のスイッチ
ング素子の間に接続された光半導体素子が発光して、上
記制御入力信号のレベルに応じた光信号が出力される。
その際に、バイアス回路としてのプリバイアス定電流回
路によって、上記光半導体素子に対して、順方向であっ
て当該光半導体素子が発光しない程度であり、且つ、上
記光半導体素子の温度係数をキャンセルする温度係数を
有する定電流が常時流されて、光オフ時における順方向
電圧の温度依存性が抑制される。こうして、上記光半導
体素子に対するプリバイアス源として温度依存性の低い
電流が用いられて、環境温度の変化によって上記光オフ
時に光半導体素子が発光することが防止される。 【００１５】 【００１６】 【実施例】以下、この発明を図示の実施例により詳細に
説明する。図１は本実施例における光半導体素子の駆動
回路の回路図である。この光半導体素子の駆動回路は、
光半導体素子としての発光ダイオード２１,制御回路２
２,定電流回路２６およびバイアス回路２７から概略構
成される。上記発光ダイオード２１は、アノードが本光
半導体素子の駆動回路の端子(図示せず)を介して電源電
圧Ｖccに接続される一方、カソードが制御回路２２を構
成するスイッチングトランジスタ２５のコレクタに接続
されている。 【００１７】上記制御回路２２は、ＴＴＬ(トランジス
タ・トランジスタ・ロジック)等からなる論理回路２３と
ｎｐｎ型のスイッチングトランジスタ２４,２５とから
成り、論理回路２３の各出力端子２３a,２３bの夫々は
スイッチングトランジスタ２４,２５の各ベースに接続
されている。スイッチングトランジスタ２４は、そのコ
レクタが本光半導体素子の駆動回路の他の端子(図示せ
ず)を介して電源電圧Ｖccに接続されており、エミッタ
は定電流回路２６に接続されている。一方、スイッチン
グトランジスタ２５は、コレクタが発光ダイオード２１
のカソードおよびバイアス回路２７に接続されており、
エミッタは定電流回路２６に接続されている。 尚、上記定電流回路２６及びバイアス回路２７は接地さ
れているものとする。 【００１８】上記制御回路２２を構成する論理回路２３
は、入力端子からレベル“Ｈ"の制御入力信号Ｖinを入
力すると、出力端子２３aからレベル“Ｌ"の出力信号を
出力する一方、出力端子２３bからレベル“Ｈ"の出力信
号を出力するようになっている。また、バイアス回路２
７は定電流回路であり、制御入力信号Ｖinのレベルに拘
わらず発光ダイオード２１に定電流Ｉ2が流れるように
動作する。図２に上記発光ダイオード２１の順方向電圧
ＶF−順方向電流ＩF特性を示す。尚、発光ダイオード２
１はバイアス回路２７からの定電流Ｉ2では発光しない
ものとする。 【００１９】上記制御入力信号Ｖinのレベルが“Ｌ"と
なって論理回路２３の出力端子２３bの出力レベルが
“Ｌ"となり、スイッチングトランジスタ２５がオフと
なる光信号オフ状態の場合には、発光ダイオード２１に
流れる順方向電流ＩFはバイアス回路２７に基づく電流
Ｉ2のみとなる。一方、制御入力信号Ｖinのレベルが
“Ｈ"となって論理回路２３の出力端子２３bの出力レベ
ルが“Ｈ"となり、スイッチングトランジスタ２５がオ
ンとなる光信号オン状態の場合には、発光ダイオード２
１に流れる順方向電流ＩFは定電流回路２６に基づく電
流Ｉ1とバイアス回路２７に基づく電流Ｉ2との和(Ｉ1＋
Ｉ2)となる。その結果、光信号オン時には発光ダイオー
ド２１が発光する一方、光信号オフ時には発光ダイオー
ド２１は発光しないのである。 【００２０】図３に、本実施例の光半導体の駆動回路に
おける論理回路２３への制御入力信号Ｖin(図３(a))と
発光ダイオード２１の順方向電圧ＶF(図３(b))との関係
を示す。上記制御入力信号Ｖinのレベルが“Ｈ"である
期間は論理回路２３の出力に基づいて発光ダイオード２
１はオン状態であり、逆に制御入力信号Ｖinのレベルが
“Ｌ"である期間は発光ダイオード２１はオフ状態であ
る。そして、このオフ状態であってもバイアス回路２７
によって発光ダイオード２１には一定の電流Ｉ2が流れ
ているために、光オフ状態においても順方向電圧ＶFは
“０Ｖ"にはならず一定の電圧“ＶF4"となる。そして、
制御入力信号Ｖinのレベルが“Ｈ"である場合における
順方向電圧ＶFを“ＶF2"とすると、光オフ時にはスイッ
チングトランジスタ２５の制御信号の立ち下がりによっ
て電圧ＶF2から電圧ＶF4へ急峻に立ち下がる。 【００２１】また、図中破線で示すように、光オフ期間
が変動した場合でも、発光ダイオード２１における発光
直前の順方向電圧ＶFは実線で示す光オン期間が同じ場
合の波形に等しく“ＶF4"となる。その結果、光オフ期
間の異なる制御入力信号Ｖinが上記制御回路２２に入力
された場合の立ち上がり時間“ｔr2'"は、光オフ期間が
同じ制御入力信号Ｖinが入力された場合の立ち上がり時
間“ｔr1'"と大略同じ(ｔr2'≒ｔr1')になる。したがっ
て、例えランダムな制御入力信号Ｖinが入力されたとし
ても、応答時間に対するばらつきを押さえることができ
るのである。 【００２２】さらに、図４には、上記発光ダイオード２
１におけるジャンクション容量Ｃjのばらつきによる順
方向電圧ＶFの波形の変動を示す。尚、図４(a)は制御入
力信号Ｖinの波形であり、図４(b)は発光ダイオード２
１の順方向電圧ＶFの波形である。図中、実線はジャン
クション容量Ｃjが大きい場合の順方向電圧ＶFの波形を
示し、破線はジャンクション容量Ｃjが小さい場合の順
方向電圧ＶFの立ち下がりを示す。本実施例において
は、上述のように、光オフ時においても発光ダイオード
２１に一定電流Ｉ2が流れて順方向電圧ＶFが一定値“Ｖ
F4"となっている。したがって、図４に示すように、光
オフ時における順方向電圧ＶFの立ち下がりが急峻とな
るために、ジャンクション容量Ｃjが大きい場合の順方
向電圧ＶFの立ち下がり時間“ｔf1'"とジャンクション
容量Ｃjが小さい場合の順方向電圧ＶFの立ち下がり時間
“ｔf2'"とには差がなくなる。すなわち、(ｔf1'−
ｔf2'＜＜ｔf1−ｔf2)となるために、発光ダイオード２
１のジャンクション容量Ｃjのばらつきに対する応答時
間のばらつきを大きく改善できるのである。 【００２３】図５は、本実施例におけるバイアス回路２
７を具体化したプリバイアス定電流回路の回路図を示
す。このプリバイアス定電流回路２８において、 ｋ・Ｔ/ｑ・ln(Ｉ3/Ｉ)＝ｋ・Ｔ/ｑ・ln(Ｉ2/２Ｉ)＋Ｒ2×
Ｉ2 但し、 Ｔ：温度 ｑ：電子の電荷量 Ｉ3：抵抗２９およびトランジスタ３０,３１を通って流
れる電流 Ｉ：逆方向の接合飽和電流 Ｒ2：抵抗３２の抵抗値 なる関係があるから、上記定電流Ｉ2の値は、 ｋ・Ｔ/ｑ・ln(Ｉ3/Ｉ2)＝Ｉ2・Ｒ2 なる関係式によって決まる。ここで、上記抵抗Ｒ2をベ
ース拡散抵抗であるとすると、抵抗Ｒ2の温度係数は略
＋３０００ppm/℃となる。また、ｋ・Ｔ/ｑの温度係数を
−３３００ppm/℃とする。そうすると、定電流Ｉ2の温
度係数は大略−３００ppm/℃と低い値となる。また、製
造プロセスの条件を変えることによって抵抗Ｒ2の温度
係数を変化させて、上記発光ダイオード２１の温度係数
をキャンセルする温度係数を有する定電流Ｉ2を得るこ
とができる。 【００２４】一方、図１１に示す従来のプリバイアス印
加回路７よる発光ダイオード１に対するプリバイアス電
圧ＶFBは、 ＶFB＝２ＶFD−(ＶFD−ＶBEP)×Ｒ11/Ｒ12 但し、 ＶFD：ダイオード８,９の順方向電圧 ＶBEP：ｐｎｐ型トランジスタ１０のベース−エミッタ
間電圧 Ｒ11：抵抗１１の抵抗値 Ｒ12：抵抗１２の抵抗値 となる。その場合におけるプリバイアス電圧ＶFBの温度
係数は約−４mＶ/℃である。 【００２５】又、図２に示す発光ダイオード２１のＶF
−ＩF特性において、順方向電流ＩFが“Ｉ2"を越えると
僅かな順方向電圧ＶFの変化で順方向電流ＩFが大きく変
化するようになる。したがって、従来例のごとく発光ダ
イオード２１に対するプリバイアス源として電圧を用い
ると、環境温度の変化によってプリバイアス電圧ＶFBが
僅かに変化しても順方向電流ＩFが大きく変化するため
に、光信号をオフにするレベル“Ｌ"の制御入力信号Ｖi
nが制御回路２２に入力されても発光ダイオード２１の
順方向電流ＩFが発光閾値を越えて発光ダイオード２１
が発光してしまう場合がある。 【００２６】しかしながら、図１２に示す発光ダイオー
ド２１のＶF−ＩF温度特性および図６に示すＩF−光量
温度特性から分かるように、順方向電流ＩFの温度依存
性は低い。図７は、図６に示すＩF−光量温度特性,図１
２に示すＶF−ＩF温度特性及び図１３に示すＶF−光量
温度特性から求めたプリバイアス源として電圧を用いた
場合と定電流を用いた場合とにおける発光ダイオードの
光量−温度特性を示す。図７から、プリバイアス源とし
て定電流を用いた方が光量の温度依存性が低いことが分
かる。つまり、上記プリバイアス源として定電流を用い
ることによって、スイッチングトランジスタ２５がオフ
時には必ず光オフ状態を実現できるのである。その結
果、本実施例によれば、上記光オフ時における順方向電
圧ＶFを安定にすることができ、従来通りの交流信号の
みならず直流信号の伝達も可能になる。 【００２７】上述のように、本実施例においては、上記
発光ダイオード２１のカソードにバイアス回路２７を接
続して、制御回路２２に入力される制御入力信号Ｖinの
レベルに拘わらず発光ダイオード２１には定電流Ｉ2を
流すようにしている。このように、上記発光ダイオード
２１に常時定電流Ｉ2を流すことによって、先ず第１
に、光オフ状態における順方向電圧ＶFが一定電圧“Ｖ
F4"となり、光オフ期間の異なる制御入力信号Ｖinが制
御回路２２に入力されても順方向電圧ＶFの立ち上がり
時間ｔrが大略一定となって応答時間のばらつきがなく
なる。したがって、変化の激しい高周波成分を含む信号
に対しても発光ダイオード２１を高速に且つ確実に安定
して駆動できる。第２に、上記発光ダイオード２１にお
けるジャンクション容量Ｃjのばらつきによる順方向電
圧ＶFの立ち下がり時間ｔfのばらつきを押えて、応答時
間のばらつきを改善できる。第３に、上記発光ダイオー
ド２１に対するプリバイアス源として発光ダイオード２
１の温度係数をキャンセルする温度係数を有する定電流
Ｉ2を用いれば光オフ時における順方向電圧ＶFの温度依
存性を抑制でき、発光ダイオード２１の光量の温度依存
性を無くすことできる。すなわち、本実施例によれば、
光信号による直流信号の伝達が容易に可能になるのであ
る。 【００２８】尚、本実施例においては、上記光半導体素
子として発光ダイオード２１を用いているが、半導体レ
ーザを用いても差し支えない。 【００２９】 【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１に係
る発明の光半導体素子の駆動回路は、論理回路及び第
１,第２のスイッチング素子によって制御入力信号のレ
ベルに応じてオン・オフ制御される光半導体素子に対し
て、バイアス回路としてのプリバイアス定電流回路によ
って、当該光半導体素子が発光しない程度であって且つ
上記光半導体素子の温度係数をキャンセルする温度係数
を有する順方向の定電流を流すようにしたので、上記光
半導体素子に対するプリバイアス源として温度依存性の
低い電流を用いることができ、光オフ時における上記光
半導体素子に対する順方向電圧の温度依存性を抑制する
ことができる。したがって、光オフ時における上記光半
導体素子の光量の温度依存性を無くすことできる。 すな
わち、この発明によれば、光信号による直流信号の伝達
が容易に可能になるのである。 【００３０】 【００３１】
回路に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、光半導体素子の駆動回路として、
図８に示すように、発光ダイオード１,制御回路２およ
び定電流回路６から概略構成されたものがある。上記制
御回路２を構成する論理回路３の出力端子３a,３bから
は、制御入力信号Ｖinのレベルに応じて、レベル“Ｈ"
とレベル“Ｌ"の出力信号が出力される。そして、論理
回路３からの各出力信号に基づいて、各スイッチングト
ランジスタ４,５が相互にオン/オフすることによって発
光ダイオード１がオン/オフして光信号が伝送される。 【０００３】ここで、上記発光ダイオード１がオン状態
の場合には、定電流回路６に引かれて電源電圧＋Ｖccか
ら発光ダイオード１およびスイッチングトランジスタ５
を通って定電流Ｉ0が流れ、この定電流Ｉ0が発光ダイオ
ード１の順方向電流ＩFとなる。一方、発光ダイオード
１がオフ状態の場合には、定電流回路６に引かれて電源
電圧＋Ｖccからスイッチングトランジスタ４を通って定
電流Ｉ0が流れる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成を有する従来の光半導体素子の駆動回路には以下のよ
うな問題がある。すなわち、上記制御入力信号Ｖinの周
波数が高い場合(すなわち、発光ダイオード１を高速に
駆動する場合)には、制御入力信号Ｖinの周波数変化に
伴って光のオン時間および光のオフ時間が変化する。 【０００５】また、上記光のオン/オフ時間(すなわち、
光の立ち上がり/立ち下がり時間)はスイッチングトラン
ジスタ５のオン/オフ時間による。ところで、光のオフ
時には発光ダイオード１の順方向電流ＩFが約０Ａにな
ると共に、スイッチングトランジスタ５のコレクタ電流
が約０Ａになるために、発光ダイオード１のカソード側
がハイインピーダンスになる。したがって、上記制御回
路２の駆動周波数に変化があると光オフ期間が変化し
て、光オフ状態における発光直前の発光ダイオード１の
バイアス電圧値やバイアス電流値が変化する。その結
果、光の立ち上がり時間および遅延時間が変化すること
になる。この様子を、図９の波形図に示す。 【０００６】図９(a)は制御入力信号Ｖinの波形を示
し、図９(b)は発光ダイオード１の順方向電圧ＶFの波形
を示す。図９(a)において、制御入力信号Ｖinのレベル
が“Ｈ"である期間は論理回路３の出力に基づいて発光
ダイオード１はオン状態にあり、逆に制御入力信号Ｖin
のレベルが“Ｌ"である期間は発光ダイオード１はオフ
状態にある。上述のような光オフ時における光の立ち下
がりはスイッチングトランジスタ５に対する制御信号の
立ち下がりよりも急峻であり、順方向電圧ＶFも急峻に
立ち下がる。ところが、発光ダイオード１の順方向電流
ＩFが０Ａになると、これに伴って急激に順方向電圧ＶF
の立ち下がりが鈍くなり、それに連れて、図９(b)に示
すように、光オフ期間における順方向電圧ＶFのレベル
が徐々に低下するようになる。 【０００７】上述のような状態において、図９に実線で
示すように、ある一定の周波数で制御回路２を駆動して
いる場合には、発光ダイオード１における発光直前の順
方向電圧ＶFは一定(＝ＶF1)となり、順方向電圧ＶFの立
ち上がり時間ｔrも一定（＝ｔr1)となる。その結果、遅
延時間ｔpは一定(tp1)となって変化しない。これに対し
て、図９に破線で示すように、光オフ期間が変動した場
合には、上述の光オフ期間におけるレベル低下に起因し
て発光ダイオード１の発光直前における順方向電圧ＶF
は“ＶF3"に変化する。したがって、光の遅延時間ｔpお
よび立ち上がり時間ｔrにΔＶF(＝ＶF3−ＶF1)に相当す
る変化が生じて、光の遅延時間ｔpは“ｔp2"になり、立
ち上がり時間ｔrは“ｔr2(＜ｔr1)"になる。 【０００８】また、上記発光ダイオード１にはＰＮ接合
によるジャンクション容量が存在する。このジャンクシ
ョン容量には製造過程においてばらつきが生じ、このば
らつきによって応答時間にばらつきが生ずる。図１０に
その様子を示し、図１０(a)は制御入力信号Ｖinの波形
であり、図１０(b)は発光ダイオード１の順方向電圧ＶF
の波形である。尚、図中、実線はジャンクション容量Ｃ
jが大きい場合の順方向電圧ＶFの波形を示し、破線はジ
ャンクション容量Ｃjが小さい場合の順方向電圧ＶFの立
ち下がりを示す。図から明らかなように、ジャンクショ
ン容量Ｃjが大きい場合の順方向電圧ＶFの立ち下がり時
間“ｔf1"とジャンクション容量Ｃjが小さい場合の順方
向電圧ＶFの立ち下がり時間“ｔf2"とにはｔf1＜ｔf2な
る関係がある。したがって、ジャンクション容量Ｃjの
ばらつきによって応答時間がばらつくのである。 【０００９】以上のことから、光信号の伝送を光ファイ
バ・リンク等によって実施するに際して、制御入力信号
Ｖinとして高周波成分を含む周波数の異なる複数の信号
から構成されたランダムな信号が入力されると、順方向
電圧ＶFの遅延時間ｔpのばらつき量(つまり、ジッタ量)
が大きくなり、高速且つ正確な情報伝達が困難になると
いう問題がある。さらに、発光ダイオード１のジャンク
ション容量Ｃjのばらつきによって応答時間がばらつく
という問題もある。 【００１０】また、図１１に示すように、上記発光ダイ
オード１,制御回路２および定電流回路６から構成され
る光半導体素子の駆動回路にプリバイアス印加回路７を
付加して、光オフ時に発光ダイオード１にプリバイアス
電圧ＶFBを印加するようにした光半導体素子の駆動回路
がある。しかしながら、発光ダイオード１のＶF−ＩF温
度特性(図１２)およびＶF−光量温度特性(図１３)から
分かるように、温度依存性の高い電圧をプリバイアス源
として用いた場合には、環境温度の変化によって安定し
た光オフ時の順方向電圧ＶFが得られないのである。し
たがって、環境温度によっては、スイッチングトランジ
スタ５がオフであるにも拘わらず光オン状態になる可能
性がある。 【００１１】そこで、この発明の目的は、変化の激しい
高周波成分を含む信号に対しても光半導体素子を高速に
且つ確実に駆動でき、光半導体素子のジャンクション容
量のばらつきによる応答時間のばらつきを抑え、光半導
体素子の温度係数をキャンセルする温度係数を有する定
電流回路を用いることによって光半導体素子の光量の温
度依存性を無くした光半導体素子の駆動回路を提供する
ことにある。 【００１２】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、端子と定電流源との間に並
列に接続された第１，第２のスイッチング素子と，上記
第１，第２のスイッチング素子を制御入力信号のレベル
に応じて一方をオンに他方をオフに制御する論理回路
と，上記端子と第２のスイッチング素子との間に接続さ
れた光半導体素子を備える光半導体素子の駆動回路にお
いて、上記光半導体素子に対して順方向であって当該光
半導体素子が発光しない程度の定電流を流すバイアス回
路を当該光半導体素子と第２のスイッチング素子との間
に接続し、上記バイアス回路を、上記光半導体素子に対
するプリバイアス源として、上記光半導体素子の温度係
数をキャンセルする温度係数を有する定電流を出力し
て、光オフ時における順方向電圧の温度依存性を抑制す
るように構成されたプリバイアス定電流回路としたこと
を特徴としている。 【００１３】 【００１４】 【作用】請求項１に係る発明では、論理回路によって制
御入力信号のレベルに応じて、端子と定電流源との間に
並列に接続された第１，第２のスイッチング素子の一方
がオンされ他方がオフされる。そして、上記第２のスイ
ッチング素子がオンした際に上記端子と第２のスイッチ
ング素子の間に接続された光半導体素子が発光して、上
記制御入力信号のレベルに応じた光信号が出力される。
その際に、バイアス回路としてのプリバイアス定電流回
路によって、上記光半導体素子に対して、順方向であっ
て当該光半導体素子が発光しない程度であり、且つ、上
記光半導体素子の温度係数をキャンセルする温度係数を
有する定電流が常時流されて、光オフ時における順方向
電圧の温度依存性が抑制される。こうして、上記光半導
体素子に対するプリバイアス源として温度依存性の低い
電流が用いられて、環境温度の変化によって上記光オフ
時に光半導体素子が発光することが防止される。 【００１５】 【００１６】 【実施例】以下、この発明を図示の実施例により詳細に
説明する。図１は本実施例における光半導体素子の駆動
回路の回路図である。この光半導体素子の駆動回路は、
光半導体素子としての発光ダイオード２１,制御回路２
２,定電流回路２６およびバイアス回路２７から概略構
成される。上記発光ダイオード２１は、アノードが本光
半導体素子の駆動回路の端子(図示せず)を介して電源電
圧Ｖccに接続される一方、カソードが制御回路２２を構
成するスイッチングトランジスタ２５のコレクタに接続
されている。 【００１７】上記制御回路２２は、ＴＴＬ(トランジス
タ・トランジスタ・ロジック)等からなる論理回路２３と
ｎｐｎ型のスイッチングトランジスタ２４,２５とから
成り、論理回路２３の各出力端子２３a,２３bの夫々は
スイッチングトランジスタ２４,２５の各ベースに接続
されている。スイッチングトランジスタ２４は、そのコ
レクタが本光半導体素子の駆動回路の他の端子(図示せ
ず)を介して電源電圧Ｖccに接続されており、エミッタ
は定電流回路２６に接続されている。一方、スイッチン
グトランジスタ２５は、コレクタが発光ダイオード２１
のカソードおよびバイアス回路２７に接続されており、
エミッタは定電流回路２６に接続されている。 尚、上記定電流回路２６及びバイアス回路２７は接地さ
れているものとする。 【００１８】上記制御回路２２を構成する論理回路２３
は、入力端子からレベル“Ｈ"の制御入力信号Ｖinを入
力すると、出力端子２３aからレベル“Ｌ"の出力信号を
出力する一方、出力端子２３bからレベル“Ｈ"の出力信
号を出力するようになっている。また、バイアス回路２
７は定電流回路であり、制御入力信号Ｖinのレベルに拘
わらず発光ダイオード２１に定電流Ｉ2が流れるように
動作する。図２に上記発光ダイオード２１の順方向電圧
ＶF−順方向電流ＩF特性を示す。尚、発光ダイオード２
１はバイアス回路２７からの定電流Ｉ2では発光しない
ものとする。 【００１９】上記制御入力信号Ｖinのレベルが“Ｌ"と
なって論理回路２３の出力端子２３bの出力レベルが
“Ｌ"となり、スイッチングトランジスタ２５がオフと
なる光信号オフ状態の場合には、発光ダイオード２１に
流れる順方向電流ＩFはバイアス回路２７に基づく電流
Ｉ2のみとなる。一方、制御入力信号Ｖinのレベルが
“Ｈ"となって論理回路２３の出力端子２３bの出力レベ
ルが“Ｈ"となり、スイッチングトランジスタ２５がオ
ンとなる光信号オン状態の場合には、発光ダイオード２
１に流れる順方向電流ＩFは定電流回路２６に基づく電
流Ｉ1とバイアス回路２７に基づく電流Ｉ2との和(Ｉ1＋
Ｉ2)となる。その結果、光信号オン時には発光ダイオー
ド２１が発光する一方、光信号オフ時には発光ダイオー
ド２１は発光しないのである。 【００２０】図３に、本実施例の光半導体の駆動回路に
おける論理回路２３への制御入力信号Ｖin(図３(a))と
発光ダイオード２１の順方向電圧ＶF(図３(b))との関係
を示す。上記制御入力信号Ｖinのレベルが“Ｈ"である
期間は論理回路２３の出力に基づいて発光ダイオード２
１はオン状態であり、逆に制御入力信号Ｖinのレベルが
“Ｌ"である期間は発光ダイオード２１はオフ状態であ
る。そして、このオフ状態であってもバイアス回路２７
によって発光ダイオード２１には一定の電流Ｉ2が流れ
ているために、光オフ状態においても順方向電圧ＶFは
“０Ｖ"にはならず一定の電圧“ＶF4"となる。そして、
制御入力信号Ｖinのレベルが“Ｈ"である場合における
順方向電圧ＶFを“ＶF2"とすると、光オフ時にはスイッ
チングトランジスタ２５の制御信号の立ち下がりによっ
て電圧ＶF2から電圧ＶF4へ急峻に立ち下がる。 【００２１】また、図中破線で示すように、光オフ期間
が変動した場合でも、発光ダイオード２１における発光
直前の順方向電圧ＶFは実線で示す光オン期間が同じ場
合の波形に等しく“ＶF4"となる。その結果、光オフ期
間の異なる制御入力信号Ｖinが上記制御回路２２に入力
された場合の立ち上がり時間“ｔr2'"は、光オフ期間が
同じ制御入力信号Ｖinが入力された場合の立ち上がり時
間“ｔr1'"と大略同じ(ｔr2'≒ｔr1')になる。したがっ
て、例えランダムな制御入力信号Ｖinが入力されたとし
ても、応答時間に対するばらつきを押さえることができ
るのである。 【００２２】さらに、図４には、上記発光ダイオード２
１におけるジャンクション容量Ｃjのばらつきによる順
方向電圧ＶFの波形の変動を示す。尚、図４(a)は制御入
力信号Ｖinの波形であり、図４(b)は発光ダイオード２
１の順方向電圧ＶFの波形である。図中、実線はジャン
クション容量Ｃjが大きい場合の順方向電圧ＶFの波形を
示し、破線はジャンクション容量Ｃjが小さい場合の順
方向電圧ＶFの立ち下がりを示す。本実施例において
は、上述のように、光オフ時においても発光ダイオード
２１に一定電流Ｉ2が流れて順方向電圧ＶFが一定値“Ｖ
F4"となっている。したがって、図４に示すように、光
オフ時における順方向電圧ＶFの立ち下がりが急峻とな
るために、ジャンクション容量Ｃjが大きい場合の順方
向電圧ＶFの立ち下がり時間“ｔf1'"とジャンクション
容量Ｃjが小さい場合の順方向電圧ＶFの立ち下がり時間
“ｔf2'"とには差がなくなる。すなわち、(ｔf1'−
ｔf2'＜＜ｔf1−ｔf2)となるために、発光ダイオード２
１のジャンクション容量Ｃjのばらつきに対する応答時
間のばらつきを大きく改善できるのである。 【００２３】図５は、本実施例におけるバイアス回路２
７を具体化したプリバイアス定電流回路の回路図を示
す。このプリバイアス定電流回路２８において、 ｋ・Ｔ/ｑ・ln(Ｉ3/Ｉ)＝ｋ・Ｔ/ｑ・ln(Ｉ2/２Ｉ)＋Ｒ2×
Ｉ2 但し、 Ｔ：温度 ｑ：電子の電荷量 Ｉ3：抵抗２９およびトランジスタ３０,３１を通って流
れる電流 Ｉ：逆方向の接合飽和電流 Ｒ2：抵抗３２の抵抗値 なる関係があるから、上記定電流Ｉ2の値は、 ｋ・Ｔ/ｑ・ln(Ｉ3/Ｉ2)＝Ｉ2・Ｒ2 なる関係式によって決まる。ここで、上記抵抗Ｒ2をベ
ース拡散抵抗であるとすると、抵抗Ｒ2の温度係数は略
＋３０００ppm/℃となる。また、ｋ・Ｔ/ｑの温度係数を
−３３００ppm/℃とする。そうすると、定電流Ｉ2の温
度係数は大略−３００ppm/℃と低い値となる。また、製
造プロセスの条件を変えることによって抵抗Ｒ2の温度
係数を変化させて、上記発光ダイオード２１の温度係数
をキャンセルする温度係数を有する定電流Ｉ2を得るこ
とができる。 【００２４】一方、図１１に示す従来のプリバイアス印
加回路７よる発光ダイオード１に対するプリバイアス電
圧ＶFBは、 ＶFB＝２ＶFD−(ＶFD−ＶBEP)×Ｒ11/Ｒ12 但し、 ＶFD：ダイオード８,９の順方向電圧 ＶBEP：ｐｎｐ型トランジスタ１０のベース−エミッタ
間電圧 Ｒ11：抵抗１１の抵抗値 Ｒ12：抵抗１２の抵抗値 となる。その場合におけるプリバイアス電圧ＶFBの温度
係数は約−４mＶ/℃である。 【００２５】又、図２に示す発光ダイオード２１のＶF
−ＩF特性において、順方向電流ＩFが“Ｉ2"を越えると
僅かな順方向電圧ＶFの変化で順方向電流ＩFが大きく変
化するようになる。したがって、従来例のごとく発光ダ
イオード２１に対するプリバイアス源として電圧を用い
ると、環境温度の変化によってプリバイアス電圧ＶFBが
僅かに変化しても順方向電流ＩFが大きく変化するため
に、光信号をオフにするレベル“Ｌ"の制御入力信号Ｖi
nが制御回路２２に入力されても発光ダイオード２１の
順方向電流ＩFが発光閾値を越えて発光ダイオード２１
が発光してしまう場合がある。 【００２６】しかしながら、図１２に示す発光ダイオー
ド２１のＶF−ＩF温度特性および図６に示すＩF−光量
温度特性から分かるように、順方向電流ＩFの温度依存
性は低い。図７は、図６に示すＩF−光量温度特性,図１
２に示すＶF−ＩF温度特性及び図１３に示すＶF−光量
温度特性から求めたプリバイアス源として電圧を用いた
場合と定電流を用いた場合とにおける発光ダイオードの
光量−温度特性を示す。図７から、プリバイアス源とし
て定電流を用いた方が光量の温度依存性が低いことが分
かる。つまり、上記プリバイアス源として定電流を用い
ることによって、スイッチングトランジスタ２５がオフ
時には必ず光オフ状態を実現できるのである。その結
果、本実施例によれば、上記光オフ時における順方向電
圧ＶFを安定にすることができ、従来通りの交流信号の
みならず直流信号の伝達も可能になる。 【００２７】上述のように、本実施例においては、上記
発光ダイオード２１のカソードにバイアス回路２７を接
続して、制御回路２２に入力される制御入力信号Ｖinの
レベルに拘わらず発光ダイオード２１には定電流Ｉ2を
流すようにしている。このように、上記発光ダイオード
２１に常時定電流Ｉ2を流すことによって、先ず第１
に、光オフ状態における順方向電圧ＶFが一定電圧“Ｖ
F4"となり、光オフ期間の異なる制御入力信号Ｖinが制
御回路２２に入力されても順方向電圧ＶFの立ち上がり
時間ｔrが大略一定となって応答時間のばらつきがなく
なる。したがって、変化の激しい高周波成分を含む信号
に対しても発光ダイオード２１を高速に且つ確実に安定
して駆動できる。第２に、上記発光ダイオード２１にお
けるジャンクション容量Ｃjのばらつきによる順方向電
圧ＶFの立ち下がり時間ｔfのばらつきを押えて、応答時
間のばらつきを改善できる。第３に、上記発光ダイオー
ド２１に対するプリバイアス源として発光ダイオード２
１の温度係数をキャンセルする温度係数を有する定電流
Ｉ2を用いれば光オフ時における順方向電圧ＶFの温度依
存性を抑制でき、発光ダイオード２１の光量の温度依存
性を無くすことできる。すなわち、本実施例によれば、
光信号による直流信号の伝達が容易に可能になるのであ
る。 【００２８】尚、本実施例においては、上記光半導体素
子として発光ダイオード２１を用いているが、半導体レ
ーザを用いても差し支えない。 【００２９】 【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１に係
る発明の光半導体素子の駆動回路は、論理回路及び第
１,第２のスイッチング素子によって制御入力信号のレ
ベルに応じてオン・オフ制御される光半導体素子に対し
て、バイアス回路としてのプリバイアス定電流回路によ
って、当該光半導体素子が発光しない程度であって且つ
上記光半導体素子の温度係数をキャンセルする温度係数
を有する順方向の定電流を流すようにしたので、上記光
半導体素子に対するプリバイアス源として温度依存性の
低い電流を用いることができ、光オフ時における上記光
半導体素子に対する順方向電圧の温度依存性を抑制する
ことができる。したがって、光オフ時における上記光半
導体素子の光量の温度依存性を無くすことできる。 すな
わち、この発明によれば、光信号による直流信号の伝達
が容易に可能になるのである。 【００３０】 【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の光半導体素子の駆動回路における一
例を示す回路図である。 【図２】図１における発光ダイオードの順方向電圧−順
方向電流特性図である。 【図３】図１の光半導体素子の駆動回路における制御入
力信号と発光ダイオードの順方向電圧との関係を示す図
である。 【図４】図１における発光ダイオードのジャンクション
容量のばらつきによる応答時間の変動を示す図である。 【図５】プリバイアス定電流回路の一例を示す回路図で
ある。 【図６】発光ダイオードにおける順方向電流−光量温度
特性図である。 【図７】プリバイアス源として電圧を用いた場合と定電
圧を用いた場合における発光ダイオードの光量−温度特
性を示す図である。 【図８】従来の光半導体素子の駆動回路の回路図であ
る。 【図９】図８の光半導体素子の駆動回路における制御入
力信号と発光ダイオードの順方向電圧との関係を示す図
である。 【図１０】図８における発光ダイオードのジャンクショ
ン容量のばらつきによる応答時間の変動を示す図であ
る。 【図１１】図８の光半導体素子の駆動回路にプリバイア
ス印加回路を併用した場合の回路図である。 【図１２】発光ダイオードにおける順方向電圧−順方向
電流温度特性図である。 【図１３】発光ダイオードにおける順方向電圧−光量温
度特性図である。 【符号の説明】 ２１…発光ダイオード、 ２２…制御回路、
２３…論理回路、 ２４,２５…スイ
ッチングトランジスタ、２６…定電流回路、
２７…バイアス回路、２８…プリバイアス定電流
回路。
例を示す回路図である。 【図２】図１における発光ダイオードの順方向電圧−順
方向電流特性図である。 【図３】図１の光半導体素子の駆動回路における制御入
力信号と発光ダイオードの順方向電圧との関係を示す図
である。 【図４】図１における発光ダイオードのジャンクション
容量のばらつきによる応答時間の変動を示す図である。 【図５】プリバイアス定電流回路の一例を示す回路図で
ある。 【図６】発光ダイオードにおける順方向電流−光量温度
特性図である。 【図７】プリバイアス源として電圧を用いた場合と定電
圧を用いた場合における発光ダイオードの光量−温度特
性を示す図である。 【図８】従来の光半導体素子の駆動回路の回路図であ
る。 【図９】図８の光半導体素子の駆動回路における制御入
力信号と発光ダイオードの順方向電圧との関係を示す図
である。 【図１０】図８における発光ダイオードのジャンクショ
ン容量のばらつきによる応答時間の変動を示す図であ
る。 【図１１】図８の光半導体素子の駆動回路にプリバイア
ス印加回路を併用した場合の回路図である。 【図１２】発光ダイオードにおける順方向電圧−順方向
電流温度特性図である。 【図１３】発光ダイオードにおける順方向電圧−光量温
度特性図である。 【符号の説明】 ２１…発光ダイオード、 ２２…制御回路、
２３…論理回路、 ２４,２５…スイ
ッチングトランジスタ、２６…定電流回路、
２７…バイアス回路、２８…プリバイアス定電流
回路。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 33/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 端子と定電流源との間に並列に接続され
た第１，第２のスイッチング素子と、上記第１，第２の
スイッチング素子を制御入力信号のレベルに応じて一方
をオンに他方をオフに制御する論理回路と、上記端子と
第２のスイッチング素子との間に接続された光半導体素
子を備える光半導体素子の駆動回路において、 上記光半導体素子に対して順方向であって当該光半導体
素子が発光しない程度の定電流を流すバイアス回路を、
当該光半導体素子と第２のスイッチング素子との間に接
続し、 上記バイアス回路を、上記光半導体素子に対するプリバ
イアス源として、上記光半導体素子の温度係数をキャン
セルする温度係数を有する定電流を出力して、光オフ時
における順方向電圧の温度依存性を抑制するように構成
されたプリバイアス定電流回路としたことを特徴とする
光半導体素子の駆動回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2418294A JP3468566B2 (ja) | 1994-02-22 | 1994-02-22 | 光半導体素子の駆動回路 |
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|---|---|---|---|
| JP2418294A JP3468566B2 (ja) | 1994-02-22 | 1994-02-22 | 光半導体素子の駆動回路 |
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| JPH07235693A JPH07235693A (ja) | 1995-09-05 |
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- 1994-02-22 JP JP2418294A patent/JP3468566B2/ja not_active Expired - Fee Related
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