JP4632668B2

JP4632668B2 - レーザーダイオードドライバー用集積回路の試験方法

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Publication number: JP4632668B2
Application number: JP2004002626A
Authority: JP
Inventors: 稔森山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-01-08
Also published as: JP2005197485A

Description

この発明は、レーザーダイオード（ＬＤ）ドライバー用集積回路（ＩＣ）の電気特性試験に関する。

ＬＤドライバー用ＩＣでは、１ｎｓ程度のパルス幅を有する高速信号を扱っており、また、出力波形は、レーザーダイオード（ＬＤ）の発光スピードを考慮して、ｎｓ単位で複数のレベルに変化する仕様もある。この波形確認の試験を行うためには、正確に、１ｎｓ程度のパルス入力をＬＤドライバー用ＩＣに与えてテストを行う必要がある。しかしながら、１ｎｓのパルスを生成するためには、１ＧＨｚ程度の高速信号発生器が必要となり、量産試験をする上で、大変なコスト増になってしまう。

上記のように、ＬＤドライバー用ＩＣの動作性能を保証するためには、約１ｎｓ程度の高速パルス電流を評価する必要がある。

このＬＤドライバー用ＩＣに与えられる入力としては、従来、ノイズに強いＬＶＤＳ（ローボルテイジディファレンシャルシグナリング）信号が用いられている。ＬＶＤＳ信号は、差動信号であり、この信号の差動入力パターンは、実動差と同様、ＨＩ／ＬＯ同レベルを扱い、同じタイミングで反転動作する入力となる。このため、こうしたＩＣのテストには、評価するＬＤドライバーと同程度の動作スピードを有したＩＣテスターを使用することになる。

ＬＶＤＳ信号を汎用テスターで生成する場合、高速・低振幅という特性から、信号としては扱いにくいものである。ＬＶＤＳ信号を扱うテストの方法としては、特許文献１に記載されたものがある。

また、ＬＤドライバー用ＩＣでは、自己が駆動したレーザダイオード（ＬＤ）の発光量をモニターして帰還し、発光強度を自動制御する機能、いわゆるオートパワーコントロール機能（ＡＰＣ）がある。こういった機能の試験については、実際のアプリケーションと同様、使用するＬＤを使って発光させ、また、実際に使用するフォトダイオードを使って受光させ、フォトダイオードの出力を帰還させて試験がなされる。

オートパワーコントロール（ＡＰＣ）のテストをするには、ＬＤの発光のタイミングに合わせて、発光強度に対応した信号を生成し、完全にリアルタイムでデバイスに入力する必要がある。

オートパワーコントロールのテストの方法としては、まず、第１の方法として、テスターからＬＤドライバー用ＩＣに直に入力してテストする方法がある。この方法は、デバイスの出力信号をテスターに入力する。そして、デバイスの出力振幅（強度）を測定し、測定値に応じたデバイスへの帰還値を算出する。デバイスの出力信号に同期させて、帰還信号を生成し、デバイスへ入力するものである。

上記した第１の方法では、遅延が大きく、間に合わないという問題がある。即ち、デバイスの出力信号に同期させたり、リアルタイムで信号を帰還させたりできる汎用テスターは少なく、仮に、可能であってもデバイスの信号出力からデバイスへの信号入力までの遅延時間が極端に大きくなるので、実質この方法ではテストは不可能である。

第２の方法としては、光電変換素子を使用するものである。図１０に示すように、デバイス（ＬＤドライバー用ＩＣ）１００のアプリケーションで実際に使用される、または、類似特性の光電変換素子１０１を使用する。デバイスの１００出力をＬＥＤ１０２に入力し、発光させる。ＬＥＤ１０２から出た光をフォトダイオード（ＰＤ）１０１にあてる。ＰＤ１０１で変換した電気信号をデバイス１００に入力するものである。

上記した第２の方法では、変換特性のコントロールが難しく、素子の劣化が生じるという問題がある。また、ＬＥＤ１０２からＰＤ１０１への光電変換による信号伝達は、利得の設定が難しく、ＬＥＤ１０２に１ｍＡ流せば、ＰＤ１０１には１μＡ、ＬＤ１０２に１００ｍＡならＰＤ１０１には１００μＡが必ず流れるとうような制御ができず、使用する素子毎に変換特性が変化する。この変化に合わせて測定条件を設定することになるが、うまくいっても素子を交換する度に条件設定のやり直しになり、大変な労力が必要になる。

また、条件設定をやり直しても特性は微妙にずれ、素子交換の前後で異なる測定結果となりやすい。その他にＬＤの閾値電流についても使用したＬＥＤ１０２の持つ閾値にかぎられるため、閾値を変化させてデバイスの能力測定を行うには、その都度、素子を交換して測定しなければならないが、この時、閾値以外の特性も変化してしまうという問題がある。

第３の方法としては、変換回路１１０を使用する。デバイス１００のアプリケーションで実際に使用される素子の動作に似せて、変換回路１１０を作製し、変換回路１１０にて出力電流の一部をデバイス１００に帰還させるものである。図１１に示すものは、発光電流はカレントミラー回路１１１によりＩ１に変換される。発光電流＝Ｉ１は、再度カレントミラー回路１１１により、Ｉ２に変換される。電流Ｉ３はＩ２−Ｉ４となり、電流Ｉ４に閾値電流を設定しておけば、電流Ｉ３は発光電流−閾値電流となる。トランジスタＱ１とトランジスタＱ２の比を１００対１にすればＩ５＝０．０１×（発光電流−閾値電流）なるモニター電流が得られる。

上記した第３の方法では、カレントミラー用トランジスタの特性差やアーリー効果による誤差が生じ、必ずしも計算通りの結果は得られないという問題がある。また、大電流を扱うため、発熱による特性変化も起こり得る。
特開２００２０４８８４３号公報

上記したように、ＬＤドライバー用ＩＣの動作性能を保証するためには、約１ｎｓ程度の高速パルス電流を評価する必要があり、１ｎｓ程度の高速パルスを作成するためには、１ＧＨｚ程度の高速信号発生器が必要となり、量産試験をする上で、大変なコスト増になるという問題がある。

特許文献１には、ＬＶＤＳ信号を用いたデバイスを汎用テスターでテストが行えるように、デジタル信号をＬＶＤＳ信号に変換する方法が開示されているが、この特許文献１では、スピードや回路構成については何ら開示されておらず、結局、ＬＶＤＳ信号と全く同じ、レイトのデジタル信号をテスターで扱うことが示されているだけで、１ｎｓ程度の高速パルスを作成ことは困難である。

この発明は、ランダムデータを扱うものではなく、１ｎｓの高速パルスの入力を低速の設備で実現することを目的とし、それに対応するアナログ出力、やはり１ｎｓ程度のパルスを評価することを目的とする。

即ち、この発明では、２０ＭＨｚ程度の安価な試験設備を使用し、１ｎｓ程度の高速パルス入力を試験デバイスに与えることができる試験方法を提供することを第１の目的とするものである。

上記したように、ＬＤのドライバーには、発光出力をコントロールするためのＡＰＣ（オートパワーコントロール）機能が有り、実際の製品では、レーザーダイオードを発光させ、モニター用のフォトダイオードを使って光電変換してドライバーＩＣへ信号レベルをフィードバックしている。

また、実際にドライバーが駆動するダイオードの特性には閾値電流と微分量子効率というパラメータがあり、ドライバーの性能としては、こうしたパラメータの変化をも保証しなければならないため、閾値電流や微分量子効率といった部品の特性を変化させて試験を実施しなければならない。

試験用の負荷として、実際のダイオードを使用し、フォトダイオードで帰還をすると、先述の特性は負荷に使用したレーザーダイオードやフォトダイオードに束縛され、所望の試験ができなくなる上、負荷の特性劣化などにより、信頼性も確保が困難となる。

この発明は、１ｎｓ程度の高速パルス入力を試験デバイスに与えるとともに、この発光出力をコントロールするためのＡＰＣ（オートパワーコントロール）機能を最適な状態で試験できる方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、差動入力信号を受けてレーザーダイオードの点灯を制御するレーザーダイオードドライバー用集積回路の試験方法であって、差動信号を構成する正入力、負入力のそれぞれの入力電圧レベル及び信号変化のタイミングをずらして、レーザーダイオードドライバー用集積回路に与え、正転、反転エッジのずれ分だけの幅を持った差動入力によりテストを行うと共に、上記レーザーダイオードドライバー用集積回路によって、２０ＭＨｚの試験設備を使用した上記正入力、負入力から、１ｎｓの高速パルス入力の上記差動入力を得るようにすることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、差動入力信号を受けてレーザーダイオードの点灯を制御するレーザーダイオードドライバー用集積回路の試験方法であって、レーザーダイオードドライバー用集積回路のレーザーダイオード駆動電流出力端子とモニター端子との間に、負荷抵抗と、外部設定電圧によりオフセット電流が調整可能な電圧−電流変換回路と、所定の電位に固定された抵抗とからなるレーザー光量帰還回路を設け、差動信号を構成する正入力、負入力のそれぞれの入力電圧レベル及び信号変化のタイミングをずらして、レーザーダイオードドライバー用集積回路に与え、正転、反転エッジのずれ分だけの幅を持った差動入力に基づいたレーザーダイオード駆動電流に基づいて前記レーザー光量帰還回路によるモニターを行うと共に、上記レーザーダイオードドライバー用集積回路によって、２０ＭＨｚの試験設備を使用した上記正入力、負入力から、１ｎｓの高速パルス入力の上記差動入力を得るようにし、また、上記電圧−電流変換回路に、−端子がレーザーダイオードドライバー用集積回路のレーザーダイオード駆動電流出力端子に接続され、＋端子に外部設定電圧が与えられ、出力が−端子に帰還接続されると共に、上記所定の電位に固定された抵抗に接続された第一の増幅器と、＋端子が上記所定の電位に固定された抵抗に接続され、出力が−端子に帰還接続されると共に、上記第一の増幅器の＋端子に接続された第二の増幅器とを有するものを用いることを特徴とする。

請求項１に記載の発明では、２０ＭＨｚ程度の安価な試験設備を使用し、差動入力の際の入力レベル、及び立ち上がり等のタイミング設定をずらすことで、１ｎｓ程度の高速パルス入力を試験デバイスに与えることができる。

請求項２に記載の発明では、上記構成の電圧−電流変換回路に、外部より電圧を入力することで、回路内のオフセット調整機能により閾値電流を制御できる。また、試験回路に使用した抵抗値の設定を変えることで回路の利得を変化させ微分量子効率を制御して、さまざまな条件での試験が可能になる。

以下、この発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。
図１は、ＬＤドライバー用ＩＣの入出力関係を示すブロック図である。ＬＤドライバー用ＩＣ１には、ＬＶＤＳ信号が与えられる。図１で、ＤＡＴＡ１、ＤＡＴＡ１Ｂは、それぞれ入力差動信号の正転、反転端子を示す。ＬＤ１は出力端子で、この端子の駆動電流の変化により、レーザーダイオード２が点灯または消灯する。

通常の差動信号の入力方法を図２に示す。図２では、ＤＡＴＡ１及びＤＡＴＡ１Ｂは同じ、ＨＩ／ＬＯレベルを持ったデジタル信号である。

また、正転側の信号の立ち上がりエッジあるいは立ち下がりエッジは、それぞれ反転側の立ち下がりエッジあるいは立ち上がりエッジと同期している。図の差動入力というのは信号を受けとるデバイス側の認識である。

差動入力は、信号を受けとるデバイス側、この実施形態では、ＬＤドライバー用ＩＣ１側から見ると、結局（ＤＡＴＡ１−ＤＡＴＡ１Ｂ）であるので、図２で（ＤＡＴＡ１−ＤＡＴＡ１Ｂ）を考察すれば、結局デバイス内部の認識では正転側の信号と等価である。

次に、この実施形態における差動入力の方法を図３に示す。図３では、ＤＡＴＡ１及びＤＡＴＡ１Ｂは通常の差動信号のような正転、反転の信号ではなく、それぞれ異なるＨＩ／ＬＯレベルを持ったデジタル信号にしている。

但し、この２つの信号の立ち上がりエッジあるいは立ち下がりエッジは、図で示すように、少しずらしてある。図の差動入力というのは信号を受けとるデバイス側の認識である。

差動信号は信号を受けとるデバイス側から見ると、結局（ＤＡＴＡ１−ＤＡＴＡ１Ｂ）であるので、図３で（ＤＡＴＡ１−ＤＡＴＡ１Ｂ）を考察すれば、結局デバイス内部の認識では、正転反転エッジのずれ分だけの幅を持った差動入力がなされたこととなる。

従って、この方法ではテストレイトではなく、エッジの解像度に準じたパルス幅の入力が可能になる。

図４は、入力レベル及び正転、反転のタイミングのずらし方を変えたものである。このように、各パラメータを調整することで負論理の高速パルス生成も可能である。

図５にＡＰＣ機能を含めた入出力を示す。図５でＤＡＴＡ１、ＤＡＴＡ１Ｂより入力された信号に従ってＬＤ１端子に電流が発生し、ＬＤ１端子電流に従って、ＬＤ２が発光する。発生した光を別途設けられたＰＤ（フォトダイオード）４により電流に変換しモニター端子ＰＤ１へ帰還することでＡＰＣ機能が達成可能となる。

実際のＬＤ駆動電流を図６に示す。与えられた差動信号に対して一定の遅延後、ＬＤ１端子にはＬＤ駆動電流が発生する。

図６でＬＤの駆動電流は、ＩＴＨ（閾値電流）及び発光電流の２段階の値をもっており、レーザーダイオードの駆動は、これらを高速に変化させる動作となる。

レーザーダイオードの特性は、図７に示すようなもので、閾値電流及び微分量子効率といったパラメータを持っている。図７には２つの特性の異なるレーザーダイオードを示している。

図７の特性より、レーザーダイオードの発光は閾値電流を超えてからであり、その後、微分量子効率に従った発光強度を示すことになる。実際の発光制御では、あらかじめ閾値電流をあたえておくことにより、極めて高速な動作が可能となる。そういった意味から、前記した図６のＬＤ駆動電流の波形では、閾値電流（ＩＴＨ）が事前に出力されている。

ＡＰＣ機能を含めた検査をする場合、ＬＤ１端子に接続する素子としては、抵抗負荷が望ましい。負荷がダイオードだとＩＴＨ及び発光電流の電流差がダイオード電圧にはほとんど反映されないため、ファンクション試験ができなくなる。

抵抗負荷を設定して、発光強度をモニターする回路を図８に示す。図８に示すように、デバイス１のＬＤ１端子とモニター端子ＰＤ１との間に、レーザー光量帰還回路３を設ける。このレーザー光量帰還回路３は、負荷抵抗ＲＬと、抵抗Ｒ１〜Ｒ５と増幅器ＯＰ１、ＯＰ２で構成された外部設定電圧ＶＴＨによりオフセット電流が調整可能な電圧−電流変換回路３０と、所定の電位に固定された抵抗Ｒ６とで構成されている。

ＬＤ１端子に負荷抵抗ＲＬが接続され、更にＬＤ１端子と増幅器ＯＰ１の−端子が抵抗Ｒ１を介して接続されている。そして、増幅器ＯＰ１の＋端子には外部設定電圧ＶＴＨが抵抗Ｒ４を介して与えられる。増幅器ＯＰ１の出力と−端子との間には帰還抵抗Ｒ２が設けられている。電源電位ＶＣＣは抵抗Ｒ６を介して増幅器ＯＰ２の＋端子と接続され、また増幅器ＯＰ１の出力は抵抗Ｒ５を介して抵抗Ｒ６と増幅器ＯＰ２の＋端子との間に接続される。抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ５との接続点とモニター端子ＰＤ１とが接続される。

増幅器ＯＰ２の−端子は出力と帰還接続され、出力は抵抗Ｒ３を介して増幅器ＯＰ１の＋端子に与えられる。抵抗Ｒ４にはコンデンサＣ２が、抵抗Ｒ５にはコンデンサＣ１が、並列に接続されている。

この図８に示すレーザーの光量帰還回路３は、回路の利得を変更させるため、抵抗Ｒ５，Ｒ６にそれぞれ抵抗Ｒ５１，Ｒ６１を並列に接続し、パラメータ変更用スイッチＳ１，Ｓ２で抵抗値を切り替え可能に形成している。

図８で、出力負荷をＲＬ、ＬＤ１出力電流をＩＬとすると、ＲＬは１０〜２０Ω程度となるので、Ｒ１を１０ｋΩ程度に設定すれば、ほぼ、
ＶＬ＝ＩＬ×ＲＬ（１）
である。

パラメータ変更用スイッチＳ１，Ｓ２を開放した状態で、図８より、以下の関係が成立する。

ＶＲＥＦ＝（Ｒ３・ＶＴ＋Ｒ４・ＶＯ３）／（Ｒ３＋Ｒ４）（２）
ＶＯ１＝−（Ｒ２／Ｒ１）・（ＶＬ−ＶＲＥＦ）＋ＶＲＥＦ（３）
ＶＯ２＝ＶＯ１＋Ｒ５・ＩＯＵＴ（４）
＝ＶＣＣ-Ｒ６・ＩＯＵＴ（５）
ＶＯ３＝ＶＯ２（６）

上記（２）〜（６）より、ＶＯ１、ＶＯ２、ＶＯ３、ＶＲＥＦを消去すると、
ＶＣＣ｛１−（（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１）・（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４））｝−ＩＯＵＴ｛Ｒ５＋Ｒ６−（（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１）・（Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４））・Ｒ６｝
＝−（Ｒ２／Ｒ１）・ＶＬ＋（（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１）・（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４））・ＶＴ（７）
となる。

ここで、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒを選ぶと、次式を得る。
−Ｒ５・ＩＯＵＴ＝−ＶＬ＋ＶＴ（８）

ここで、ＶＴ＝ＴＨ・ＲＬとおけば、（１）、（８）より、
ＩＯＵＴ＝（ＲＬ／Ｒ５）（ＩＬ−ＩＴＨ）（９）

（９）式より、増幅器の電源をＶＣＣに固定しておけば、逆流電流は発生できず、この回路の出力電流はＩＴＨのオフセットを持つことになる。

デバイス１のＰＤ１端子への帰還電圧ＶＰＤは、ＶＣＣを基準に定義すれば
ＶＰ＝ＩＯＵＴ・Ｒ６（１０）
なので、ここに、（９）を代入して
ＶＰＤ＝ＲＬ・（Ｒ６／Ｒ５）・（ＩＬ−ＩＴＨ）（１１）
となるＰＤ端子モニター電圧を得る。

この特性を図９に示す。図９の特性は、図７に示したレーザーダイオードの特性と等価である。閾値電流ＩＴＨはそのまま（１１）式のＩＴＨであり、これは、負荷抵抗と掛け合わせた電圧値をＶＴに与えることで自由に実現できる。

また、微分量子効率に相当するのは、回路の利得であり、（１１）式の（Ｒ６／Ｒ５）の抵抗値を変化させることで複数の特性を実現可能である。

具体的には、図８に示した回路図中の抵抗Ｒ５，Ｒ６に並列に接続した抵抗Ｒ５１，Ｒ６１などを、Ｓ１，Ｓ２スイッチなどで切り替えればよい。

上記のように、デバイス１のＬＤ１端子とモニター端子ＰＤ１との間に、レーザー光量帰還回路３を設け、ＤＡＴＡ１、ＤＡＴＡ１Ｂにそれぞれ異なるＨＩ／ＬＯレベルを使用し、立ち上がり立ち下がりエッジをずらずことにより、２０ＭＨｚ程度のデジタルパターン発生器でもエッジの設定解像度程度の幅の入力パルスをデバイスに認識させることができる。

レーザードライバー用ＩＣのＡＰＣ機能を実現するため、図８に示したレーザー光量帰還回路３により、レーザーダイオードの閾値電流特性を回路のオフセットにより与えることが出来、電圧調整によって自由に設定可能となっている。また、微分量子効率の特性も回路の利得により変化させることが出来るため、様々なダイオードの特性をテスト条件として簡単に与えることが出来る。

ＬＤドライバー用ＩＣの入出力関係を示すブロック図である。ＬＤドライバー用ＩＣに与える通常の差動入力を示す図である。この発明にかかるＬＤドライバー用ＩＣに与える差動入力の一例を示す図である。この発明にかかるＬＤドライバー用ＩＣに与える差動入力の一例を示す図である。ＬＤドライバー用ＩＣのＡＰＣ機能を示すブロック図である。ＬＤ出力を示す図である。レーザーダイオード特性を示す特性図である。この発明にかかるテスト回路を示すブロック図である。この発明のテスト回路の変換特性を示す図である。従来のオートパワーコントロールのモニターの一例を示すブロック図である。従来のオートパワーコントロールのモニターの一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ＬＤドライバー用ＩＣ（測定デバイス）
２レーザーダイオード
３レーザー光量帰還回路
４フォトダイオード

Claims

差動入力信号を受けてレーザーダイオードの点灯を制御するレーザーダイオードドライバー用集積回路の試験方法であって、
差動信号を構成する正入力、負入力のそれぞれの入力電圧レベル及び信号変化のタイミングをずらして、レーザーダイオードドライバー用集積回路に与え、正転、反転エッジのずれ分だけの幅を持った差動入力によりテストを行うと共に、
上記レーザーダイオードドライバー用集積回路によって、２０ＭＨｚの試験設備を使用した上記正入力、負入力から、１ｎｓの高速パルス入力の上記差動入力を得るようにすることを特徴とするレーザーダイオードドライバー用集積回路の試験方法。
差動入力信号を受けてレーザーダイオードの点灯を制御するレーザーダイオードドライバー用集積回路の試験方法であって、
レーザーダイオードドライバー用集積回路のレーザーダイオード駆動電流出力端子とモニター端子との間に、負荷抵抗と、外部設定電圧によりオフセット電流が調整可能な電圧−電流変換回路と、所定の電位に固定された抵抗とからなるレーザー光量帰還回路を設け、差動信号を構成する正入力、負入力のそれぞれの入力電圧レベル及び信号変化のタイミングをずらして、レーザーダイオードドライバー用集積回路に与え、正転、反転エッジのずれ分だけの幅を持った差動入力に基づいたレーザーダイオード駆動電流に基づいて前記レーザー光量帰還回路によるモニターを行うと共に、
上記レーザーダイオードドライバー用集積回路によって、２０ＭＨｚの試験設備を使用した上記正入力、負入力から、１ｎｓの高速パルス入力の上記差動入力を得るようにし、
また、上記電圧−電流変換回路に、
−端子がレーザーダイオードドライバー用集積回路のレーザーダイオード駆動電流出力端子に接続され、＋端子に外部設定電圧が与えられ、出力が−端子に帰還接続されると共に、上記所定の電位に固定された抵抗に接続された第一の増幅器と、
＋端子が上記所定の電位に固定された抵抗に接続され、出力が−端子に帰還接続されると共に、上記第一の増幅器の＋端子に接続された第二の増幅器とを有するものを用いることを特徴とするレーザーダイオードドライバー用集積回路の試験方法。