JP4814595B2 - 制御用増幅回路 - Google Patents

Description

本発明は、レーザダイオード等の制御対象を制御するための制御用増幅回路に関するものである。

光ディスク装置や光磁気ディスク装置においては、メディアに記録された情報を正確に再生・記録するための各種の制御が行われる。例えば光ディスク装置の制御としては、ディスクに照射されるレーザ光の焦点を適正に調節するフォーカシング制御、レーザ光照射位置をトラックの中心に合わせるトラッキング制御、レーザダイオードの発光強度を適正な出力に制御するレーザパワー制御（例えば特許文献１参照）等が挙げられる。

以下に上記レーザパワー制御の従来例について説明する。図４は、光ディスク装置の制御用増幅回路３０の全体構成を示すものである。この制御用増幅回路３０には、レーザダイオード３１、フォトダイオード３２、差動増幅器としての電流電圧変換回路（電流電圧変換アンプ）３３、帰還抵抗３４、レーザダイオードパワー制御回路３５、及びディジタル信号処理プロセッサ３６が設けられている。また、前記電流電圧変換回路３３の非反転入力端子には、参照電圧Ｖref（例えば２．２Ｖ）が入力されている。

この光ディスク装置のレーザパワー制御では、まず、ディジタル信号処理プロセッサ３６が光ディスクの記録・再生を行うための最適なパルス波形をレーザダイオードパワー制御回路３５に送る。この際、レーザダイオードパワー制御回路３５には、電流電圧変換回路３３の初期オフセット情報、即ち電流電圧変換回路３３のオフセット電圧が与えられる。レーザダイオードパワー制御回路３５は、このオフセット電圧に基づいて、最適な記録／再生波形及びレーザ駆動電流をレーザダイオード３１へ出力する。その結果、レーザダイオード３１は、最適な発光強度で光ディスクにレーザを照射する。このレーザ照射時に生じる光は、フォトダイオード３２によって電流に変換され、この電流が電流電圧変換回路３３の帰還抵抗３４によって出力電圧Ｖoutに変換される。この出力電圧Ｖoutは、レーザダイオードパワー制御回路３５にフィードバックされ、この出力電圧Ｖoutに応じてレーザダイオード３１へのレーザ駆動電流の調節が行われる。

以上のように、この光ディスク装置の制御用増幅回路３０では、電流電圧変換回路３３から成る差動増幅器の初期オフセット情報を基準とし、出力電圧Ｖoutに応じてレーザダイオード３１の発光強度をフィードバック制御することで、レーザダイオード３１の発光強度を最適な状態に維持するようにしている。その結果、例えば図５(Ａ)に示すようにレーザダイオード３１のレーザ発光パルス（レーザ駆動電流）が一定となり、図５(Ｂ)に示すように光ディスクに正確なマークが形成される。
特開２００５−５６９６５号公報

ところが、このような制御用増幅回路３０のレーザパワー制御において、周囲の温度が変動すると電流電圧変換回路３３のオフセット電圧も変化してしまう。具体的に、例えば周囲の温度上昇に伴い前記オフセット電圧が高くなると、レーザダイオードパワー制御回路３５への出力電圧Ｖoutのパルス波形のピークレベルも上昇する。その結果、レーザダイオードパワー制御回路３５は、レーザダイオード３１の発光強度が所定の発光強度を上回っていると誤認識し、発光強度を低減変化させるようにレーザダイオード３１へレーザ駆動電流を出力する。したがって、例えば図６に示すように、レーザダイオード３１の発光強度が最適な状態であるにも拘わらず、この発光強度が低下してしまい、光ディスクに正確なマークを形成できなくなってしまう。

また、上述したフォーカス制御やトラッキング制御についても、図４と同じような制御用増幅回路を適用することが考えられる。しかしながら、この場合にも、温度変動に伴って差動増幅器のオフセット電圧が変化すると、レーザ光の焦点や位置が変化してしまうため、上述のレーザパワー制御と同様に、光ディスクの正確な記録・再生ができなくなってしまう恐れがある。

本発明は斯かる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、温度変動に伴う差動増幅器のオフセット電圧変動に起因する制御誤差を抑制できる制御用増幅回路を提供することである。

第１の発明は、制御対象の動作状況を検知するセンサの検知信号と、参照信号とが入力される差動増幅器と、前記差動増幅器の出力電圧に基づいて制御対象へ制御信号を出力する制御信号出力回路とを備えた制御用増幅回路を前提としている。そして、この制御用増幅回路は、前記差動増幅器へ参照信号を出力する参照信号出力回路と、前記制御信号出力回路にパルス波形を送るデジタル信号処理プロセッサとを備え、前記参照信号出力回路の温度特性は、前記差動増幅器のオフセット電圧の温度変動を抑制するように設定され、前記制御信号出力回路は、前記デジタル信号処理プロセッサによりパルス波形が入力された後に前記制御信号の出力を行う制御用増幅回路において、前記参照電圧出力回路は、入力端子と出力端子との間に、それぞれ共通のベースを有する、一組のＮＰＮ型トランジスタ対及び一組のＰＮＰ型トランジスタ対が接続されたプッシュプル回路で構成され、前記ＮＰＮ型トランジスタ対のエミッタ面積比及び前記ＰＮＰ型トランジスタ対のエミッタ面積比が、前記差動増幅器のオフセット電圧の温度特性に応じて、前記プッシュプル回路から出力される参照電圧に正又は負の温度特性を与えるように、設定されていることを特徴とするものである。

第１の発明では、差動増幅器の入力側に参照信号出力回路が接続される。この参照信号出力回路は、温度変化に伴う差動増幅器のオフセット電圧の変動、即ちオフセット電圧の温度変動をキャンセルするための温度特性が設定される。このため、参照信号出力回路からはオフセット電圧とは逆の温度特性となる参照信号が差動増幅器に出力される。その結果、差動増幅器からは、温度変化に起因するオフセット電圧の変動がキャンセルされた出力電圧Ｖoutが制御信号出力回路に出力される。制御信号出力回路は、このようにオフセット電圧の温度変動が補償された出力電圧Ｖoutに基づいて制御信号を制御対象に出力し、制御対象を制御する。

また、差動増幅器の入力側に前記参照電圧出力回路を構成するプッシュプル回路が接続される。このプッシュプル回路では、ＮＰＮ型トランジスタ対やＰＮＰ型トランジスタ対のエミッタ面積比を変更すると、プッシュプル回路の出力端子から出力される参照信号の温度特性も変化する。したがって、差動増幅器のオフセット電圧の温度特性に応じてエミッタ面積比を設定することで、オフセット電圧の温度変動がキャンセルされる。

第２の発明は、第１の発明の制御用増幅回路において、前記差動増幅器は、レーザダイオードの発光強度を検知するフォトダイオードの検知信号を電流電圧変換するように構成され、前記制御信号出力回路は、前記差動増幅器の出力電圧に基づいて前記レーザダイオードの発光強度の制御信号を出力するように構成されていることを特徴とするものである。

第２の発明では、第１の発明の制御用増幅回路が光ディスク装置のレーザダイオードの発光強度の制御（レーザパワー制御）に用いられる。

本発明によれば、差動増幅器のオフセット電圧を参照電圧出力回路の参照信号によってキャンセルできるので、温度変化に伴うオフセット電圧の変動に起因する制御対象の制御誤差を抑制できる。

また、プッシュプル回路の各トランジスタ対のエミッタ面積比を任意の面積比に設定することで、プッシュプル回路からオフセット電圧の変動をキャンセルできる参照信号を容易に出力することができる。

更に、第２の発明によれば、オフセット電圧変動に起因する制御誤差を解消してレーザダイオードの発光強度を最適に維持することができるので、このレーザダイオードで光ディスクに正確な記録・再生を行うことができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態の制御用増幅回路は、光ディスク装置のレーザ駆動用回路に適用されるものである。

図１に示すように、制御用増幅回路２０には、レーザダイオード２１、フォトダイオード２２、電流電圧変換回路（電流電圧変換アンプ）２３、帰還抵抗２４、レーザダイオードパワー制御回路２５、及びディジタル信号処理プロセッサ２６が設けられている。また、前記電流電圧変換回路２３の参照電圧側には、本発明の参照信号出力回路を構成するプッシュプル回路２７が接続されている。

レーザダイオード２１は、光ディスクにレーザを照射し、光ディスクの記録・再生を行うものであって、制御用増幅回路の制御対象を構成している。フォトダイオード２２は、レーザダイオード２１の発光時の光を検出して電流に変換するものであって、レーザダイオード２１の発光強度を検知するセンサを構成している。電流電圧変換回路２３は、フォトダイオード２２の検知信号（出力電流）が入力されて、この電流を帰還抵抗２４を介して出力電圧Ｖoutに変換するものであり、本発明の差動増幅器を構成している。ディジタル信号処理プロセッサ２６は、光ディスクを記録・再生するための最適なパルス波形をレーザダイオードパワー制御回路２５に送るものである。レーザダイオードパワー制御回路２５は、ディジタル信号処理プロセッサ２６のパルス波形が入力された後、電流電圧変換回路２３のオフセット情報を基準として最適な制御信号（最適な記録・再生波形とレーザ駆動電流）をレーザダイオード２１へ出力するものである。以上のような構成の制御用増幅回路２０では、光ディスク装置の動作時に、フォトダイオード２２の検知信号が、電流電圧変換回路２３を介してレーザダイオードパワー制御回路２５にフィードバックされる。その結果、制御用増幅回路２０によって、レーザダイオード２１の発光強度が適正に維持される。

ところで、電流電圧変換回路２３には、図２に示すように、差動増幅用のトランジスタ対１０，１１及び、定電流負荷のトランジスタ１２が接続されている。トランジスタ対１０，１１では、それぞれのベース電流Ｉb10、Ｉb11が同一であれば、両者は打ち消し合って、オフセット電圧は発生しない。しかし、両者が異なる場合（ミスマッチの場合）には、そのミスマッチが帰還抵抗２４を介してオフセット電圧を発生させる。ここで、電流電圧変換回路２３の周囲の温度が変化してベース電流のミスマッチも変化するので、このような場合にはオフセット電圧も変動してしまうことになる。

このような温度変化に起因する電流電圧変換回路２３（差動増幅器）のオフセット電圧の変動を補償（キャンセル）するため、本実施形態の制御用増幅回路２０には、上述のプッシュプル回路２７が設けられている。

図３に示すように、プッシュプル回路２７は、電流電圧変換回路２３の非反転入力端子Ｒｅｆ側に接続されている。このプッシュプル回路２７には、共通のベースを有する一組のＮＰＮ型トランジスタ対１６，１７と、同様に共通のベースを有する一組のＰＮＰ型トランジスタ対１８，１９と、定電流源１４，１５とが接続されている。また、同図において、Ｖrefはプッシュプル回路２７に入力される参照電圧源、Ｖrefoutはプッシュプル回路２７から電流電圧変換回路２３の非反転入力端子Ｒｅｆに出力される参照電圧（参照信号）を示している。

プッシュプル回路２７では、ＮＰＮ型トランジスタ対１６，１７及びＰＮＰ型トランジスタ対１８，１９についてのエミッタ面積比が、電流電圧変換回路２３のオフセット電圧の温度特性に応じて設定されている。つまり、プッシュプル回路２７では、共通のベースを有するトランジスタ対において、一方のトランジスタのエミッタ面積が、他方のトランジスタのエミッタ面積に対してＮ（任意）倍に設定されている。そして、このようにプッシュプル回路２７のエミッタ面積比を任意のＮ倍に設定すると、プッシュプル回路２７から出力される参照電圧Ｖrefoutに正又は負の温度勾配を与えることができる。

この点について、以下に具体例を示しながら詳細に説明する。プッシュプル回路２７の定電流源が供給する電流をＩcとし、各トランジスタ１６，１７，１８，１９についてのそれぞれのベース−エミッタ間電圧をそれぞれＶbe16 、Ｖbe17、Ｖbe18、Ｖbe19とし、飽和電流Ｉsは全て等しいとすると、各トランジスタのエミッタ電流Ｉeは一般的に下記の数式（１）で表される。

Ｉe＝Ｉs×ｅｘｐ(ｑＶbe／(ＫＴ))・・・・（１）
（但し、Ｉｓ；飽和電流，ｑ；電子の電荷，Ｋ；ボルツマン定数，Ｔ；絶対温度，Ｖbe；ベース−エミッタ間電圧）
トランジスタが理想的なものであり、ｈfe（電流増幅率）が無限大で、Ｉe＝Ｉc（コレクタ電流）とすると、上式（１）より下式（２）が成立する。

Ｖbe＝(ＫＴ／ｑ)ｌｎ(Ｉc/Ｉs)・・・・（２）
また、トランジスタのエミッタ面積をＡとすると、一般に、飽和電流Ｉsは下記数式（３）で表すことができる。

Ｉs＝γＡ（但し、γは比例定数）・・・・（３）
ここで、例えば図３のＰＮＰ型トランジスタ対１８，１９のエミッタ面積を同一の面積Ａとする一方、ＮＰＮ型トランジスタ対１６，１７について、トランジスタ１７のエミッタ面積をトランジスタ１６のエミッタ面積Ａに対して４倍（４Ａ）とし、トランジスタ１６，１７のベース電位をＶ1、トランジスタ１８，１９のベース電位をＶ2とすると、以下の関係式が成り立つ。

Ｖ1-Ｖ2＝Ｖbe16＋Ｖbe18
＝(ＫＴ／ｑ)ｌｎ(Ｉc／(ＡＩs))＋(ＫＴ／ｑ)ｌｎ(Ｉc／(ＡＩs))・・（４）
Ｖ1-Ｖ2＝Ｖve17＋Ｖbe19
＝(ＫＴ／ｑ)ｌｎ(Ｉx／(ＡＩs))＋(ＫＴ／ｑ)ｌｎ(Ｉx／(4ＡＩs))・・（５）
上式（４）＝（５）より図３に示すトランジスタ１７のコレクタ電流Ｉxを求めると、
Ｉx＝２Ｉcとなる。

ここで、プッシュプル回路２７の入出力関係は、Ｖrefout＝Ｖref＋Ｖbe16−Ｖbe17となるので、以下の式が成り立つ。

Ｖrefout＝Ｖref＋Ｖbe16−Ｖbe17
＝Ｖref＋(ＫＴ／ｑ)ｌｎ(Ｉc／Ｉs)−(ＫＴ／ｑ)ｌｎ(２Ｉc／４Ｉs）
＝Ｖref＋(ＫＴ／ｑ)ｌｎ((Ｉc・４Ｉs）／(Ｉs・２Ｉc)
＝Ｖref＋(ＫＴ／ｑ)ｌｎ２・・・・（６）
以上のようにして得られた式（６）よりプッシュプル回路２７に関して、以下のことがいえる。即ち、トランジスタ１７のエミッタ面積を４Ａとし、残りのトランジスタ１６，１８，１９のエミッタ面積をＡとした場合、プッシュプル回路２７から電流電圧変換回路２３に出力される参照電圧Ｖrefoutは、プッシュプル回路２７の入力Ｖrefと、正の温度係数を持った電圧（ＫＴ／ｑ）ｌｎ２との和となる。つまり、この例のように各トランジスタのエミッタ面積比を設定すると、電流電圧変換回路２３に入力される参照電圧Ｖrefoutに正の温度勾配を与えることができる。このような設定のプッシュプル回路２７を用いると、上述のトランジスタ対１０，１１のベース電流ミスマッチ（Ｉb10-Ｉb11）の温度ドリフトが負である場合、つまり電流電圧変換回路２３は、温度上昇に伴いオフセット電圧が低減変化する温度特性を有する場合について、オフセット電圧の温度特性を参照電圧Ｖrefoutによってキャンセルすることができる。その結果、電流電圧変換回路２３からはオフセット電圧の変動を補償した出力電圧Ｖoutがレーザダイオードパワー制御回路２５に出力されるので、制御用増幅回路２０によってレーザダイオード２１の発光強度を適正に制御することができる。

一方、例えばトランジスタ１９のエミッタ面積を４Ａとし、残りのトランジスタ１６，１７，１８のエミッタ面積をＡとした場合、プッシュプル回路２７から電流電圧変換回路２３に出力される参照電圧Ｖrefoutは、プッシュプル回路２７の入力Ｖrefと、負の温度係数を持った電圧（ＫＴ／ｑ）ｌｎ０．５との和となる。つまり、この例のように各トランジスタのエミッタ面積比を設定すると、電流電圧変換回路２３に入力される参照電圧Ｖrefoutに負の温度勾配を与えることができる。このような設定のプッシュプル回路２７を用いると、上述のトランジスタ対１０，１１のベース電流ミスマッチ（Ｉb10-Ｉb11）の温度ドリフトが正である場合、つまり電流電圧変換回路２３は、温度上昇に伴いオフセット電圧が増大変化する温度特性を有する場合について、オフセット電圧の温度特性を参照電圧Ｖrefoutによってキャンセルすることができる。

なお、参照電圧Ｖrefoutは、各トランジスタのエミッタ面積比に応じてその温度勾配が変化する。このため、電流電圧変換回路２３のオフセット電圧の温度特性に応じてエミッタ面積比を最適に設定することで、オフセット電圧の変動を効果的にキャンセルすることができる。

《その他の実施形態》
上述の実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態の制御用増幅回路２０では、一つの電流電圧変換回路２３が設けられているが、この電流電圧変換回路２３を制御用増幅回路２０に複数設ける構成としてもよい。この場合には、これら複数の電流電圧変換回路２３に対応するように上述のプッシュプル回路を設けることで、各電流電圧変換回路２３におけるオフセット電圧の温度変動をそれぞれキャンセルすることもできる。

また、上記実施形態では、レーザダイオードを制御対象とし、レーザダイオードの発光強度を制御する制御用増幅回路について、電流電圧変換回路２３の参照電源側に参照信号出力回路を構成するプッシュプル回路を接続している。しかしながら、例えばディスクに照射されるレーザ光の焦点を適正に調節するフォーカシング制御を行うための制御用増幅回路や、レーザ光照射位置をトラックの中心に合わせるトラッキング制御を行うための制御用増幅回路について、上記実施形態と同様に参照信号出力回路（プッシュプル回路）を適用するようにしてもよい。この場合にも、オフセット電圧変動に伴う制御誤差を抑制できるので、光ディスク装置において 光ディスクに正確な記録・再生を行うことができる。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本発明は、レーザダイオードのレーザパワー制御などを行うための制御用増幅回路について有用である。

本発明の実施形態に係る光ディスク装置の制御用増幅回路の全体構成を示す機能ブロック図である。 実施形態の電流電圧変換回路の具体構成を示す回路図である。 実施形態のプッシュプル回路の具体構成を示す回路図である。 従来例の光ディスク装置の制御用増幅回路の全体構成を示す機能ブロック図である。 (Ａ)は温度変動がない場合のレーザ発光パルスを示す波形図、(Ｂ)はその際にディスクに形成されるマークを示す模式図である。 (Ａ)は温度変動がある場合のレーザ発光パルスを示す波形図、(Ｂ)はその際にディスクに形成されるマークを示す模式図である。

２１ レーザダイオード
２２ フォトダイオード
２３ 電流電圧変換回路（差動増幅器）
２４ 帰還抵抗
２５ レーザダイオードパワー制御回路（制御信号出力回路）
２６ ディジタル信号処理プロセッサ
２７ プッシュプル回路（参照信号出力回路）

Claims (2)

1. 制御対象の動作状況を検知するセンサの検知信号と、参照信号とが入力される差動増幅器と、
   前記差動増幅器の出力電圧に基づいて制御対象へ制御信号を出力する制御信号出力回路と、
   前記差動増幅器へ参照信号を出力する参照信号出力回路と、
   前記制御信号出力回路にパルス波形を送るデジタル信号処理プロセッサとを備え、
   前記参照信号出力回路の温度特性は、前記差動増幅器のオフセット電圧の温度変動を抑制するように設定され、
   前記制御信号出力回路は、前記デジタル信号処理プロセッサによりパルス波形が入力された後に前記制御信号の出力を行う制御用増幅回路において、
   前記参照電圧出力回路は、入力端子と出力端子との間に、それぞれ共通のベースを有する、一組のＮＰＮ型トランジスタ対及び一組のＰＮＰ型トランジスタ対が接続されたプッシュプル回路で構成され、
   前記ＮＰＮ型トランジスタ対のエミッタ面積比及び前記ＰＮＰ型トランジスタ対のエミッタ面積比が、前記差動増幅器のオフセット電圧の温度特性に応じて、前記プッシュプル回路から出力される参照電圧に正又は負の温度特性を与えるように、設定されていることを特徴とする制御用増幅回路。
2. 請求項１記載の制御用増幅回路において、
   前記差動増幅器は、レーザダイオードの発光強度を検知するフォトダイオードの検知信号を電流電圧変換するように構成され、
   前記制御信号出力回路は、前記差動増幅器の出力電圧に基づいて前記レーザダイオードの発光強度の制御信号を出力するように構成されていることを特徴とする制御用増幅回路。

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