KR100656931B1 - 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치 - Google Patents

레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수십 ㎒ 이상의 고속 레이저 모듈레이션을 통해 레이저 디스플레이의 광원을 구현하되, 그 밝기를 조절함에 있어서 레이저 모듈레이션의 듀티 사이클 및 구동신호의 크기에 따라 2중으로 제어함으로써 밝기의 미세 조정이 가능하도록 한 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치에 관한 것이다.
본 발명의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치는 레이저 다이오드; 입력 구동신호로 주된 밝기 조정을 위한 가변 듀티 및 미세 밝기 조정을 위한 가변 진폭을 갖는 모듈레이션 신호를 발생시키는 D/A 변환기; 연산증폭기를 포함하여 이루어져서 상기 입력 구동신호를 상기 레이저 다이오드의 구동에 적합한 이득으로 증폭하여 조정하는 증폭부 및 상기 증폭부에서 증폭된 구동신호에 의해 레이저 다이오드를 고속으로 온 및 오프시키는 스위칭 트랜지스터를 포함하여 이루어져서 레이저 펄스트레인을 발생시키는 스위칭부를 포함하여 이루어진다.
레이저, 다이오드, 디스플레이, 듀티, 진폭, D/A 변환기, amplitude, 문턱전류

Description

레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치{Laser Diode Driving Apparatus for Laser Display}
도 1은 종래의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치의 문제점을 설명하기 위한 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치의 상세 회로도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1: 데이터 드라이버, 10: D/A 변환기,
30: 증폭부, 40: 스위칭부,
50: 임피던스 매칭부, 60: 구동전류 제한부,
70: 문턱전류 사전공급부, 80: 오토파워 조절부,
R1-R10, Rf: 저항, LD, LD1: 레이저 다이오드,
C1-C8: 콘덴서, VR1-VR3: 가변저항,
Q, Q1, Q2: 트랜지스터, U1: 연산증폭기,
PD: 포토 다이오드
본 발명은 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치에 관한 것으로, 특히 레이저 다이오드의 미세한 밝기 조절이 가능하고 레이저 다이오드를 안정적으로 구동할 수 있도록 한 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 레이저 디스플레이(Laser Display)라 함은 적/청/녹 3색의 레이저빔을 광변조기를 이용하여 영상 신호로 변조하고, 하나의 빔으로 합성한 후 광 편향기로 수직 및 수평 방향으로 편향시켜 화면에 투영시킴으로써 영상을 표현하는 장치를 말한다.
도 1은 종래의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치의 문제점을 설명하기 위한 블록 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치는 제어회로(미도시)에서 공급되는 펄스 구동신호를 입력받은 데이터 드라이버(1)가 레이저 다이오드(LD)와 직렬로 연결된 스위칭 트랜지스터(Q)를 반복적으로 온 및 오프시킴으로써 레이저 다이오드(LD)를 구동시키도록 되어 있는바, 이에 의해 레이저 다이오드(LD)에서는 레이저 펄스트레인을 발생시킨다. 여기에서, 레이저 다이오드(LD)의 밝기의 조절은 펄스 구동신호의 듀티 사이클에 의해서 결정되어지나, 레이저의 밝기를 미세 조정은 펄스 구동신호를 공급하는 제어장치의 속도에 의해 결정되게 된다.
그러나 종래의 모듈레이션 방식의 레이저 다이오드 구동장치는 수㎒ 정도의 속도로 레이저 다이오드를 구동할 수는 있었으나, 이와 같이 수㎒의 속도로 레이저 펄스트레인을 만들면서 밝기를 미세하게 조정하는 것은 불가능하였으며, 이에 따라 레이저 디스플레이의 픽셀에 해당하는 R/G/B 3색의 광량을 미세 조정하여 다른 색을 재현하는 장치에 적용하는 것에는 근본적인 한계가 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수십 ㎒ 이상의 고속 레이저 모듈레이션을 통해 레이저 디스플레이의 광원을 구현하되, 그 밝기를 조절함에 있어서 레이저 모듈레이션의 듀티 사이클 및 구동신호의 크기에 따라 2중으로 제어함으로써 밝기의 미세 조정이 가능하도록 한 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가 고속의 레이저 다이오드 구동을 위해 문턱전류를 미리 공급하고 레이저 구동전류와 레이저 다이오드의 밝기를 제어함으로써 일정한 레이저 다이오드의 출력을 보장할 수 있도록 한 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치는 레이저 다이오드; 입력 구동신호로 주된 밝기 조정을 위한 가변 듀티 및 미세 밝기 조정을 위한 가변 진폭을 갖는 모듈레이션 신호를 발생시키는 D/A 변환기; 연산증폭기를 포함하여 이루어져서 상기 입력 구동신호를 상기 레이저 다 이오드의 구동에 적합한 이득으로 증폭하여 조정하는 증폭부 및 상기 증폭부에서 증폭된 구동신호에 의해 레이저 다이오드를 고속으로 온 및 오프시키는 스위칭 트랜지스터를 포함하여 이루어져서 레이저 펄스트레인을 발생시키는 스위칭부를 포함하여 이루어진다.
이하에는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치의 상세 회로도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치는 크게 레이저 다이오드(LD1), 입력 구동신호로 주된 밝기 조정을 위한 가변 듀티 및 미세 밝기 조정을 위한 가변 진폭을 갖는 모듈레이션 신호를 발생시키는 D/A 변환기(10), 입력 구동신호를 레이저 다이오드(LD1)의 구동에 적합한 이득으로 증폭하여 조정하는 증폭부(30) 및 증폭부(30)에서 증폭된 구동신호에 의해 레이저 다이오드(LD1)를 고속으로 온 및 오프시켜서 레이저 펄스트레인을 발생시키는 스위칭부(40)를 포함하여 이루어질 수 있다.
나아가, 본 발명의 레이저 다이오드 구동장치에는 입력 구동신호에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭부(50), 레이저 다이오드(LD1)의 구동전류를 제한하는 구동전류 제한부(60); 레이저 다이오드(LD1)의 출력광의 밝기를 일정범위로 유지시키는 오토파워 조절부(80) 및 레이저 다이오드(LD1)의 구동을 위한 문턱전류를 미리 공급하여 문턱전류에 이르는 시간을 단축시키는 문턱전류 사전공급부(70)를 더 구비할 수도 있다.
전술한 구성에서, 증폭부(30)는 일반적인 연산증폭기 중에서 특히 고주파에서 응답특성이 우수한 것으로 이루어지는 연산증폭기(U1), 연산증폭기(U1)의 반전(-) 입력단자 및 비반전(+) 입력단자에 연결되어 이득을 결정하는 회로소자인 저항(R2),(R3),(Rf), 연산증폭기(U1)의 일 전원공급단자(VCC)와 접지단자 사이에 연결되는 콘덴서(C1),(C2) 및 타 전원공급단자(VEE)와 접지단자 사이에 연결되는 콘덴서(C3),(C4)를 포함하여 이루어질 수 있는데, 이러한 콘덴서(C1-C4)는 고속 동작하는 연산증폭기(U1)의 안정된 작동을 위해 보다 높은 안정도를 갖는 전원을 공급하게 하는 디커플링(Decoupling) 기능을 담당한다. 증폭부(30)에는 또한 전원공급단자(VCC)와 접지단자 사이에 저항(R5) 및 가변저항(VR1)이 직렬로 연결되어 있는데, 이는 입력 구동신호가 너무 크게 들어올 경우 레이저 다이오드(LD1)가 파손되는 것을 방지하기 위해서 출력신호를 일정한 범위 내에서 제한하는 역할을 담당한다.
스위칭부(40)는 레이저 다이오드(LD1)를 고속으로 온 및 오프시키는 스위칭 트랜지스터(Q1)와 그 주변 회로소자로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 베이스 단자는 전류제한 저항(R6)을 개재하여 연산증폭기(U1)의 출력단자에 연결되고, 그 콜렉터 단자에는 레이저 다이오드(LD1)가 연결되어 있다. 그리고 저항(R6)에는 병렬로 콘덴서(C6)가 연결되어 연산증폭기(U1)에서 출력되는 구동신호를 스피드-업시킨다. 결국 레이저 다이오드(LD1)의 밝기와 정도는 고속 연산증폭기(U1)에 의해서 안정되게 정형화된 구동신호에 의해서 정밀제어가 가능하게 된다. 스위칭부(40)에서 레이저 다이오드(LD1)의 전원공급단자(VLD)와 접지단자 사이에 직렬 연결된 저항(R7) 및 콘덴서쌍(C7),(C8)은 레이저 다이오드(LD1)를 직접 구동하는 트랜지스터(Q1)의 컬렉터 전압의 회복속도를 빠르게 하여 트랜지스터(Q1)가 고속에서 안정되게 작동하기 위해서 설치된다.
임피던스 매칭부(50)는 D/A 변환기(10)로부터의 구동신호가 입력되는 제어 입력단자(CN1)의 후단에 접지된 채로 연결되는 저항(R1)으로 구현될 수 있다.
구동전류 제한부(60)는 스위칭 트랜지스터(Q1)의 에미터 단자와 접지단자 사이에 연결되고 그 양단의 전압이 연산증폭기(U1)의 반전(-) 입력단자에 연결된 저항(R10)으로 구현될 수 있는데, 레이저 다이오드(LD1)에 과도한 전류가 흐르게 되면 저항(R10)에 인가되는 전압은 규정치보다 높게 나타나게 될 것이며, 이 신호는 연산증폭기(U1)의 반전(-) 입력으로 공급되어 입력 구동신호의 크기를 낮추고 결국 레이저 다이오드(LD1) 구동신호를 낮춤으로써 폐회로 구성에 의한 레이저 다이오드 보호 기능을 하게 한다.
오토파워 조절부(80)는 레이저 다이오드(LD1)에 인접하여 설치(실제로는 도 2에 도시한 바와 같이 단일의 케이스에 레이저 다이오드와 함께 내장되어 있기에 편의상 전체를 레이저 다이오드(LD1)으로 도시하고 있다)되는 수광용의 포토 다이오드(PD)와 여기에 직렬로 연결된 가변저항(VR3)으로 이루어져서 레이저 다이오드(LD1)의 출력을 일정하게 유지시키는 APC(Auto Power Control) 기능을 수행한다. 구체적으로, 가변저항(VR3)은 레이저 다이오드(LD1)에 내장된 포토 다이오드(PD)의 전류를 측정하고 감시하여 과도한 레이저 다이오드(LD1)의 출력으로 인해 포토 다이오드(PD)의 전류가 정해진 전류량보다 증가하면 이를 전압으로 변환하여 연산증폭기(U1)의 반전(-) 입력단자에 공급하는 것에 의해 구동신호의 크기를 제한함으로 써 언제나 안정된 밝기의 레이저 다이오드(LD1) 출력을 유지하게 보장한다.
다음으로, 문턱전류 사전공급부(70)는 레이저 다이오드(LD1)에 연결되어 레이저 다이오드(LD1)에 문턱전류(Ith)를 미리 공급하는 트랜지스터(Q2)와 그 주변 회로소자를 포함하여 이루어질 수 있다. 구체적으로, 트랜지스터(Q2)의 콜렉터 단자에는 레이저 다이오드(LD1)가 연결되어 있고, 그 에미터 단자에는 저항(R8)이 연결되어 있는데, 이러한 저항(R8)의 저항치는 문턱전류(Ith)의 전류에 맞게 설정되서 저항(R9)과 가변저항(VR2)으로 이루어진 분압회로의 가변저항(VR2)의 저항치를 조정하고, 이에 의해 트랜지스터(Q2)의 베이스 전류를 제어하게 된다. 이에 의해 트랜지스터(Q2)의 에미터 전류가 제어되고, 결과적으로 레이저 다이오드(LD1)의 문턱전류(Ith)가 조정되게 된다.
이하에서는 본 발명의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치의 동작에 대해 설명한다.
먼저 D/A 변환기(10)에서 가변 듀티 및 미세 밝기 조정을 위한 가변 진폭을 갖는 구동신호가 출력되면, 이 신호는 임피던스 매칭부(50)의 저항(R1)에 의해 그 임피던스가 최적으로 매칭된 채로 제어 입력단자(CN1)를 통해서 증폭부(30)의 연산증폭기(U1)에 입력된다. 그러면, 연산증폭기(U1)에서는 이러한 입력 구동신호를 그 반전(-) 입력단자 및 비반전(+) 입력단자에 연결된 저항(R2),(R3),(Rf)에 의해 그 이득을 적절하게 조정하여 출력하게 되는데, 이 과정에서 입력 구동신호가 너무 크게 들어올 경우에 레이저 다이오드(LD1)의 파손을 방지하기 위해서 저항(R5)과 가변저항(VR1)에 의해 그 출력신호를 일정하게 제한하게 된다.
한편, 레이저 다이오드(LD1)를 구동하기 위해서는 문턱전류(Ith)보다 높은 전류가 흘러야 하는데, 레이저 다이오드(LD1)의 구동을 보다 빨리 하기 위해 본 발명에서는 문턱전류 사전공급부(70)에 의해 레이저 다이오드(LD1)에 문턱전류(Ith)를 미리 공급하게 된다. 즉, 가변저항(VR2)과 저항(R9)으로 구성된 분압회로에서 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자에 흐르는 전류 및 그 에미터 단자에 흐르는 전류를 제어하고, 이에 의해서 레이저 다이오드(LD1)의 문턱전류(Ith)를 조정하게 된다.
한편, 이와 동시에 연산증폭기(U1)의 출력은 스위칭부(40)의 트랜지스터(Q1)에 공급되어 이를 온 및 오프시킴으로써 레이저 다이오드(LD1)를 구동하게 되는데, 이 과정에서 전류제한 저항(R6)은 트랜지스터(Q1)의 베이스 전류를 제한하게 되고, 저항(R6)에 병렬로 연결된 콘덴서(C6)는 연산증폭기(U1)에서 출력되는 구동신호를 스피드-업시키며, 저항(R7) 및 콘덴서(C7),(C8)는 레이저 다이오드(LD1)를 직접 구동하는 트랜지스터(Q1)의 컬렉터 전압의 회복속도를 빠르게 하여 트랜지스터(Q1)가 고속에서 안정되게 작동되게 한다.
한편, 이렇게 레이저 다이오드(LD1)가 구동되는 과정에서 레이저 다이오드(LD1)에 과도한 전류가 흐르게 되면 구동전류 제한부(60)의 저항(R10)에 규정치 이상의 전압이 인가되게 되는데, 이렇게 인가된 전압 신호는 연산증폭기(U1)의 반전(-) 입력단자로 공급되어 입력 구동신호, 결과적으로 레이저 다이오드(LD1)의 구동신호의 크기를 낮춤으로써 레이저 다이오드(LD1)가 보호되게 된다. 나아가, 레이저 다이오드(LD1)의 과도한 출력으로 인해 레이저 다이오드(LD1)에 내장된 포토 다이오드(PD)의 전류가 정해진 전류량보다 증가하면, 오토파워 조절부(80)의 가변저항 (VR3)에 의해서 전압으로 변환된 신호가 연산증폭기(U1)의 반전(-) 입력단자에 공급되어 구동 신호 크기를 제한함으로써 언제나 안정된 밝기의 레이저 다이오드 출력을 유지하게 보장한다.
본 발명의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치에 따르면, 펄스트레인을 발생하는 일반 레이저 다이오드 구동회로가 펄스 구동신호의 듀티 조절만에 의해 밝기를 제어하는 것과는 달리 듀티 조절과 병행하여 고정밀도의 D/A변환기에 의해 구동신호의 진폭(Amplitude)을 함께 조절하여 레이저 다이오드를 구동함으로써 미세하고 정밀한 밝기 조정을 실현할 수 있다.
나아가, 고속의 레이저 다이오드의 구동을 실현하고자 레이저 다이오드에 미리 문턱전류를 흘려줌으로써 수십 MHz의 고속 레이저 다이오드의 펄스 트레인을 생성할 수 있고, 레이저 다이오드의 구동전류와 레이저 다이오드의 밝기를 감지하는 포토 다이오드에 의한 오토 파워 콘트롤 기능을 내장하여 항상 일정한 밝기와 미세한 밝기제어 및 안정된 레이저 출력을 보장할 수가 있다.

Claims (6)

  1. 레이저 다이오드(LD1);
    입력 구동신호로 주된 밝기 조정을 위한 가변 듀티 및 미세 밝기 조정을 위한 가변 진폭을 갖는 모듈레이션 신호를 발생시키는 D/A 변환기;
    연산증폭기(U1)를 포함하여 이루어져서 상기 입력 구동신호를 상기 레이저 다이오드(LD1)의 구동에 적합한 이득으로 증폭하여 조정하는 증폭부 및
    상기 증폭부에서 증폭된 구동신호에 의해 레이저 다이오드를 고속으로 온 및 오프시키는 스위칭 트랜지스터(Q1)를 포함하여 이루어져서 레이저 펄스트레인을 발생시키는 스위칭부를 포함하여 이루어진 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 증폭부는 상기 연산증폭기(U1);
    상기 연산증폭기(U1)의 반전(-) 입력단자 및 비반전(+) 입력단자에 연결되어 이득을 결정하는 회로소자인 복수의 저항(R2),(R3),(Rf);
    상기 연산증폭기(U1)의 일 전원공급단자(VCC)와 접지단자 사이에 병렬로 연결되는 한 쌍의 콘덴서(C1),(C2);
    상기 연산증폭기의 타 전원공급단자(VEE)와 접지단자 사이에 병렬로 연결되는 한 쌍의 콘덴서(C3),(C4) 및
    상기 전원공급단자(VCC)와 접지단자 사이에 직렬로 연결되는 저항(R5) 및 가 변저항(VR1)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭부는, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 베이스 단자는 전류제한 저항(R6)을 개재하여 상기 연산증폭기(U1)의 출력단자에 연결되고 그 콜렉터 단자에는 상기 레이저 다이오드(LD1)가 연결되며, 상기 저항(R6)에는 병렬로 콘덴서(C6)가 연결되고, 상기 레이저 다이오드(LD1)의 전원공급단자(VLD)과 접지단자 사이에는 콘덴서의 병렬연결 쌍(C7),(C8) 및 저항(R7)이 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 에미터 단자와 접지단자 사이에 연결되고 그 양단의 전압이 상기 연산증폭기(U1)의 반전(-) 입력단자에 연결된 저항(R10)으로 구현되어 상기 레이저 다이오드(LD1)의 구동전류를 제한하는 구동전류 제한부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    그 콜렉터 단자에는 상기 레이저 다이오드(LD1)가 연결되어 있고 그 에미터 단자에는 상기 레이저 다이오드(LD1)의 문턱전류(Ith)의 맞게 저항치가 설정되어 있는 저항(R8)이 연결되어 있는 트랜지스터(Q2) 및
    저항(R9)과 가변저항(VR2)으로 이루어지며 그 접속점은 상기 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자에 연결되어 있는 분압회로로 이루어져서 상기 레이저 다이오드의 구동을 위한 문턱전류를 미리 공급하는 문턱전류 사전공급부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드(LD1)에 인접하여 내장되는 수광용의 포토 다이오드(PD) 및
    상기 포토 다이오드(PD)에 직렬로 연결된 가변저항(VR3)을 가지며,
    상기 포토 다이오드(PD)와 상기 가변저항(VR3)의 접속점은 연산증폭기(U1)의 반전(-) 입력단자에 공급되어 상기 레이저 다이오드에 입력되는 구동신호의 크기를 일정한 범위로 유지시키는 오토파워 조절부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이의 레이저 다이오드 구동장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101998327B1 (ko) * 2018-05-29 2019-07-09 한국광기술원 짧은 펄스 및 높은 정전류 발생이 가능한 레이저 다이오드 구동 회로
CN110470388A (zh) * 2019-08-22 2019-11-19 合肥利弗莫尔仪器科技有限公司 一种用于脉冲激光平均功率准实时监测的高速采集电路
CN111510176A (zh) * 2020-04-23 2020-08-07 河南华兴通信技术有限公司 一种数字微波控制系统

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