TW202112020A - 具閘極電流再利用功能之氮化鎵雷射二極體驅動場效電晶體 - Google Patents

具閘極電流再利用功能之氮化鎵雷射二極體驅動場效電晶體 Download PDF

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Abstract

一種用於光雷達應用之雷射二極體驅動器，其具有包含兩個增強模式GaN FET之一輸出級。輸出級包括一傳統共用源極組態中之一驅動器GaN FET，具有與一雷射二極體之陰極連接之汲極、及連接至接地之源極。驅動器GaN FET之閘極係藉由一源極隨耦器組態中之第二、實質更小GaN FET之源極來驅動，而不是直接藉由一預驅動器來驅動。源極隨耦器GaN FET之汲極連接至共用源極驅動器GaN FET之汲極，類似於雙載子裝置中使用之達靈頓(Darlington)連接。於源極隨耦器GaN FET之閘極施加來自預驅動器之輸入驅動信號。藉此，透過雷射二極體從一主電力供應器汲取接通驅動器GaN FET所需之電流，而不是從用於預驅動器之電力供應器汲取，使總體電流效率提升。

Description

具閘極電流再利用功能之氮化鎵雷射二極體驅動場效電晶體
本發明大致係有關於包括用於驅動氮化鎵(GaN)場效電晶體(FET)之預驅動器的輸出級，並且更特別的是，係有關於為了光雷達應用而用作為雷射二極體驅動器之輸出級。
用於驅動一雷射二極體之一典型輸出級係使用一共用源極驅動FET來實施，其中驅動FET之汲極連接至雷射二極體之陰極且驅動FET之源極連接至接地。驅動FET之閘極係藉由一預驅動器來驅動，該預驅動器具有足以克服閘極之大電容並接通驅動FET的脈衝電流能力。藉由第一供應電壓供電之預驅動器接收一控制信號以接通驅動FET，並且從第一供應電壓產生一閘極電流以供將驅動FET之閘極端子驅動。驅動FET接通，並且從大於第一供應電壓之一第二供應電壓汲取通過驅動GaN FET之一驅動電流。
圖1繪示一習知輸出級的一示意圖，其包括一預驅動器及一GaN功率FET以供驅動一雷射二極體。電路100包括一預驅動器120、一GaN FET 130、及一雷射二極體140。在這項實例中，二極體140係負載，但其他實作態樣可包括其他負載。預驅動器120接收指出要接通GaN FET 130並從供應電壓VDD 產生一閘極電流IGM1 之一控制信號CTL 110。預驅動器120將IGM1 施加至GaN FET 130之閘極端子，其接通並從係為比VDD 更高之電壓的供應電壓VH 透過二極體140汲取驅動電流IDRIVE 。
從VDD 汲取之閘極電流IGM1 降低電路100之效率，並導致一大返回電流IRTN 。介於預驅動器120與接地節點105之間、及介於驅動FET 130與接地節點105之間的電氣連接上之寄生阻抗與IRTN 組合使用會造成接地節點105上之電壓降、接地彈跳、及振鈴。接地彈跳回應於接地跡線自諸如IRTN 之大電流脈衝呈現電壓漣波而發生。如果接地彈跳變得足夠大，則可能在預驅動器120中造成錯誤電壓，使得預驅動器120不回應於指出要接通驅動FET 130之CTL 110來產生適當閘極電流IGM1 。
本發明藉由提供一種驅動器電路來因應如上述接地節點上功率消耗、接地彈跳及振鈴增加之缺點，該驅動器電路包含一共用源極組態中之一第一GaN FET及一源極隨耦器組態中之一第二GaN FET。
更具體而言，如本文中所述，本發明包含一種用於一負載(諸如一雷射二極體)之一驅動器電路，該驅動器電路包含連接於一共用源極組態中之一第一GaN FET，其汲極連接至要(從一第一供應電壓)驅動之負載且其源極連接至接地。驅動器電路亦包括連接於一源極隨耦器組態中之一第二、實質更小GaN FET，其汲極連接至負載且其源極連接至第一GaN FET之閘極端子。藉由一第二供應電壓供電之一預驅動器根據一控制信號來驅動第二GaN FET，使得用於第一GaN FET之閘極驅動電流係藉由第一供應電壓來提供，以及流經負載並流經第二GaN FET，藉此提升總體電路效率。
本文中所述之以上及其他較佳特徵現將更特別地參考附圖作說明並在申請專利範圍中指出，包括元件之實作態樣及組合之各種新穎細節。應瞭解的是，特定方法及設備係僅以例示方式展示，而非作為申請專利範圍之限制。如所屬技術領域中具有通常知識者將理解，本文中之教示之原理及特徵可運用在各種及眾多實施例中，但不會脫離申請專利範圍之範疇。
在以下詳細說明中，引用某些實施例。這些實施例係經充分詳細說明而使得所屬技術領域中具有通常知識者能夠加以實踐。要瞭解可運用其他實施例，並且要瞭解可施作各種結構化、邏輯性、及電氣變更。以下詳細說明中所揭示之特徵之組合對於實踐最廣義之教示可非必要，反而係僅為了說明本教示之特別代表性實例而教示。
圖2A及2B根據本發明之一實施例，繪示具有閘極電流再利用功能之驅動器電路的示意圖。電路200A及200B各包括一預驅動器電路220、一共用源極組態中之一驅動FET電晶體230、一雷射二極體240、一源極隨耦器FET電晶體250、及一負載260A/260B。在這項實例中，雷射二極體240係藉由驅動電晶體230來驅動之負載，但其他實作態樣可包括其他負載。FET電晶體230及250較佳為如所示之增強模式GaN FET，並且可予以整合到一單半導體晶片裡。驅動GaN FET 230實質大於GaN FET 250，亦即，GaN FET 250之閘極寬度遠小於驅動GaN FET 230之閘極寬度，使得GaN FET 250之閘極電容遠小於閘極電容GaN FET 230之閘極電容。
預驅動器電路220接收指出要接通驅動GaN FET 230之一控制信號CTL 210，並且係連接至一供應電壓VDD 及接地節點205。預驅動器電路220之輸出係連接至被組配為一源極隨耦器之GaN FET 250之閘極端子。GaN FET 250之閘極端子係藉由透過預驅動器電路220所產生之一閘極電流IGM2 來驅動。GaN FET 250之汲極端子係連接至雷射二極體240之陰極及驅動FET 230之汲極端子，並且GaN FET 250之源極端子係連接至負載260A/260B及驅動GaN FET 230之閘極端子。負載可憑藉如圖2A所示之一電阻器260A、或如圖2B所示之一同步下拉開關260B來實施。
雷射二極體240之陽極係連接至大於供應電壓VDD 之一第二供應電壓VH 。驅動GaN FET 230之汲極端子係連接至二極體240之陰極及GaN FET 250之汲極端子，並且驅動FET 230之源極端子係連接至接地節點205。驅動FET 230之閘極端子係藉由閘極電流IGM1 來驅動，該電流係通過GaN FET 250之汲極至源極電流。
回應於指出要接通驅動FET 230之CTL 210，預驅動器電路220從供應電壓VDD 產生驅動電流IGM2 ，並且將該電流施加至GaN FET 250之閘極端子。因為GaN FET 250之閘極電容遠小於驅動FET 230之閘極電容，所以驅動電流IGM2 遠小於驅動電流IGM1 ，這使預驅動器220之電流消耗及透過VDD 汲取之電流降低，並且提升系統效率。GaN FET 250接通，並且從更高供應電壓VH 透過二極體240汲取電流IDRIVE 。通過GaN FET 250之汲極至源極電流係施加至驅動GaN FET 230之閘極端子的閘極電流IGM1 。
閘極電流IGM1 係汲取自更高供應電壓VH ，其比更低供應電壓VDD 更能夠供應接通驅動GaN FET 230所需之大電流脈衝。另外，閘極電流IGM1 係透過雷射二極體240汲取，對二極體驅動電流IDRIVE 及光學輸出功率作出貢獻。驅動GaN FET 230接通並汲取汲極至源極電流IDRAIN ，這使通過二極體240之驅動電流IDRIVE 大幅增加。閘極電流IGM2 小於施加至圖1所示驅動GaN FET 130之閘極端子的閘極電流IGM1 ，這減小返回電流IRTN 及相關聯之有害效應，諸如接地節點205上之振鈴、接地彈跳、及電壓降。負載260進一步減小接地節點205上來自返回電流IRTN 之振鈴、接地彈跳、及電壓降。
圖3根據本發明之一第二實施例，繪示具有閘極電流再利用功能之一驅動器電路的一示意圖。電路300類似於圖2所示之電路200，但包括一第三增強模式GaN FET，其被組配為代替負載260A或260B之一個二極體，其中GaN FET 360及驅動GaN FET 330係布置為一電流鏡370。GaN FET 330、350及360可整合到一單半導體晶片上。可將電流鏡370之電流比表示為：
Figure 02_image001
其中IDRAIN_330 代表通過驅動FET 330之汲極至源極電流，IDRAIN_360 代表通過GaN FET 360之汲極至源極電流，W330 代表驅動FET 330之閘極寬度，並且W360 代表GaN FET 360之閘極寬度。
憑藉一充分大之比率，通過雷射二極體340之驅動電流IDRIVE 僅一部分係透過更小之GaN FET 350及360分流至閘極驅動路徑。使用一第三GaN FET 360來實施一電流鏡370允許一定義明確之電流比、以及精確控制通過閘極驅動路徑且通過驅動GaN FET 330之電流。因為驅動GaN FET 330遠大於閘極驅動路徑中更小之GaN FET 350及360，所以驅動GaN FET 330更能夠耐受大電流。因此，較佳為將驅動電流IDRIVE 透過驅動GaN FET 330分流一更大部分，並透過GaN FET 350及360分流一更小部分。
以上說明與圖式僅視為說明達到本文中所述特徵與優點之特定實施例。可對特定程序條件施作修改及替代。因此，本說明之實施例並非視為受前述說明與圖式所限制。
100,200A,200B,300:電路 105,205:接地節點 110,210:CTL 120:預驅動器 130,250,330,350,360:GaN FET 140,340:雷射二極體 220:預驅動器電路 230:驅動GaN FET 240:二極體 260A,260B:負載 370:電流鏡
本揭露之特徵、目的及優點在搭配圖式取用時，將從下文所提之詳細說明而變得更加顯而易見，在圖式中，相似之參考字元在各處對應地作識別，並且其中：
圖1繪示用於驅動一雷射二極體之一習知電路的一示意圖。
圖2A及2B根據本發明之一第一實施例，繪示具有閘極電流再利用功能之本發明之驅動器電路的示意圖。
圖3根據本發明之一第二實施例，繪示具有閘極電流再利用功能之本發明之驅動器電路的一示意圖。
200A:電路
205:接地節點
210:CTL
220:預驅動器電路
230:驅動GaN FET
240:二極體
250:GaN FET
260A:負載

Claims (11)

  1. 一種用於負載之驅動器電路，該負載具有連接至一第一供應電壓之一第一端子及一第二端子，該驅動器電路包含： 一第一FET，其係連接於一共用源極組態中，具有與該負載之該第二端子連接之一汲極、連接至接地之一源極、及用於接收一閘極驅動電流之一閘極； 一第二FET，其係連接於一源極隨耦器組態中，具有與該負載之該第二端子連接之一汲極、與該第一FET之該閘極連接之一源極、及一閘極；以及 一預驅動器，其係藉由一第二供應電壓供電，並且具有用於接收一控制信號之一輸入及與該第二FET之該閘極連接之一輸出，使得該預驅動器根據該控制信號來驅動該第二FET，以及用於該第一FET之該閘極驅動電流係藉由該第一供應電壓來提供並流經該負載且流經該第二FET。
  2. 如請求項1之驅動器電路，其中該負載包含一雷射二極體。
  3. 如請求項1之驅動器電路，其中該第一FET係一增強模式GaN FET，並且該第二FET係一增強模式GaN FET。
  4. 如請求項3之驅動器電路，其中該預驅動器、該第一GaN FET、及該第二GaN FET係整合到一單半導體晶片上。
  5. 如請求項3之驅動器電路，其中該第一GaN FET實質大於該第二GaN FET。
  6. 如請求項3之驅動器電路，其更包含連接於該第二GaN FET之該源極端子與接地之間的一第二負載。
  7. 如請求項6之驅動器電路，其中該第二負載包含一電阻器。
  8. 如請求項6之驅動器電路，其中該第二負載包含一同步下拉開關。
  9. 如請求項6之驅動器電路，其中該第二負載包含組配為一個二極體之一第三GaN FET，並且具有與該第一GaN FET之該閘極連接之一閘極，於該第三GaN FET與該第一GaN FET之間形成一電流鏡。
  10. 如請求項9之驅動器電路，其中該電流鏡具有一電流鏡比，該電流鏡比致使通過該第三GaN FET之一汲極至源極電流實質小於通過該第一GaN FET之該汲極至源極電流。
  11. 如請求項9之驅動器電路，其中該預驅動器電路、該第一GaN FET、該第二GaN FET、及該第三GaN FET係整合到一單半導體晶片上。
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