TWI423542B

TWI423542B - 雷射二極體控制電路及應用此電路之雷射二極體控制裝置

Info

Publication number: TWI423542B
Application number: TW100119064A
Authority: TW
Inventors: Teng Hui Lee; Shih Cheng Lee
Original assignee: Amtek Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2014-01-11
Also published as: TW201249033A

Description

雷射二極體控制電路及應用此電路之雷射二極體控制裝置

本發明係有關於一種雷射二極體控制裝置，特別是有關於具有一種可共用自動功率控制電路的雷射二極體控制裝置，藉由雷射二極控制裝置中的雷射二極體控制電路、內建軟啟動電路及雷射二極體驅動電路之設計，可以提高穩定的電流增益去驅動雷射二極體。

隨著電腦技術的進步以及網路的普及化，光碟機已成為日常生活的必須品，舉例來說，使用者藉由連結個人電腦與網路便可以存取大量的資訊，然後再將所要使用的資料下載並存入至一張光碟片中。此外，要將資料存入至一張光碟片或是要從光碟片將資料讀出時，就必須藉由光碟機(CD-RW)來執行。

光碟機乃是應用光學原理存取資料，亦即進行讀取和寫入的動作必須由光學讀寫頭(Optical pick-up head)來執行。一個光學讀寫頭通常包含了至少一個雷射二極體(Laser Diode；LD)來讀取資料或一個雷射二極體來寫入資料。在執行讀取或寫入時，光碟機如何穩定控制雷射二極體的輸出功率是一個很重要的指標值。

請參考第1圖，其為一種習知技術中自動功率控制之雷射二極體控制裝置的系統方塊圖。如第1圖所示，雷射二極體控制裝置包括一個電壓增益控制電路20，其可輸出一個電壓並轉換成一電流Ib輸出至雷射二極體驅動電路30中，再經由雷射二極體驅動電路30輸出一個電流Id來啟動雷射二極體發光50；當雷射二極體50發光後，再藉由光檢測二極體(Photo Detector；PD)60及光功率檢測放大電路40將雷射二極體50之輸出功率轉換成一個回饋電壓(V_fb)，並將此回饋電壓(V_fb)送至電壓比較電路20之另一輸入端與參考電壓(V_S)作比較，藉此修訂或調整輸出電流I_b，以進一步調整雷射二極體驅動電路30之輸出功率。

而在實際的自動功率控制(Automatic Power Control；APC)之雷射二極體控制裝置中，均會使用各自的CD、DVD或是藍光DVD的雷射二極體驅動電路來形成自動功率控制迴路；其中，雷射二極體驅動電路30則是採用外掛的電晶體(Q)來達到控制雷射二極體50發光所需的電流大小。此外，為避免啟動雷射二極體驅動電路30的瞬間有大電流流過雷射二極體50，造成雷射二極體50燒毀的情形發生，目前亦有採用外掛電容及電晶體構成啟動電路32來抑制大電流發生，如第1B圖所示；其中第1B圖為一相應第1A圖之實際電路示意圖。再者，為符合不同的光讀寫頭讀碟性狀況，原外掛電晶體(Q)的增益(gain-hfe)需根據光讀寫頭型式的不同，而採用不同等級的電晶體及其增益，同時此增益值可以是小到100倍或大到300倍，造成製造上的不便，且隨著電晶體老化，增益改變，造成讀寫不佳，嚴重更有燒讀寫頭的風險。

根據前述在雷射二極體控制裝置中的一些現象，本發明之一主要目的在提供一種雷射二極體控制電路，藉由軟啟動電路及雷射二極體選擇控制電路之設計，可以提高穩定的電流增益去驅動雷射二極體。

本發明還有一主要目的在提供一種可共用自動功率控制電路的雷射二極體控制裝置，藉由軟啟動電路及雷射二極體選擇控制電路之設計，可以將不同的雷射二極體控制電路製造在同一晶片中，除了可節省元件且精準控制製程得到較佳的電流增益穩定性外，還可進一步解決外掛電晶體不穩定的增益問題；同時穩定的電流增益經系統DSP控制亦可得到較穩定的輸出電流，可適用於不同廠牌讀寫頭，不須挑選不同等級或不同增益的電晶體，來達到符合相容性的需求，滿足量產的便利。

根據上述之目的，本發明首先提供一種雷射二極體控制電路，包括：一個電壓檢測電路，其輸入端與一個檢測偏壓連接，其另一輸入端與一個參考電壓連接，並將檢測偏壓與參考電壓比較後，提供一輸出電壓；一個軟啟動電路，係由一個多顆電晶體電流鏡電路所形成，此電流鏡電路之負載端為多個電晶體所組成，且多個電晶體分別與多個雷射二極體驅動電路連接，而電流鏡電路之參考電流端與一個電阻之一端連接，而電阻之另一端與一個電晶體之射極端連接，且此一電晶體之基極端與一定電流源、一電容及輸出電壓連接；及一個選擇電路，係由多個電晶體其中之一第二電晶體及一第三電晶體所形成之開關與一反相電路所組成，此第二電晶體及第三電晶體的集極端分別與多顆電晶體電流鏡電路之負載端的兩電晶體連接，而第三電晶體的基極端與反相電路連接，第二電晶體及第三電晶體與多個雷射二極體驅動電路連接，可藉由一個控制訊號來控制第二電晶體及第三電晶體其中一個導通，以使與導通的電晶體元件相連接的雷射二極體驅動電路提供一個驅動雷射二極體的電流。

本發明接著提供一種可共用自動功率控制電路的雷射二極體控制裝置，此雷射二極體控制裝置包括一個電壓增益控制電路，其輸出端與一個雷射二極體控制電路連接，而雷射二極體控制電路的輸出端與多個不同雷射二極體驅動電路連接，一個光功率檢測放大電路，可將一回饋電壓送至電壓增益控制電路之一輸入端，其中該雷射二極體控制裝置之特徵在於雷射二極體控制電路，包括：一個電壓檢測電路，其輸入端與一個檢測偏壓連接，其另一輸入端與一個參考電壓連接，並將檢測偏壓與參考電壓比較後，提供一輸出電壓；一個軟啟動電路，係由一個多顆電晶體電流鏡電路所形成，此電流鏡電路之負載端為多個電晶體所組成，且多個電晶體分別與多個雷射二極體驅動電路連接，而電流鏡電路之參考電流端與一個電阻之一端連接，而電阻之另一端與一個電晶體之射極端連接，且此一電晶體之基極端與一定電流源、一電容及輸出電壓連接；及一個選擇電路，係由多個電晶體其中之一第二電晶體及一第三電晶體所形成之開關與一反相電路所組成，此第二電晶體及第三電晶體的集極端分別與多顆電晶體電流鏡電路之負載端的兩電晶體連接，而第三電晶體的基極端與反相電路連接，第二電晶體及第三電晶體與多個雷射二極體驅動電路連接，可藉由一個控制訊號來控制第二電晶體及第三電晶體其中一個導通，以使與導通的電晶體元件相連接的雷射二極體驅動電路提供一個驅動雷射二極體的電流。

由於本發明係揭露一種雷射二極體控制裝置，特別是有關於具有一種可共用自動功率控制電路的雷射二極體控制裝置，藉由雷射二極控制裝置中的雷射二極體控制電路、內建之軟啟動電路及雷射二極體驅動電路之設計。然由於本發明中所提及之雷射二極體控制裝置中的部份電路是與先前技術所使用者相同，例如：微控制器、電壓增益控制電路、光檢測放大電路、光檢測二極體及雷射二極體等；故對這些相同電路的詳細電路並未表示於圖中。此外，下述內文中之圖式，亦並未依據實際之相關尺寸完整繪製，其作用僅在表達與本創作特徵有關之示意圖。

首先，請參考第2圖，係本發明之可共用自動功率控制電路的雷射二極體控制裝置之功能方塊示意圖。如第2圖所示，雷射二極體控制裝置包括一個電壓增益控制電路100，其可輸出一個電壓並轉換成一電流I_b輸出至一個雷射二極體控制電路200中，再由雷射二極體控制電路200的輸出端與多個不同雷射二極體驅動電路(例如：雷射二極體驅動電路310及雷射二極體驅動電路320，係分別用來驅動不同的雷射二極體311/321)所組成的驅動電路300連接，再經由雷射二極體控制電路200中的選擇訊號(未顯示於圖2中；將於圖3中顯示並說明)來選擇驅動電路300中的某一個雷射二極體驅動電路(例如：選擇雷射二極體驅動電路310)並使其輸出一個電流I_LD來啟動與其連接的雷射二極體(例如：雷射二極體311)；當動雷射二極體311發光後，再藉由光檢測二極體410及光功率檢測放大電路400 將雷射二極體311之輸出功率轉換成一個回饋電壓(V_fb)，並將此回饋電壓(V_fb)送至電壓增益控制電路100之另一輸入端，藉由輸入至電壓增益控制電路100中的參考電壓(V_S)及回饋電壓(V_fb)比較結果來修訂或調整輸出電流Ib，以進一步調整雷射二極體驅動電路310之輸出功率。

接著，請參考第3圖，係本發明之雷射二極體控制裝置之電路示意圖。如第3圖所示，雷射二極體控制電路200係由一個電壓檢測電路210、一個軟啟動電路220及一個選擇電路230所組成；其中，電壓檢測電路210是由一個比較器2110所形成；比較器2110之第一輸入端與一檢測偏壓(例如：Vcc=3.3V)連接，而其第二輸入端與一參考電壓(例如：Vref=1.25V)連接；經過比較器2110比較檢測偏壓及參考電壓後，輸出一個電壓至軟啟動電路220。在本發明之實施例中，軟啟動電路220是由一定電流源2220、一個電容2210及多顆電晶體電流鏡(Multi-Transistor current mirror)電路2230所形成，此電流鏡電路2230之負載是與多個雷射二極體驅動電路連接；而在本發明之實施例中，負載是分別與驅動電路300中的多個雷射二極體驅動電路310/320連接。而電流鏡電路2230的電流I_Ra則會流經一個電阻R_a後，與一個PNP電晶體Q_C連接；其中，電阻R_a後的一端是與PNP電晶體Q_C的射極端連接。同時，PNP電晶體Q_C的基極端(base)會受比較器2110的輸出電壓控制；因此，在比較器2110之輸出端的實際電路上，是會經過一個NPN電晶體(未顯示於圖中)與PNP電晶體Q_C的基極端(base)連接；由於此一NPN電晶體可以形成在比較器2110中，故未顯示於第3圖中。再者，PNP電晶體Q_C的基極端(base)還與定電流源2220及電容(C_dt)2210並聯連接。當上述之電壓檢測電路210與軟啟動電路220及作為負載的多個雷射二極體驅動電路310/320連接完成後，即可藉由對電容2210上的電壓V_C的控制來決定驅動雷射二極體的電流I_LD。此外，選擇電路230係由多個電晶體元件所形成之開關所組成，而這多個電晶體元件是各別與多個雷射二極體驅動電路310/320連接，故可藉由一控制訊號(例如：一電壓值)來控制多個電晶體元件其中一個導通，以使與導通的電晶體元件相連接的雷射二極體驅動電路提供一個驅動雷射二極體的電流；而選擇電路230之具體實施將說明於後。

此外，在本發明之軟啟動電路220之另一實施例，其可以不使用定電流2220，而改以一個電阻來取代，唯造成輸出電流的線性度會稍有不同不同，然而其同樣可以達到軟啟動的功能；對此本發明不再詳細贅述之。

接著，請先參考第4圖，係本發明之啟動電流與雷射二極體的驅動電流變化示意圖。如第4圖所示，當在T0-T1期間時，提供的參考電壓(V_ref)大於檢測偏壓(V_CC)，則電壓檢測電路210的輸出端會使PNP電晶體Q_C導通(on)，並且使得電容C_dt會放電至0V；此時，流經電阻R_a之電流I_Ra具有最大電流值；其中，I_Ra=(V_DD-V_C-2V_BE)/R_a (μA)而當電流鏡之偏壓V_DD=5V時，則與電流鏡之兩個電晶體會工作在飽和區(即V_CEsat=0.2V)，故雷射二極體驅動電路310/320與電流鏡之電晶體連接之電壓為4.8V；此時，很明顯地，在0-T1期間，作為負載的驅動電路300中的每一個雷射二極體驅動電路310/320都是關閉的，故沒有電流會通過雷射二極體，因此，雷射二極體是關閉的。

當在T1-T2期間時，提供的參考電壓(V_ref)小於偏壓(V_CC)，此時，定電流源2220會對電容2210進行充電，使得流經電阻R_a之電流I_Ra會隨著電容2210充電電壓V_C變大而逐漸變小；當在T2時，電容2210上的電壓V_C被充電至V_C=1.75V~2V時，則此時的電流I_Ra改變至與I_b相同(即I_Ra=I_b)；其中，V_C=V_DD-2V_BE-(I_b＊R_a)

當電容2210上的電壓被充電至V_C=1.75V~2V後，電流鏡之兩個電晶體會改變至操作區；此時，作為負載的驅動電路300中的雷射二極體驅動電路310或320開始導通(雷射二極體驅動電路310或320的導通，取決於選擇控制電路)，並開始有電流I_LD流至雷射二極體；隨著電容2210上的充電時間增加，例如：充電至T3時；則會使得電流I_Ra逐漸改變至0，同時，流至雷射二極體電流I_LD會逐漸增加至與I_b相同(即I_LD=I_b)，此時，雷射二極體電流I_LD經過雷射二極體驅動電路310上的多級電晶體的增益放大後；例如：在本實施例中，多級電晶體之增益為N₁＊N₂=500時，則雷射二極體電流I_LD可以達到毫安培(mA)；其中，I_LD=I_b＊N₁＊N₂ (mA)故可使雷射二極體開始發光。在此要強調，本發明之雷射二極體驅動電路310/320中的多級電晶體設計並不限制於第3圖所示；只要雷射二極體驅動電路310/320能夠提供穩定的電流放大增益即可，對此，本發明並不加以限制；而在本發明之實施例中，其是由兩個不同的電流鏡電路連接所形成，使得多級電晶體之增益為N₁＊N₂。

再接著，請再參考第3圖。選擇電路230係由一對NPN電晶體Q₁/Q₂及一個反相電路2310所組成，其中，每一個NPN電晶體Q₁/Q₂的集極端(Collector)分別與軟啟動電路220的多個輸出端連接；而每一個NPN電晶體Q₁/Q₂的射極端(Emitter)共同與一個電阻RC連接；而NPN電晶體Q₁的基極端(Base)與一個雷射二極體選擇控制電壓連接，另一個NPN電晶體Q₂的基極端(Base)則經過一個反相電路2310與一個雷射二極體選擇控制電壓連接。當在T2-T3期間，於雷射二極體選擇控制電壓為高電壓時(例如：3.3V)，則NPN電晶體Q₁會導通，使得電流I_b經由NPN電晶體Q₁流過電阻R_C；此時，雷射二極體311開始發光。反之，當雷射二極體選擇控制電壓為低電壓時(例如：0V)，則NPN電晶體Q₂會導通，使得電流Ib經由NPN電晶體Q₂流過電阻R_C；此時，雷射二極體321開始發光。

很明顯地，本發明藉由雷射二極體控制電路200及驅動電路300的設計，使得雷射二極體電流I_LD可以隨著軟啟動電路220中的電流鏡之電流改變而以線性方式增加，故可以提高穩定的電流增益去驅動雷射二極體311/321；同時，藉由提供穩定的線性電流增益，可以避免光碟機讀碟不佳或大電流燒毀讀寫頭中的雷射二極體311/321等問題，故可增加雷射二極體控制裝置之可靠度以及雷射二極體之壽命。

當雷射二極體311或是雷射二極體321發光後，其可藉由光檢測二極體410及光功率檢測放大電路400將雷射二極體311或是雷射二極體321之輸出功率轉換成一個回饋電壓(V_fb)，並將此回饋電壓(V_fb)送至電壓增益控制電路100之一輸入端。接著，當一個控制裝置(例如：一個數位處理裝置所形成的微控制器)提供一個電壓V_S至電壓增益控制電路100之另一輸入端後，電壓增益控制電路100即可將VS電壓與回饋電壓(V_fb)產生輸出電壓V_a，因此可以藉由電阻R_C來決定出電流I_b，其中電流I_b為I_b=(3.3V-V_BE-Q1-V_a)/R_C故可藉此修訂或調整輸出電流Ib，以進一步調整雷射二極體驅動電路之輸出功率。

在此要強調，本發明之可共用自動功率控制電路的雷射二極體控制裝置，可將雷射二極體控制電路200(其包括電壓檢測電路210、一個軟啟動電路220及一個選擇電路230)、多個不同雷射二極體驅動電路(例如：雷射二極體驅動電路310及雷射二極體驅動電路320)所組成的驅動電路300及電壓增益控制電路100製造在同一晶片中，精準控制製程得到較佳的電流增益穩定性，解決外掛電晶體不穩定的增益問題；同時穩定的電流增益經系統DSP控制亦可得到較穩定的輸出電流，可適用於不同廠牌讀寫頭，不須挑選不同等級或不同增益的電晶體，來達到符合相容性的需求，滿足量產的便利。

再者，本發明之可共用自動功率控制電路的雷射二極體控制裝置中的雷射二極體驅動電路310及雷射二極體驅動電路320可分別驅動CD或DVD光學讀寫頭中的雷射二極體；然而，本發明之雷射二極體控制裝置還可以進一步再增加至少一個雷射二極體驅動電路(未顯示於圖中)，例如：增加一個藍光DVD之雷射二極體所組成之光學讀寫頭；換句話說，本發明之雷射二極體控制裝置所形成之晶片可以控制多個不同的光學讀寫頭；本發明對此並不加以限制。

如前所述，本發明已詳細描述了雷射二極體控制裝置之較佳實施例，其主要目的為闡明本發明之實施例，以使得熟悉此技術領域者得以實施，其無意限定本發明之精確應用形式。故熟悉此技術領域者由上述之教導、建議或由本發明的實施例學習而作某種程度修改是可能的。因此，本發明的技術思想將由以下的申請專利範圍及其均等來決定之。

10‧‧‧控制裝置

20‧‧‧電壓增益控制電路

30‧‧‧雷射二極體驅動電路

32‧‧‧啟動電路

40‧‧‧光功率檢測放大電路

50‧‧‧雷射二極體

60‧‧‧光檢測二極體

100‧‧‧電壓增益控制電路

200‧‧‧雷射二極體控制電路

210‧‧‧電壓檢測電路

2110‧‧‧比較器

220‧‧‧軟啟動電路

2210‧‧‧電容

2220‧‧‧定電流源

2230‧‧‧多顆電晶體電流鏡電路

230‧‧‧選擇電路

2310‧‧‧反相二極體

300‧‧‧驅動電路

310‧‧‧雷射二極體驅動電路

311‧‧‧雷射二極體

320‧‧‧雷射二極體驅動電路

321‧‧‧雷射二極體

400‧‧‧光功率檢測放大電路

410‧‧‧光檢測二極體

第1A圖為習知技術中之自動功率控制方塊示意圖。

第1B圖為相應第1A圖的電路示意圖。

第2圖為本發明之雷射二極體控制裝置實施例之功能方塊示意圖。

第3圖為本發明相應第2圖之雷射二極體控制裝置的電路示意圖。

第4圖為本發明之啟動電流與雷射二極體的驅動電流變化示意圖。