CN102064765B - 应用于激光驱动器的温度补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于激光驱动器的温度补偿电路，包括正温度系数电流产生模块、零温度系数电流产生模块和温度补偿比例控制模块，正温度系数电流产生模块、零温度系数电流产生模块的输出端均接温度补偿比例控制模块输入端；正温度系数电流产生模块产生随温度升高而增大的正温度系数电流，以确定温度补偿的斜率；零温度系数电流产生模块产生与温度无关的零温度系数电流，以确定温度补偿的起始温度；温度补偿比例控制模块采样到正温度系数电流和零温度系数电流的差值，将差值与控制补偿电流的外部输入电流叠加，确定补偿电流，以控制温度补偿的比例。本发明能灵活调整激光器的补偿比例、稳定消光比、适应不同激光器的温度特性、通用性强。

Description

应用于激光驱动器的温度补偿电路

技术领域

本发明涉及温度补偿电路，特别是涉及一种应用于激光驱动器的温度补偿电路。 

背景技术

光通信***中，激光驱动器(LDD，Laser Diode Driver)以及激光器是发射端的重要组成元件。激光驱动器为激光器提供所需要的驱动电流，针对激光器有阈值电流的特性，其驱动电流包括调制电流和偏置电流，其中调制电流就是传输的高速数字信号，偏置电流主要用于开启激光器的阈僖。激光器的性能参数会随着温度而变化，图1示出了激光二极管的光功率-电流曲线，随着温度的升高，激光二极管的阈值电流会发生很大的漂移，同时电光转换效率会随之递减。 

对于激光器的大多数应用范围，均要求激光器工作在-40℃至+85℃的温度范围内，平均光功率和消光比(信号为0时平均光功率和信号为1时平均光功率的比值即消光比)保持稳定。但是因为温度变化时，激光器的阈值电流会变化，为了保证平均光功率不变，就需要自动功率控制来调整偏置电流的大小。如果自动功率控制的偏置电流发生变化，此时如果调制电流不变，则消光比变化会超出正常范围。为了消除温度变化对激光器特性的影响，现在大多数激光驱动器都针对调制电流进行温度补偿。目前，应用于激光驱动器温度补偿的技术手段有多种，有的采用外界制冷***对激光驱动器进行物理降温，有的在芯片内部设计温度补偿电路对调制电流进行补偿。 

在实际应用中，当激光器的温度特性不同时，所需要的补偿比例也不相同，温度补偿电路也就需要随之改变。但是，目前应用于激光驱动器的温度补偿电路普遍缺乏灵活性，提供的温度补偿相对固定，难以实现灵活调整激光器所需要的补偿比例、维持激光器在全温范围内的消光比稳定，难以适应不同的激光器温度特性，通用性较差。 

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种应用于激光驱动器的温度补偿电路，能实现灵活调整激光器所需要的补偿比例、稳定消光比，能够适应不同激光器的温度特性，通用性较强。 

本发明提供的应用于激光驱动器的温度补偿电路，包括正温度系数电流产生模块、零温度系数电流产生模块和温度补偿比例控制模块，所述正温度系数电流产生模块的输出端、零温度系数电流产生模块的输出端均与温度补偿比例控制模块的输入端连接；所述正温度系数电流产生模块用于：产生随温度升高而增大的正温度系数电流I1，以确定温度补偿的斜率；所述零温度系数电流产生模块用于：产生与温度无关的零温度系数电流I2，以确定温度补偿的起始温度；所述温度补偿比例控制模块用于：通过采样得到正温度系数电流I1和零温度系数电流I2的差值(I1-I2)，将所述差值(I1-I2)与控制补偿电流I4大小的外部输入电流I3进行叠加，来确定补偿电流I4的大小，以控制温度补偿的比例。 

在上述技术方案中，所述正温度系数电流产生模块的实现电路包括：运算放大器A1、A2，NMOS管M1、M4，PMOS管M2、M3，电阻R1、R2，可变电阻R3和PNP晶体管Q1，其中，运算放大器A1的正极接输入电压V1，负极接NMOS管M1的源级，输出端接NMOS管M1的栅极，电阻R1一端接运算放大器A1的负极，另一 端接晶体管Q1的发射极，晶体管Q1的基极和集电极相连并接地；PMOS管M2的漏极和NMOS管M1的漏极相连，PMOS管M2的栅极和漏极连接，PMOS管M2、M3共栅极，PMOS管M2、M3的源极均接电源VDD，PMOS管M3的漏极分别与运算放大器A2的正极、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接地，运算放大器A2的输出端接NMOS管M4的栅极，运算放大器A2的负极分别与NMOS管M4的源级、可变电阻R3的一端连接，可变电阻R3的另一端接地。 

在上述技术方案中，所述NMOS管M4的漏极为正温度系数电流产生模块的输出端，输出所述正温度系数电流I1。 

在上述技术方案中，所述零温度系数电流产生模块的实现电路包括：运算放大器A3、NMOS管M0、PMOS管M5、M6和可变电阻R4，其中，运算放大器A3的正极接输入电压V1，负极接NMOS管M0的源级，输出端接NMOS管M0的栅极，可变电阻R4一端接运算放大器A3的负极，另一端接地，NMOS管M0的漏极和PMOS管M6的漏极连接，PMOS管M6的栅极和漏极连接，PMOS管M5、M6共栅极，PMOS管M5、M6的源级均接电源。 

在上述技术方案中，所述PMOS管M5的漏极为零温度系数电流产生模块的输出端，输出所述零温度系数电流I2。 

在上述技术方案中，所述输入电压V1为与温度系数无关的带隙基准电压。 

在上述技术方案中，所述温度补偿比例控制模块的实现电路包括：PMOS管M7、M8和NMOS管M9、M10，其中，PMOS管M7、M8共栅极，PMOS管M7、M8的源极均接电源，PMOS管M7的栅极和漏极连接，PMOS管M8的漏极和NMOS管M9的漏极连接，NMOS管M9的漏极还连接外部输入电流I3，NMOS管M9的栅极和 漏极连接，NMOS管M9、M10共栅极，NMOS管M9、M10的源极均接地。 

在上述技术方案中，所述NMOS管M4的漏极分别与PMOS管M5、M7的漏极连接。 

在上述技术方案中，所述NMOS管M10的漏极为所述温度补偿比例控制模块的输出端，输出所述补偿电流I4。 

与现有技术相比，本发明的优点如下： 

(1)当温度变化引起消光比变化时，本发明能够实现灵活调整激光器所需要的补偿比例，根据其温度特性补偿激光器的调制电流，使激光器输出的光信号具有稳定的消光比。 

(2)通过改变外设电阻的阻值，来调整激光器的温度补偿起始点以及补偿斜率，来适应不同激光器的温度特性，具有较强的通用性。 

(3)电路结构简单，采用价格低廉的CMOS工艺制作完成，经过CMOS工艺验证，电路稳定可靠，性能良好，对激光器有很好的温度补偿效果。 

附图说明

图1是激光二极管的光功率-电流曲线图； 

图2是本发明实施例的实际应用示意图； 

图3是本发明实施例的电路图； 

图4是本发明实施例的补偿电流输出曲线图。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。 

本发明实施例应用于激光驱动器中，参见图2所示，包括应用于激光驱动器的温度补偿电路1、调制电流输出模块2和激光器及其匹 配网络3，应用于激光驱动器的温度补偿电路1输出补偿电流I4到调制电流输出模块2，调制电流输出模块2将带有补偿的调制电流I_MOD输出到激光器，由此对激光器本身的温度特性进行补偿。调制电流输出模块2是一个较为通用的差分输出的控制方式，补偿电流I4直接控制差分输出单元的尾电流源I0，就会直接影响到激光器的调制电流，从而达到了温度补偿的作用，即通过控制激光器的调制电流，使激光器在全温范围内保持稳定的消光比。 

参见图2所示，应用于激光驱动器的温度补偿电路1包括：正温度系数电流产生模块11、零温度系数电流产生模块12和温度补偿比例控制模块13。其中，正温度系数电流产生模块11的输出端、零温度系数电流产生模块12的输出端均与温度补偿比例控制模块13的输入端连接，正温度系数电流产生模11用于：产生随温度升高而增大的正温度系数电流I1，以确定温度补偿的斜率；零温度系数电流产生模块12用于：产生与温度无关的零温度系数电流I2，以确定温度补偿的起始温度；温度补偿比例控制模块13用于：通过采样得到正温度系数电流I1和零温度系数电流I2的差值(I1-I2)，将所述差值(I1-I2)与控制补偿电流I4大小的外部输入电流I3进行叠加，来确定补偿电流I4的大小，以控制温度补偿的比例。 

下面详细说明本发明实施例的具体实现电路，在下面的电路连接关系的说明中，如果不作特别说明，所有的NMOS管的衬底都接地，所有的PMOS管的衬底都接电源。 

参见图3所示，正温度系数电流产生模块11的实现电路包括：运算放大器A1、A2，NMOS管M1、M4，PMOS管M2、M3，电阻R1、R2，可变电阻R3和PNP晶体管Q1，其中，运算放大器A1的正极接输入电压V1(输入电压V1是一个与温度系数无关的带隙基 准电压)，NMOS管M1是运算放大器A1的输出管，运算放大器A1的输出端和NMOS管M1的栅极连接，运算放大器A1的负极和NMOS管M1的源级连接。电阻R1的一端接运算放大器A1的负极，另一端接晶体管Q1的发射极，晶体管Q1的基极和集电极相连并接地。PMOS管M2的漏极和NMOS管M1的漏极相连，PMOS管M2的栅极和漏极连接，PMOS管M2、M3共栅极，PMOS管M2、M3的源极均接电源VDD，PMOS管M3的漏极分别与运算放大器A2的正极、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接地，运算放大器A2的输出端接NMOS管M4的栅极，运算放大器A2的负极分别与NMOS管M4的源级、可变电阻R3的一端连接，可变电阻R3的另一端接地。NMOS管M4的漏极为正温度系数电流产生模块11的输出端，输出正温度系数电流I1。 

参见图3所示，零温度系数电流产生模块12的实现电路包括：运算放大器A3、NMOS管M0、PMOS管M5、M6和可变电阻R4，其中，运算放大器A3的正极接输入电压V1(该输入电压V1和正温度系数电流产生模块11中的输入电压V1来自同一个基准电压)，运算放大器A3的负极接NMOS管M0的源级，运算放大器A3的输出端接NMOS管M0的栅极。可变电阻R4的一端接运算放大器A3的负极，另一端接地，NMOS管M0的漏极和PMOS管M6的漏极连接，PMOS管M6的栅极和漏极连接，PMOS管M5、M6共栅极，PMOS管M5、M6的源级均接电源。PMOS管M5的漏极为零温度系数电流产生模块12的输出端，输出零温度系数电流I2。 

参见图3所示，温度补偿比例控制模块13的实现电路包括：PMOS管M7、M8和NMOS管M9、M10，其中，PMOS管M7、M8共栅极，PMOS管M7、M8的源极均接电源，PMOS管M7的栅 极和漏极连接，PMOS管M8的漏极和NMOS管M9的漏极连接，NMOS管M9的漏极还连接外部输入电流I3，NMOS管M9的栅极和漏极连接，NMOS管M9、M10共栅极，NMOS管M9、M10的源极均接地。NMOS管M10的漏极为温度补偿比例控制模块13的输出端，输出补偿电流I4。 

正温度系数电流产生模块11的输出端和零温度系数电流产生模块12的输出端连接，同时和温度补偿比例控制模块13的输入端连接在一起，参见图3所示，在具体的实现电路中：NMOS管M4的漏极与PMOS管M5的漏极连接，同时和PMOS管M7的漏极连接在一起。 

本发明实施例的原理详细阐述如下： 

(一)正温度系数电流产生模块11的电路原理 

正温度系数电流产生模块11的主要任务是产生一个与温度成正比的电流，即正温度系数电流I1，也就是图3中NMOS管M4的漏极电流。输入电压V1是正温度系数电流产生模块11的输入信号，即一个零温度系数的带隙基准电压。从图3中正温度系数电流产生模块11的电路图分析，可以得到PMOS管M2漏极的电流IDM2的表达式如下： 

$\mathrm{IDM}2=\frac{V1-\mathrm{VBE}}{R1}---\left(1\right)$

表达式(1)中，输入电压V1是由带隙产生的零温度系数电压，VBE是PNP管Q1的BE结电压，R1是电阻R1的阻值。 

分析表达式(1)：因为PNP管Q1的BE结具有负的温度系数，而输入电压V1是由带隙产生的零温度系数电压，所以得到的IDM2是一个具有正温度系数的电流。IDM2通过PMOS管M2、M3形成电流镜映射，PMOS管M3的漏极IDM3具有和IDM2相同的温度特 性，IDM3流过电阻R2形成电压V2，V2的表达式如下： 

表达式(2)中，n是PMOS管M2、M3组成的电流镜的映射比例。 

分析表达式(2)：因为电流IDM3和IDM2是映射的比例关系，因此IDM3也是具有正温度系数的电流，忽略电阻比值的温度系数，由此产生的电压V2也是具有正温度系数。V2接在运算放大器A2的正相输入端，通过运算放大器A2的负极控制可变电阻R3上端的电压，可变电阻R3的下端接地。正温度系数电流I1的表达式如下： 

$I1=\frac{V2}{R3}---\left(3\right)$

上文中的表达式(2)已经分析了V2的特性，它是具有正温度系数的电压，因此I1也是具有正温度系数的电流。从表达式(3)分析：通过改变可变电阻R3的阻值，可以改变正温度系数电流I1的大小和斜率。正温度系数电流I1的输出波形参见图4所示。 

(二)零温度系数电流产生模块12的电路原理 

零温度系数电流产生模块12的主要任务是产生一个零温度系数电流I2，即图3中PMOS管M5的漏极电流。零温度系数电流产生模块12中的输入电压V1和正温度系数电流产生模块11中的输入电压V1是相同的，同样来自带隙基准电压。输入电压V1接在运算放大器A3的正极，通过运算放大器的负极控制可变电阻R4的上端电压，可变电阻R4的下端接地，确定了R4的阻值，就可以得到PMOS管M6的电流IDM6，电流IDM6经过PMOS管M5、M6组成的电流镜成比例映射，在PMOS管M5的漏极形成零温度系数电流产生模块12的输出电流，即零温度系数电流I2，其表达式为： 

$I2=m*\frac{V1}{R4}---\left(4\right)$

表达式(4)中，m是PMOS管M5、M6组成的电流镜的映射比例。 

上文中分析了输入电压V1是零温度系数的带隙基准电压，因此I2也是零温度系数的电流。从表达式(4)分析：通过改变可变电阻R4的阻值，可以得到不同大小的零温度系数电流I2。零温度系数电流I2的输出波形参见图4所示。 

(三)温度补偿比例控制模块13的电路原理 

温度补偿比例控制模块13的主要任务是控制补偿的力度，同时对调制电流进行叠加。温度补偿比例控制模块13的输入信号是PMOS管M7的漏电流IDM7和外部输入电流I3，参见图3所示，IDM7是采样得到的正温度系数电流产生模块11和零温度系数电流产生模块12的差值电流，即IDM7＝I1-I2，外部输入电流I3是一个与调制电流相关的基准电流，其产生原理和零温度系数电流I2相似。电流IDM7和外部输入电流I3的输出波形参见图4所示。 

电流IDM7经过PMOS管M7、M8组成的电流镜成比例映射，在PMOS管M8的漏极生成电流IDM8，电流IDM8和外部输入电流I3一起灌入NMOS管M9的漏极，这两个电流叠加后经过NMOS管M9、M10组成的电流镜成比例映射，在NMOS管M10的漏极形成温度补偿比例控制模块13的补偿电流I4。整个温度补偿电路的补偿电流I4的表达式为： 

I4＝k[p*(I1-I2)+I3]    (5) 

表达式(5)中，k是NMOS管M9、M10的电流镜映射比例，p是PMOS管M7、M8的电流镜映射比例。 

表达式(5)中的补偿电流I4就是温度补偿电路的输出电流，补 偿电流I4被输入到调制电流输出模块2。补偿电流I4的输出波形参见图4所示。 

综上所述，分析图4中的波形关系，可以很清晰的得到补偿电流I4的输出曲线特性。上文已经分析过：改变可变电阻R3，就可以改变正温度系数电流I1的曲线斜率；改变可变电阻R4的大小，就可以改变零温度系数电流I2的大小。因此，只要合适的选择可变电阻R3、R4的阻值，就很容易控制电流IDM7的转折点A的位置，转折点A以后的斜率与正温度系数电流I1的斜率相同。电流IDM7的曲线特性决定了补偿电流I4的曲线特性，最后得到的补偿电流I4就是温度补偿电路的输出电流。曲线中转折点A就是温度补偿的起始点，转折点A以后补偿电流I4的特性就是补偿电流的特性。整个曲线可以通过调整可变电阻R3、R4来改变，以便和不同激光器的温度特性相匹配。 

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 

Claims (9)

1.一种应用于激光驱动器的温度补偿电路，其特征在于：包括正温度系数电流产生模块(11)、零温度系数电流产生模块(12)和温度补偿比例控制模块(13)，所述正温度系数电流产生模块(11)的输出端、零温度系数电流产生模块(12)的输出端均与温度补偿比例控制模块(13)的输入端连接；

所述正温度系数电流产生模块(11)用于：产生随温度升高而增大的正温度系数电流I1，以确定温度补偿的斜率；

所述零温度系数电流产生模块(12)用于：产生与温度无关的零温度系数电流I2，以确定温度补偿的起始温度；

所述温度补偿比例控制模块(13)用于：通过采样得到正温度系数电流I1和零温度系数电流I2的差值(I1-I2)，将所述差值(I1-I2)与控制补偿电流I4大小的外部输入电流I3进行叠加，来确定补偿电流I4的大小，以控制温度补偿的比例。

2.如权利要求1所述的应用于激光驱动器的温度补偿电路，其特征在于：所述正温度系数电流产生模块(11)的实现电路包括：运算放大器A1、A2，NMOS管M1、M4，PMOS管M2、M3，电阻R1、R2，可变电阻R3和PNP晶体管Q1，其中，运算放大器A1的正极接输入电压V1，负极接NMOS管M1的源级，输出端接NMOS管M1的栅极，电阻R1一端接运算放大器A1的负极，另一端接晶体管Q1的发射极，晶体管Q1的基极和集电极相连并接地；PMOS管M2的漏极和NMOS管M1的漏极相连，PMOS管M2的栅极和漏极连接，PMOS管M2、M3共栅极，PMOS管M2、M3的源极均接电源VDD，PMOS管M3的漏极分别与运算放大器A2的正极、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接地，运算放大器A2的输出端接NMOS管M4的栅极，运算放大器A2的负极分别与NMOS管M4的源级、可变电阻R3的一端连接，可变电阻R3的另一端接地。

3.如权利要求2所述的应用于激光驱动器的温度补偿电路，其特征在于：所述NMOS管M4的漏极为正温度系数电流产生模块(11)的输出端，输出所述正温度系数电流I1。

4.如权利要求2所述的应用于激光驱动器的温度补偿电路，其特征在于：所述零温度系数电流产生模块(12)的实现电路包括：运算放大器A3、NMOS管M0、PMOS管M5、M6和可变电阻R4，其中，运算放大器A3的正极接输入电压V1，负极接NMOS管M0的源级，输出端接NMOS管M0的栅极，可变电阻R4一端接运算放大器A3的负极，另一端接地，NMOS管M0的漏极和PMOS管M6的漏极连接，PMOS管M6的栅极和漏极连接，PMOS管M5、M6共栅极，PMOS管M5、M6的源级均接电源。

5.如权利要求4所述的应用于激光驱动器的温度补偿电路，其特征在于：所述PMOS管M5的漏极为零温度系数电流产生模块(12)的输出端，输出所述零温度系数电流I2。

6.如权利要求2或4要求所述的应用于激光驱动器的温度补偿电路，其特征在于，所述输入电压V1为与温度系数无关的带隙基准电压。

7.如权利要求4所述的应用于激光驱动器的温度补偿电路，其特征在于：所述温度补偿比例控制模块(13)的实现电路包括：PMOS管M7、M8和NMOS管M9、M10，其中，PMOS管M7、M8共栅极，PMOS管M7、M8的源极均接电源，PMOS管M7的栅极和漏极连接，PMOS管M8的漏极和NMOS管M9的漏极连接，NMOS管M9的漏极还连接外部输入电流I3，NMOS管M9的栅极和漏极连接，NMOS管M9、M10共栅极，NMOS管M9、M10的源极均接地。

8.如权利要求7所述的应用于激光驱动器的温度补偿电路，其特征在于：所述NMOS管M4的漏极分别与PMOS管M5、M7的漏极连接。

9.如权利要求7所述的应用于激光驱动器的温度补偿电路，其特征在于：所述NMOS管M10的漏极为所述温度补偿比例控制模块(13)的输出端，输出所述补偿电流I4。

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