JP3468566B2 - 光半導体素子の駆動回路 - Google Patents
光半導体素子の駆動回路Info
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Description
回路に関する。 【0002】 【従来の技術】従来、光半導体素子の駆動回路として、
図8に示すように、発光ダイオード1,制御回路2およ
び定電流回路6から概略構成されたものがある。上記制
御回路2を構成する論理回路3の出力端子3a,3bから
は、制御入力信号Vinのレベルに応じて、レベル“H"
とレベル“L"の出力信号が出力される。そして、論理
回路3からの各出力信号に基づいて、各スイッチングト
ランジスタ4,5が相互にオン/オフすることによって発
光ダイオード1がオン/オフして光信号が伝送される。 【0003】ここで、上記発光ダイオード1がオン状態
の場合には、定電流回路6に引かれて電源電圧+Vccか
ら発光ダイオード1およびスイッチングトランジスタ5
を通って定電流I0が流れ、この定電流I0が発光ダイオ
ード1の順方向電流IFとなる。一方、発光ダイオード
1がオフ状態の場合には、定電流回路6に引かれて電源
電圧+Vccからスイッチングトランジスタ4を通って定
電流I0が流れる。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成を有する従来の光半導体素子の駆動回路には以下のよ
うな問題がある。すなわち、上記制御入力信号Vinの周
波数が高い場合(すなわち、発光ダイオード1を高速に
駆動する場合)には、制御入力信号Vinの周波数変化に
伴って光のオン時間および光のオフ時間が変化する。 【0005】また、上記光のオン/オフ時間(すなわち、
光の立ち上がり/立ち下がり時間)はスイッチングトラン
ジスタ5のオン/オフ時間による。ところで、光のオフ
時には発光ダイオード1の順方向電流IFが約0Aにな
ると共に、スイッチングトランジスタ5のコレクタ電流
が約0Aになるために、発光ダイオード1のカソード側
がハイインピーダンスになる。したがって、上記制御回
路2の駆動周波数に変化があると光オフ期間が変化し
て、光オフ状態における発光直前の発光ダイオード1の
バイアス電圧値やバイアス電流値が変化する。その結
果、光の立ち上がり時間および遅延時間が変化すること
になる。この様子を、図9の波形図に示す。 【0006】図9(a)は制御入力信号Vinの波形を示
し、図9(b)は発光ダイオード1の順方向電圧VFの波形
を示す。図9(a)において、制御入力信号Vinのレベル
が“H"である期間は論理回路3の出力に基づいて発光
ダイオード1はオン状態にあり、逆に制御入力信号Vin
のレベルが“L"である期間は発光ダイオード1はオフ
状態にある。上述のような光オフ時における光の立ち下
がりはスイッチングトランジスタ5に対する制御信号の
立ち下がりよりも急峻であり、順方向電圧VFも急峻に
立ち下がる。ところが、発光ダイオード1の順方向電流
IFが0Aになると、これに伴って急激に順方向電圧VF
の立ち下がりが鈍くなり、それに連れて、図9(b)に示
すように、光オフ期間における順方向電圧VFのレベル
が徐々に低下するようになる。 【0007】上述のような状態において、図9に実線で
示すように、ある一定の周波数で制御回路2を駆動して
いる場合には、発光ダイオード1における発光直前の順
方向電圧VFは一定(=VF1)となり、順方向電圧VFの立
ち上がり時間trも一定(=tr1)となる。その結果、遅
延時間tpは一定(tp1)となって変化しない。これに対し
て、図9に破線で示すように、光オフ期間が変動した場
合には、上述の光オフ期間におけるレベル低下に起因し
て発光ダイオード1の発光直前における順方向電圧VF
は“VF3"に変化する。したがって、光の遅延時間tpお
よび立ち上がり時間trにΔVF(=VF3−VF1)に相当す
る変化が生じて、光の遅延時間tpは“tp2"になり、立
ち上がり時間trは“tr2(<tr1)"になる。 【0008】また、上記発光ダイオード1にはPN接合
によるジャンクション容量が存在する。このジャンクシ
ョン容量には製造過程においてばらつきが生じ、このば
らつきによって応答時間にばらつきが生ずる。図10に
その様子を示し、図10(a)は制御入力信号Vinの波形
であり、図10(b)は発光ダイオード1の順方向電圧VF
の波形である。尚、図中、実線はジャンクション容量C
jが大きい場合の順方向電圧VFの波形を示し、破線はジ
ャンクション容量Cjが小さい場合の順方向電圧VFの立
ち下がりを示す。図から明らかなように、ジャンクショ
ン容量Cjが大きい場合の順方向電圧VFの立ち下がり時
間“tf1"とジャンクション容量Cjが小さい場合の順方
向電圧VFの立ち下がり時間“tf2"とにはtf1<tf2な
る関係がある。したがって、ジャンクション容量Cjの
ばらつきによって応答時間がばらつくのである。 【0009】以上のことから、光信号の伝送を光ファイ
バ・リンク等によって実施するに際して、制御入力信号
Vinとして高周波成分を含む周波数の異なる複数の信号
から構成されたランダムな信号が入力されると、順方向
電圧VFの遅延時間tpのばらつき量(つまり、ジッタ量)
が大きくなり、高速且つ正確な情報伝達が困難になると
いう問題がある。さらに、発光ダイオード1のジャンク
ション容量Cjのばらつきによって応答時間がばらつく
という問題もある。 【0010】また、図11に示すように、上記発光ダイ
オード1,制御回路2および定電流回路6から構成され
る光半導体素子の駆動回路にプリバイアス印加回路7を
付加して、光オフ時に発光ダイオード1にプリバイアス
電圧VFBを印加するようにした光半導体素子の駆動回路
がある。しかしながら、発光ダイオード1のVF−IF温
度特性(図12)およびVF−光量温度特性(図13)から
分かるように、温度依存性の高い電圧をプリバイアス源
として用いた場合には、環境温度の変化によって安定し
た光オフ時の順方向電圧VFが得られないのである。し
たがって、環境温度によっては、スイッチングトランジ
スタ5がオフであるにも拘わらず光オン状態になる可能
性がある。 【0011】そこで、この発明の目的は、変化の激しい
高周波成分を含む信号に対しても光半導体素子を高速に
且つ確実に駆動でき、光半導体素子のジャンクション容
量のばらつきによる応答時間のばらつきを抑え、光半導
体素子の温度係数をキャンセルする温度係数を有する定
電流回路を用いることによって光半導体素子の光量の温
度依存性を無くした光半導体素子の駆動回路を提供する
ことにある。 【0012】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に係る発明は、端子と定電流源との間に並
列に接続された第1,第2のスイッチング素子と,上記
第1,第2のスイッチング素子を制御入力信号のレベル
に応じて一方をオンに他方をオフに制御する論理回路
と,上記端子と第2のスイッチング素子との間に接続さ
れた光半導体素子を備える光半導体素子の駆動回路にお
いて、上記光半導体素子に対して順方向であって当該光
半導体素子が発光しない程度の定電流を流すバイアス回
路を当該光半導体素子と第2のスイッチング素子との間
に接続し、上記バイアス回路を、上記光半導体素子に対
するプリバイアス源として、上記光半導体素子の温度係
数をキャンセルする温度係数を有する定電流を出力し
て、光オフ時における順方向電圧の温度依存性を抑制す
るように構成されたプリバイアス定電流回路としたこと
を特徴としている。 【0013】 【0014】 【作用】請求項1に係る発明では、論理回路によって制
御入力信号のレベルに応じて、端子と定電流源との間に
並列に接続された第1,第2のスイッチング素子の一方
がオンされ他方がオフされる。そして、上記第2のスイ
ッチング素子がオンした際に上記端子と第2のスイッチ
ング素子の間に接続された光半導体素子が発光して、上
記制御入力信号のレベルに応じた光信号が出力される。
その際に、バイアス回路としてのプリバイアス定電流回
路によって、上記光半導体素子に対して、順方向であっ
て当該光半導体素子が発光しない程度であり、且つ、上
記光半導体素子の温度係数をキャンセルする温度係数を
有する定電流が常時流されて、光オフ時における順方向
電圧の温度依存性が抑制される。こうして、上記光半導
体素子に対するプリバイアス源として温度依存性の低い
電流が用いられて、環境温度の変化によって上記光オフ
時に光半導体素子が発光することが防止される。 【0015】 【0016】 【実施例】以下、この発明を図示の実施例により詳細に
説明する。図1は本実施例における光半導体素子の駆動
回路の回路図である。この光半導体素子の駆動回路は、
光半導体素子としての発光ダイオード21,制御回路2
2,定電流回路26およびバイアス回路27から概略構
成される。上記発光ダイオード21は、アノードが本光
半導体素子の駆動回路の端子(図示せず)を介して電源電
圧Vccに接続される一方、カソードが制御回路22を構
成するスイッチングトランジスタ25のコレクタに接続
されている。 【0017】上記制御回路22は、TTL(トランジス
タ・トランジスタ・ロジック)等からなる論理回路23と
npn型のスイッチングトランジスタ24,25とから
成り、論理回路23の各出力端子23a,23bの夫々は
スイッチングトランジスタ24,25の各ベースに接続
されている。スイッチングトランジスタ24は、そのコ
レクタが本光半導体素子の駆動回路の他の端子(図示せ
ず)を介して電源電圧Vccに接続されており、エミッタ
は定電流回路26に接続されている。一方、スイッチン
グトランジスタ25は、コレクタが発光ダイオード21
のカソードおよびバイアス回路27に接続されており、
エミッタは定電流回路26に接続されている。 尚、上記定電流回路26及びバイアス回路27は接地さ
れているものとする。 【0018】上記制御回路22を構成する論理回路23
は、入力端子からレベル“H"の制御入力信号Vinを入
力すると、出力端子23aからレベル“L"の出力信号を
出力する一方、出力端子23bからレベル“H"の出力信
号を出力するようになっている。また、バイアス回路2
7は定電流回路であり、制御入力信号Vinのレベルに拘
わらず発光ダイオード21に定電流I2が流れるように
動作する。図2に上記発光ダイオード21の順方向電圧
VF−順方向電流IF特性を示す。尚、発光ダイオード2
1はバイアス回路27からの定電流I2では発光しない
ものとする。 【0019】上記制御入力信号Vinのレベルが“L"と
なって論理回路23の出力端子23bの出力レベルが
“L"となり、スイッチングトランジスタ25がオフと
なる光信号オフ状態の場合には、発光ダイオード21に
流れる順方向電流IFはバイアス回路27に基づく電流
I2のみとなる。一方、制御入力信号Vinのレベルが
“H"となって論理回路23の出力端子23bの出力レベ
ルが“H"となり、スイッチングトランジスタ25がオ
ンとなる光信号オン状態の場合には、発光ダイオード2
1に流れる順方向電流IFは定電流回路26に基づく電
流I1とバイアス回路27に基づく電流I2との和(I1+
I2)となる。その結果、光信号オン時には発光ダイオー
ド21が発光する一方、光信号オフ時には発光ダイオー
ド21は発光しないのである。 【0020】図3に、本実施例の光半導体の駆動回路に
おける論理回路23への制御入力信号Vin(図3(a))と
発光ダイオード21の順方向電圧VF(図3(b))との関係
を示す。上記制御入力信号Vinのレベルが“H"である
期間は論理回路23の出力に基づいて発光ダイオード2
1はオン状態であり、逆に制御入力信号Vinのレベルが
“L"である期間は発光ダイオード21はオフ状態であ
る。そして、このオフ状態であってもバイアス回路27
によって発光ダイオード21には一定の電流I2が流れ
ているために、光オフ状態においても順方向電圧VFは
“0V"にはならず一定の電圧“VF4"となる。そして、
制御入力信号Vinのレベルが“H"である場合における
順方向電圧VFを“VF2"とすると、光オフ時にはスイッ
チングトランジスタ25の制御信号の立ち下がりによっ
て電圧VF2から電圧VF4へ急峻に立ち下がる。 【0021】また、図中破線で示すように、光オフ期間
が変動した場合でも、発光ダイオード21における発光
直前の順方向電圧VFは実線で示す光オン期間が同じ場
合の波形に等しく“VF4"となる。その結果、光オフ期
間の異なる制御入力信号Vinが上記制御回路22に入力
された場合の立ち上がり時間“tr2'"は、光オフ期間が
同じ制御入力信号Vinが入力された場合の立ち上がり時
間“tr1'"と大略同じ(tr2'≒tr1')になる。したがっ
て、例えランダムな制御入力信号Vinが入力されたとし
ても、応答時間に対するばらつきを押さえることができ
るのである。 【0022】さらに、図4には、上記発光ダイオード2
1におけるジャンクション容量Cjのばらつきによる順
方向電圧VFの波形の変動を示す。尚、図4(a)は制御入
力信号Vinの波形であり、図4(b)は発光ダイオード2
1の順方向電圧VFの波形である。図中、実線はジャン
クション容量Cjが大きい場合の順方向電圧VFの波形を
示し、破線はジャンクション容量Cjが小さい場合の順
方向電圧VFの立ち下がりを示す。本実施例において
は、上述のように、光オフ時においても発光ダイオード
21に一定電流I2が流れて順方向電圧VFが一定値“V
F4"となっている。したがって、図4に示すように、光
オフ時における順方向電圧VFの立ち下がりが急峻とな
るために、ジャンクション容量Cjが大きい場合の順方
向電圧VFの立ち下がり時間“tf1'"とジャンクション
容量Cjが小さい場合の順方向電圧VFの立ち下がり時間
“tf2'"とには差がなくなる。すなわち、(tf1'−
tf2'<<tf1−tf2)となるために、発光ダイオード2
1のジャンクション容量Cjのばらつきに対する応答時
間のばらつきを大きく改善できるのである。 【0023】図5は、本実施例におけるバイアス回路2
7を具体化したプリバイアス定電流回路の回路図を示
す。このプリバイアス定電流回路28において、 k・T/q・ln(I3/I)=k・T/q・ln(I2/2I)+R2×
I2 但し、 T:温度 q:電子の電荷量 I3:抵抗29およびトランジスタ30,31を通って流
れる電流 I:逆方向の接合飽和電流 R2:抵抗32の抵抗値 なる関係があるから、上記定電流I2の値は、 k・T/q・ln(I3/I2)=I2・R2 なる関係式によって決まる。ここで、上記抵抗R2をベ
ース拡散抵抗であるとすると、抵抗R2の温度係数は略
+3000ppm/℃となる。また、k・T/qの温度係数を
−3300ppm/℃とする。そうすると、定電流I2の温
度係数は大略−300ppm/℃と低い値となる。また、製
造プロセスの条件を変えることによって抵抗R2の温度
係数を変化させて、上記発光ダイオード21の温度係数
をキャンセルする温度係数を有する定電流I2を得るこ
とができる。 【0024】一方、図11に示す従来のプリバイアス印
加回路7よる発光ダイオード1に対するプリバイアス電
圧VFBは、 VFB=2VFD−(VFD−VBEP)×R11/R12 但し、 VFD:ダイオード8,9の順方向電圧 VBEP:pnp型トランジスタ10のベース−エミッタ
間電圧 R11:抵抗11の抵抗値 R12:抵抗12の抵抗値 となる。その場合におけるプリバイアス電圧VFBの温度
係数は約−4mV/℃である。 【0025】又、図2に示す発光ダイオード21のVF
−IF特性において、順方向電流IFが“I2"を越えると
僅かな順方向電圧VFの変化で順方向電流IFが大きく変
化するようになる。したがって、従来例のごとく発光ダ
イオード21に対するプリバイアス源として電圧を用い
ると、環境温度の変化によってプリバイアス電圧VFBが
僅かに変化しても順方向電流IFが大きく変化するため
に、光信号をオフにするレベル“L"の制御入力信号Vi
nが制御回路22に入力されても発光ダイオード21の
順方向電流IFが発光閾値を越えて発光ダイオード21
が発光してしまう場合がある。 【0026】しかしながら、図12に示す発光ダイオー
ド21のVF−IF温度特性および図6に示すIF−光量
温度特性から分かるように、順方向電流IFの温度依存
性は低い。図7は、図6に示すIF−光量温度特性,図1
2に示すVF−IF温度特性及び図13に示すVF−光量
温度特性から求めたプリバイアス源として電圧を用いた
場合と定電流を用いた場合とにおける発光ダイオードの
光量−温度特性を示す。図7から、プリバイアス源とし
て定電流を用いた方が光量の温度依存性が低いことが分
かる。つまり、上記プリバイアス源として定電流を用い
ることによって、スイッチングトランジスタ25がオフ
時には必ず光オフ状態を実現できるのである。その結
果、本実施例によれば、上記光オフ時における順方向電
圧VFを安定にすることができ、従来通りの交流信号の
みならず直流信号の伝達も可能になる。 【0027】上述のように、本実施例においては、上記
発光ダイオード21のカソードにバイアス回路27を接
続して、制御回路22に入力される制御入力信号Vinの
レベルに拘わらず発光ダイオード21には定電流I2を
流すようにしている。このように、上記発光ダイオード
21に常時定電流I2を流すことによって、先ず第1
に、光オフ状態における順方向電圧VFが一定電圧“V
F4"となり、光オフ期間の異なる制御入力信号Vinが制
御回路22に入力されても順方向電圧VFの立ち上がり
時間trが大略一定となって応答時間のばらつきがなく
なる。したがって、変化の激しい高周波成分を含む信号
に対しても発光ダイオード21を高速に且つ確実に安定
して駆動できる。第2に、上記発光ダイオード21にお
けるジャンクション容量Cjのばらつきによる順方向電
圧VFの立ち下がり時間tfのばらつきを押えて、応答時
間のばらつきを改善できる。第3に、上記発光ダイオー
ド21に対するプリバイアス源として発光ダイオード2
1の温度係数をキャンセルする温度係数を有する定電流
I2を用いれば光オフ時における順方向電圧VFの温度依
存性を抑制でき、発光ダイオード21の光量の温度依存
性を無くすことできる。すなわち、本実施例によれば、
光信号による直流信号の伝達が容易に可能になるのであ
る。 【0028】尚、本実施例においては、上記光半導体素
子として発光ダイオード21を用いているが、半導体レ
ーザを用いても差し支えない。 【0029】 【発明の効果】以上より明らかなように、請求項1に係
る発明の光半導体素子の駆動回路は、論理回路及び第
1,第2のスイッチング素子によって制御入力信号のレ
ベルに応じてオン・オフ制御される光半導体素子に対し
て、バイアス回路としてのプリバイアス定電流回路によ
って、当該光半導体素子が発光しない程度であって且つ
上記光半導体素子の温度係数をキャンセルする温度係数
を有する順方向の定電流を流すようにしたので、上記光
半導体素子に対するプリバイアス源として温度依存性の
低い電流を用いることができ、光オフ時における上記光
半導体素子に対する順方向電圧の温度依存性を抑制する
ことができる。したがって、光オフ時における上記光半
導体素子の光量の温度依存性を無くすことできる。 すな
わち、この発明によれば、光信号による直流信号の伝達
が容易に可能になるのである。 【0030】 【0031】
例を示す回路図である。 【図2】図1における発光ダイオードの順方向電圧−順
方向電流特性図である。 【図3】図1の光半導体素子の駆動回路における制御入
力信号と発光ダイオードの順方向電圧との関係を示す図
である。 【図4】図1における発光ダイオードのジャンクション
容量のばらつきによる応答時間の変動を示す図である。 【図5】プリバイアス定電流回路の一例を示す回路図で
ある。 【図6】発光ダイオードにおける順方向電流−光量温度
特性図である。 【図7】プリバイアス源として電圧を用いた場合と定電
圧を用いた場合における発光ダイオードの光量−温度特
性を示す図である。 【図8】従来の光半導体素子の駆動回路の回路図であ
る。 【図9】図8の光半導体素子の駆動回路における制御入
力信号と発光ダイオードの順方向電圧との関係を示す図
である。 【図10】図8における発光ダイオードのジャンクショ
ン容量のばらつきによる応答時間の変動を示す図であ
る。 【図11】図8の光半導体素子の駆動回路にプリバイア
ス印加回路を併用した場合の回路図である。 【図12】発光ダイオードにおける順方向電圧−順方向
電流温度特性図である。 【図13】発光ダイオードにおける順方向電圧−光量温
度特性図である。 【符号の説明】 21…発光ダイオード、 22…制御回路、
23…論理回路、 24,25…スイ
ッチングトランジスタ、26…定電流回路、
27…バイアス回路、28…プリバイアス定電流
回路。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 端子と定電流源との間に並列に接続され
た第1,第2のスイッチング素子と、上記第1,第2の
スイッチング素子を制御入力信号のレベルに応じて一方
をオンに他方をオフに制御する論理回路と、上記端子と
第2のスイッチング素子との間に接続された光半導体素
子を備える光半導体素子の駆動回路において、 上記光半導体素子に対して順方向であって当該光半導体
素子が発光しない程度の定電流を流すバイアス回路を、
当該光半導体素子と第2のスイッチング素子との間に接
続し、 上記バイアス回路を、上記光半導体素子に対するプリバ
イアス源として、上記光半導体素子の温度係数をキャン
セルする温度係数を有する定電流を出力して、光オフ時
における順方向電圧の温度依存性を抑制するように構成
されたプリバイアス定電流回路としたことを特徴とする
光半導体素子の駆動回路。
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