JP4566692B2 - 発光ダイオード駆動装置及びそれを備えた光伝送装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光ダイオード駆動装置及びそれを備えた光伝送装置に関し、広い動作温度範囲での光を用いた信号伝達手段に有効的である。
近年、デジタル信号の光通信が広く用いられている。その光源としては発光ダイオード(以下、「LED(Light Emitting Diode)」と略す。)や半導体レーザが広く用いられている。半導体レーザは、高速駆動が容易であるが、温度に対して不安定である。したがって、半導体レーザは、この熱的動作の安定化のために様々な工夫が必要となり、回路構成が複雑となる。一方、LEDを用いると、簡易な回路構成で安価に光通信が実現することができる。
ところで、近年、光通信は、車載用デバイスとしても広く用いられてきており、動作温度範囲が広く要求されてきている。また、これらの分野においても比較的安価なプラスチックファイバが用いられるが、このプラスチックファイバの透過率は波長650nm及び570nmにて略最大となり、赤外発光ダイオードよりも赤色LEDが用いられる。すなわち、石英ファイバは赤外光の波長である1300nmの透過率も良く、高速通信に用いられている。しかし、石英ファイバは、曲げ等に弱く、取り扱いに注意が必要であり、高価である。一方、プラスチックファイバは、石英ファイバと比較すると、減衰率は落ちるが安価で曲げにも強い。したがって、プラスチックファイバは、長距離ではない数十メートルの通信を行う場合に用いられる。また、プラスチックファイバの材料の特性により、透過率が赤色LEDの波長である650nmにピークを持つので、一般的にデジタルオーディオ等の光通信に使用されている。
ここで、上記熱的動作の安定化及び動作温度広範囲化の要求を満足するための方式及び回路について述べる。
従来のLED101を駆動する基本的なLED駆動回路100は、図9に示すように、外部から入力されるドライブパルス信号Vinに基づいてLED101のドライブ電流Idrivを発生するドライブパルス電流発生回路102と、上記ドライブパルス信号Vinを微分したピーキング電流Ipeakを発生するピーキング電流発生回路である微分回路103とを備えている。上記ドライブパルス信号Vinは、インバータ104を介してドライブパルス電流発生回路102及び微分回路103に入力される。そして、LED101には、ドライブ電流Idrivとピーキング電流Ipeakとの和に等しい電流Iledが流れるようになっている。
ところで、このLED駆動回路100では、外部から入力されるドライブパルス信号Vinに応じて、ドライブパルス電流発生回路102によりLED101を駆動する場合、LED101自体の図示しないアノードとカソードとの端子間に並列に静電容量を有している。このため、LED101を高速で駆動させる場合、その静電容量による寄生容量での電荷の充放電に要する時間が無視できず、図10(a)(b)に示すように、光パルス波形の立ち上がり及び立ち下がりに時間の遅延が生じる。このような問題が有り、LED101を用いる場合、LED101固有の応答速度に依存する光パルス出力しか得られない。
しかし、LED101固有の応答速度以上に高速に駆動する必要がある場合には、様々の提案がある。その提案の中に、例えば、オーバーシュートという手法とバックシュートという手法とがある。オーバーシュートという手法は、ドライブ電流Idrivにピーキング電流Ipeakを加算させ、LED101の寄生容量の電荷に急速に充電することにより立ち上がり時間を短縮させる手法である。また、バックシュートという手法は、LED101に逆バイアスを印加することにより、LED101消光時に寄生容量の電荷を急速に放電することによって立ち下がり時間を短縮させる手法である。
特開2001−326569号公報(平成13年11月22日公開)
ところで、上記従来のLEDを高速に駆動する手法においては、図11(a)(b)(c)に示すように、ピーキング電流量が温度変化に対して変動し、高温においてはピーキング電流Ipeakが低下する一方、低温時にはピーキング電流Ipeakは増大する。これは、前記インバータ104の出力ON抵抗が高温時に増大する一方、低温時に低下し、それにより、ピーキング電流Ipeakを制限する量が変化することに起因する。このことにより、LED101の特性によっては、図11(c)に示すように、高温時にピーキング電流Ipeakが不十分となり、十分な高速応答が得られないという問題点を有している。
また、図11(b)に示すように、低温時にはピーキング電流Ipeakが過剰となり、光出力波形にオーバーシュートを発生してしまう。
また、LED101の構造によって光出力に個々の温度特性が存在し、一般的には、高温で発光効率が低下する。このため、ドライブ電流Idrivを増加させることにより、一定の光出力を得る必要がある。ここでも同様に、ピーキング電流Ipeakをドライブ電流Idrivに重畳させる方式であるので、ドライブ電流Idrivを大きく変動させる場合には、ピーキング電流Ipeakを比例して増加させる必要がある。しかし、従来の方式では、ドライブ電流Idrivに比例してピーキング電流Ipeakを任意に調整することができない。このため、ドライブ電流Idrivを変化させたときに、ピーキング電流Ipeakが不足又は過剰となり、出力光出力波形は、図10(b)に示す光出力波形W5となり、必要とする図10(a)に示す光出力波形W4が得られない。
ここで、光通信において送信される光信号に大きなオーバーシュートが生じた場合、受信側の回路においてオーバーシュートのピークを検知する方式があるとする。このとき、光受信レベルをピークで認識するためピーキング電流Ipeakの大きさだけ光のレベルが大きいと判断してしまい、誤動作が生じる。このように、光のオーバーシュートが大きい場合、光信号レベルに大きな誤差が生じ、受信感度の劣化を引き起こす。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、光出力波形の立ち上がり及び立ち下がりを高速化し、温度変化に対する応答特性等を改善してオーバーシュートの少ない光出力波形を実現することにより、高速駆動を実現し得る発光ダイオード駆動装置及びそれを備えた光伝送装置を提供することにある。
本発明の発光ダイオード駆動装置は、上記課題を解決するために、発光ダイオードを駆動する発光ダイオード駆動回路において、外部から入力されるドライブパルス信号に基づいて発光ダイオードのドライブ電流を発生するドライブ電流発生手段と、上記ドライブパルス信号を微分したピーキング電流を発生するピーキング電流発生手段とを備え、上記ドライブ電流とピーキング電流のピーク値との和に等しい電流が、発光ダイオードが発光及び消光するときに該発光ダイオードに流れると共に、上記ピーキング電流発生手段から発生されるピーキング電流のピーク値の大きさを制御するピーキング電流制御手段が設けられていると共に、上記ピーキング電流制御手段は、高温時におけるピーキング電流のピーク値の低下に伴う高速応答の低下を防止すべくピーキング電流のピーク値の大きさが大きくなるように制御する一方、低温時におけるピーキング電流の増大に伴う光出力波形のオーバーシュートの発生を防止すべくピーキング電流のピーク値の大きさが小さくなるように制御することを特徴としている。
上記の発明によれば、外部から入力されるドライブパルス信号に基づいてドライブ電流発生手段から発生される発光ダイオードのドライブ電流と、ピーキング電流発生手段から発生される、ドライブパルス信号を微分したピーキング電流とを加算する構成において、ピーキング電流発生手段から発生されるピーキング電流の大きさを制御するピーキング電流制御手段が設けられている。
この結果、発光ダイオードの発光時には、発光ダイオードが発光及び消光するときに加算されるピーキング電流を光出力波形にオーバーシュートが過剰にならない程度に制御する。一方、発光ダイオードの消光時には、バックシュートが過剰にならない程度に制御することにより、発光ダイオードの寄生容量から電荷の適切な放電を行い、光出力波形の立ち下がり時間が過剰なまでに短縮されることを抑制して、要求される光出力波形の立ち下がり時間になるように短縮することができる。
これにより、任意の光出力波形に、オーバーシュートを発生することなく、高速な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を持つ発光ダイオードの光出力波形を得ることができる。
したがって、光出力波形の立ち上がり及び立ち下がりを高速化し、温度変化に対する応答特性等を改善してオーバーシュートの少ない光出力波形を実現することにより、高速駆動を実現し得る発光ダイオード駆動装置を提供することができる。
また、上記の発明によれば、ピーキング電流制御手段は、前記ピーキング電流の大きさを、該ピーキング電流の温度変化に基づいて制御する。このため、温度変化に対して光出力波形にオーバーシュートを発生することなく、高速な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有する光出力波形を得ることができる。
また、本発明の発光ダイオード駆動装置は、上記記載の発光ダイオード駆動装置において、前記ピーキング電流制御手段は、さらに、高温時における発光効率の低下を防止すべくドライブ電流を増加させる場合に、ドライブ電流の増加に伴ってピーキング電流のピーク値の大きさが大きくなるように制御することを特徴としている。
上記の発明によれば、ピーキング電流制御手段は、前記ピーキング電流の大きさを、前記ドライブ電流の温度変化に基づいて制御する。このため、発光ダイオードの温度特性に合わせたドライブ電流及びピーキング電流を設定し、広い温度範囲での一定の光出力波形にオーバーシュートを発生することなく、高速な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有する光出力波形を得ることができる。
また、本発明の発光ダイオード駆動装置は、上記記載の発光ダイオード駆動装置において、前記ドライブ電流発生手段は、定電流回路と、該定電流回路と発光ダイオードとの間に設けられて上記ドライブパルス信号スイッチすることにより、発光ダイオードをオン、オフ制御するスイッチ手段とから構成されると共に、前記ピーキング電流発生手段は、前記発光ダイオードのカソードに接続される第1の抵抗と、上記第1の抵抗の他端に接続される第1のコンデンサと、前記ドライブパルス信号が入力されるインバータ回路と、上記第1のコンデンサの他端にドレインが接続され、上記インバータ回路の出力端子にソースが接続され、前記ピーキング電流のピーク値の大きさを制御すべく、ピーキング制御電圧(Vref)がゲートに与えられるMOSトランジスタとから構成される第1の微分回路からなっていることを特徴としている。
上記の発明によれば、ドライブ電流発生手段は、定電流回路と、該定電流回路と発光ダイオードとの間に設けられてドライブパルス信号スイッチすることにより、発光ダイオードをオン、オフ制御するスイッチ手段とから構成される。また、ピーキング電流発生手段は、発光ダイオードのカソードに接続される第1の抵抗と、上記第1の抵抗の他端に接続される第1のコンデンサと、ドライブパルス信号が入力されるインバータ回路と、第1のコンデンサの他端にドレインが接続され、上記インバータ回路の出力端子にソースが接続され、前記ピーキング電流を制御する制御電圧がゲートに与えられるMOSトランジスタとから構成される第1の微分回路からなっている。
このため、ピーキング電流を制御するMOSトランジスタのゲートに印加される電圧により、ピーキング電圧の振幅を制御することによって、容易にピーキング電流を調整することができる。また、温度変化及び駆動電流変化に対してもピーキング電流を最適化し、広い温度範囲において一定の光出力波形にオーバーシュートを発生することなく、高速な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有する光出力波形を得ることができる
た、本発明の発光ダイオード駆動装置は、上記記載の発光ダイオード駆動装置において、前記第1の微分回路におけるMOSトランジスタ、第1のコンデンサ及び第1の抵抗と並列に、第2の微分回路が接続されると共に、上記第2の微分回路は、前記インバータ回路の出力端子に接続される第2コンデンサと、一端が前記発光ダイオードのカソードに接続され、かつ他端が上記第2コンデンサに接続された第2の抵抗とからなっていることを特徴としている。
上記の発明によれば、第1の微分回路と並列に第2の微分回路が接続される。この第2の微分回路は、インバータ回路の出力端子に接続される第2コンデンサと、一端が発光ダイオードのカソードに接続され、かつ他端が上記第2コンデンサに接続された第2の抵抗とからなっている。
このため、例えば、ドライブ電流が20mAと大きくなり、かつピーキング電流が大きくなり、さらにピーキング電流の調整範囲がドライブ電流に対して小さい場合、可変範囲分を一方の第2の微分回路で制御し、他方の第1の微分回路で一定のドライブ電流に対するピーキング電流を発生させることにより、調整する微分回路の容量値を小さくできる。
これにより、制御するMOSトランジスタのON抵抗を小さくする必要がなくなり、安価に、光出力波形にオーバーシュートを発生することなく、高速な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有する光出力波形が得られる発光ダイオード駆動装置を実現することができる。
また、本発明の発光ダイオード駆動装置は、上記記載の発光ダイオード駆動装置において、前記インバータ回路は、前記第1の微分回路のために設けられる第1のインバータ回路と、前記第2の微分回路のために設けられる第2のインバータ回路とからなり、上記第1の微分回路における第1のインバータ回路及び第2の微分回路における第2のインバータ回路の前段には、該第1の微分回路及び第の微分回路から出力される2つのピーキング電流位相を合わせるための位相調整手段が設けられていることを特徴としている。
すなわち、第1の微分回路と第2の微分回路とを並列にした場合、第1の微分回路にはピーキング制御用のMOSトランジスタが付加されるので、ピーキング電流の位相が異なる場合に、発光ダイオードの光出力波形に段(こぶ)が発生する。
そこで、本発明では、このこぶを発生しないように、インバータ出力の位相をずらすべく、第1の微分回路における第1のインバータ回路及び第2の微分回路における第2のインバータ回路の前段には、該第1の微分回路及び第の微分回路から出力される2つのピーキング電流位相を合わせるための位相調整手段が設けられている。
この結果、タイミングを合わせる位相調整手段を設けることによって、段(こぶ)が発生しない光出力波形をえることができる。
また、本発明の発光ダイオード駆動装置は、上記記載の発光ダイオード駆動装置において、前記発光ダイオードのオフ時に、駆動電流として、一定のバイアス電流を出力するバイアス電流出力手段が設けられていることを特徴としている。
上記の発明によれば、発光ダイオードのオフ時に、駆動電流として、一定のバイアス電流を出力するバイアス電流出力手段が設けられている。すなわち、発光ダイオードの応答速度を速めるためのプリバイアス回路であるバイアス電流出力手段を付加して、発光ダイオードのオフ時に僅かに電流を流しておくことによって、発光時間を短縮でき、高速応答を得ることができる発光ダイオード駆動装置を提供することができる。
また、本発明の光伝送装置は、上記課題を解決するために、上記記載の発光ダイオード駆動回路を備えた光伝送装置であって、上記発光ダイオード駆動回路は、光ファイバー通信用、空間光伝送通信用、又はフォトカプラ信号伝送用の半導体発光素子の駆動回路に使用されることを特徴としている。
上記の発明によれば、簡易な回路構成で、安価な光ファイバー通信、空間光伝送通信、フォトカプラ信号伝送が可能となり、かつ、光出力波形の立ち上がり及び立ち下がりを高速化し、温度変化に対する応答特性等を改善してオーバーシュートの少ない光出力波形を実現することにより、高速駆動を実現し得る発光ダイオード駆動装置を備えた光伝送装置を提供することができる。
本発明の発光ダイオード駆動装置は、以上のように、発光ダイオードを駆動する発光ダイオード駆動回路において、外部から入力されるドライブパルス信号に基づいて発光ダイオードのドライブ電流を発生するドライブ電流発生手段と、上記ドライブパルス信号を微分したピーキング電流を発生するピーキング電流発生手段とを備え、上記ドライブ電流とピーキング電流のピーク値との和に等しい電流が、発光ダイオードが発光及び消光するときに該発光ダイオードに流れると共に、上記ピーキング電流発生手段から発生されるピーキング電流のピーク値の大きさを制御するピーキング電流制御手段が設けられていると共に、上記ピーキング電流制御手段は、高温時におけるピーキング電流のピーク値の低下に伴う高速応答の低下を防止すべくピーキング電流のピーク値の大きさが大きくなるように制御する一方、低温時におけるピーキング電流の増大に伴う光出力波形のオーバーシュートの発生を防止すべくピーキング電流のピーク値の大きさが小さくなるように制御するものである。
また、本発明の光伝送装置は、上記発光ダイオード駆動回路を備えた光伝送装置であって、上記発光ダイオード駆動回路は、光ファイバー通信用、空間光伝送通信用、又はフォトカプラ信号伝送用の半導体発光素子の駆動回路に使用されるものである。
それゆえ、発光ダイオードが発光及び消光するときに加算されるピーキング電流を、光出力波形にオーバーシュートが発生しない程度に制御し、発光ダイオードの寄生容量から電荷の放電を行い、要求される光出力波形の立ち下がり時間にまで短縮することができる。これにより、任意の光出力波形に、オーバーシュートを発生することなく、高速な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有する発光ダイオードの光出力波形を得ることができる。
したがって、光出力波形の立ち上がり及び立ち下がりを高速化し、温度変化に対する応答特性等を改善してオーバーシュートの少ない光出力波形を実現することにより、高速駆動を実現し得る発光ダイオード駆動装置及びそれを備えた光伝送装置を提供することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態について図1ないし図8に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態の発光ダイオード駆動回路は、光ファイバー通信用、空間光伝送通信用、又はフォトカプラ信号伝送用の半導体発光素子の駆動回路に使用される光伝送装置に適用可能となっている。
また、本実施の形態の光伝送装置は、機器間の制御信号やデータ伝送を行う通信機器に関して、機器間に電気的絶縁を行うために光を用いてデータ伝送を行う光伝送装置であって、電気信号を光信号に変換する発光素子及び発光ダイオード駆動装置と、図示しないが、その光信号を受信する受光素子及び受光素子で発生した電気信号を機器の制御信号を変換する増幅器とを備えている。
本実施の形態の光伝送装置における発光ダイオード駆動装置10は、図1に示すように、外部から入力されるドライブパルス信号Vinに基づいて発光ダイオード(以下、「LED(Light Emitting Diode)」と略す。)1のドライブ電流Idrivを発生するドライブ電流発生手段としてのドライブパルス電流発生回路20と、上記ドライブパルス信号Vinを微分したピーキング電流Ipeakを発生するピーキング電流発生手段としての微分回路30と、上記微分回路30から発生されるピーキング電流の大きさを制御するピーキング電流制御手段としてのピーキングコントロール回路40とを備えている。
上記ドライブパルス信号Vinは、詳細には、図2に示すように、インバータINV1を介してドライブパルス電流発生回路20及び微分回路30に入力される。そして、LED1には、ドライブ電流Idrivとピーキング電流Ipeakとの和に等しい電流Iledが流れるようになっている。
また、本実施の形態では、ピーキングコントロール回路40には、温度補償回路50が設けられている。この温度補償回路50は、ピーキング電流Ipeakの温度変化又はドライブ電流Idrivの温度変化を補償するものであり、本実施の形態では、ピーキングコントロール回路40は、ピーキング電流Ipeakの大きさをこの温度補償回路50によるピーキング電流Ipeakの温度変化に基づいて制御するか、又はドライブ電流Idrivの大きさをこの温度補償回路50によるドライブ電流Idrivの温度変化に基づいて制御するようになっている。
上記構成の発光ダイオード駆動装置10では、図1に示すように、ピーキングコントロール回路40から微分回路30への制御信号により、最適なピーキング電流Ipeakを発生させ、LED1の光出力波形を最適化することができる。また、温度補償回路50からピーキングコントロール回路40へ制御信号を送り、温度変化に対してLED1の光出力波形を最適化することができる。さらに、温度補償回路50からドライブパルス電流発生回路20へ信号を送りLED1の発光効率の温度特性に応じてドライブ電流量を制御する。この結果、一定の光出力強度を保ち、かつそれに応じたピーキング電流Ipeakを発生させるためにピーキングコントロール回路40に制御信号を与え、一定の光強度を保ち、必要な高速な光出力波形を得ることができる。
上記発光ダイオード駆動装置10の具体的な構成について、図2に基づいて説明する。
同図に示すように、ドライブパルス電流発生回路20では、定電流回路21と、この定電流回路21と前記LED1との間に設けられてドライブパルス信号Vinにてスイッチすることにより、LED1をオン、オフ制御するスイッチ手段としてのインバータINV1とから構成されている。
詳細には、定電流出力22とMOSトランジスタTr2のドレインと、ゲートと、MOSトランジスタTr3のゲートとが接続されている。また、MOSトランジスタTr2のソースとMOSトランジスタTr4のドレインとが接続され、MOSトランジスタTr4のゲートが電源電圧Vccに接続され、MOSトランジスタTr4のソースが接地されている。さらに、MOSトランジスタTr3のドレインがLED1のアノードに接続され、MOSトランジスタTr3のソースとインバータINV1の出力とが接続されている。
これにより、インバータINV1の出力がLow出力のときにLED1に定電流を流し、インバータINV1の出力がHighのときLED1に定電流が流れない。
すなわち、インバータINV1が、定電流回路21のスイッチとして働き、インバータINV1の出力がLowの時に、MOSトランジスタTr3のソースが接地され、MOSトランジスタTr2・Tr3がカレントミラー回路として動作する。一方、インバータINV1の出力がHighの時は、MOSトランジスタTr3のソースが電源電圧に接続されるので、カレントミラー回路としては動作せず、LED1に流す電流が流れなくなる。
また、微分回路30は、前記LED1のカソードに接続される第1の抵抗としての電流制限抵抗R1と、この抵抗R1の他端に接続される第1のコンデンサとしてのピーキング容量C1と、ドライブパルス信号Vinが入力されるインバータ回路としての前述したインバータINV1と、ピーキング容量C1の他端にドレインが接続され、インバータINV1の出力端子にソースが接続され、ピーキング電流Ipeakを制御する制御電圧がゲートに与えられるMOSトランジスタTr1とから構成される第1の微分回路31からなっている。すなわち、インバータINV1の出力振幅によりピーキング電流Ipeakが決定され、インバータINV1の出力振幅を制御する素子であるMOSトランジスタTr1のゲート電圧によりピーキング電流量の制御行う。
さらに、温度補償回路50は、図3(a)に示すように、例えば、温度特性が0の定電流I1と抵抗R3とバッファ51とで構成することができる。すなわち、この構成により、MOSトランジスタTr1のゲートに印加されるピーキング制御電圧Vrefに対して、抵抗R3の温度特性を持つことができる。
また、例えば、外部から駆動電流を設定する場合は、図3(b)に示すように、設定された駆動電流I2を用いることができる。すなわち、本実施の形態では、ピーキング制御電圧Vrefの温度変化によりピーキング電流Ipeakの温度変化量を設計する。したがって、ピーキング電流Ipeakの制御は、ピーキング制御電圧Vrefの温度変化を任意の固定値に設定することにより行うことになっている。
上記構成の発光ダイオード駆動装置10の動作について説明する。
上記発光ダイオード駆動装置10では、図2に示すように、ドライブパルス電流発生回路20において、外部から発光ダイオード駆動パルスであるドライブパルス信号Vinが入力され、電流パルスであるドライブ電流Idrivが出力される。また、第1の微分回路31では、入力パルスであるドライブパルス信号Vinを微分することによりピーキング電流Ipeakを発生させる。
そして、上記ピーキング電流Ipeakをドライブ電流Idrivに加算させ、LED電流Iledを発生させる。このとき、ピーキング電流Ipeakは、
Ipeak ∝ (Vref−Vth),C1,1/tr
である。ここで、VthはMOSトランジスタTrの閾値電圧である。
本実施の形態では、ピーキング制御電圧VrefがMOSトランジスタTr1のゲートに印加されることにより、ピーキング容量に印加されるピーキング電圧は、図4(a)(b)に示すように、
Vref−Vth …………(式1)
でクランプされる。また、MOSトランジスタTr1は、ピーキング容量C1、電流制限抵抗R1、及び該MOSトランジスタTr1のON抵抗で決まる時定数に比例する。
以上のようにして、LED電流Iledを得ることができる。
次に、温度補償及び駆動電流変化に対するピーキング電流補償について説明する。
ピーキング電流Ipeakは、上述の(式1)によりピーキング制御電圧Vrefの電圧により決定されるので、ピーキング制御電圧Vrefの温度特性を任意の値にすると、ピーキング電流Ipeakは、ピーキング制御電圧Vref−Vthの温度特性を持つ。例えば、図3(a)に示すように、温度特性が0の定電流I1と抵抗R3とによってピーキング制御電圧Vrefを設定する場合、抵抗R3の温度特性−Vthの温度特性を持つ。
また、外部から駆動電流I2を設定する場合は、図3(b)に示すように、設定された駆動電流I2に比例する電流からカレントミラー52にて抵抗R3に流れる電流に加算することによって、駆動電流I2に比例するピーキング制御電圧Vrefを設定することができる。
この結果、本実施の形態の発光ダイオード駆動装置10において、LED1の構造によって光出力に個々の温度特性が存在し、一般的には、高温で発光効率が低下する。このため、ドライブ電流Idrivを増加させることにより、一定の光出力を得る必要がある。本実施の形態では、ピーキング電流Ipeakをドライブ電流Idrivに重畳させる方式であるので、ドライブ電流Idrivを大きく変動させる場合には、ピーキング電流Ipeakを比例して増加させる必要がある。しかし、従来の方式では、ドライブ電流Idrivに比例してピーキング電流Ipeakを任意に調整することができなかったので、ドライブ電流Idrivを変化させたときに、ピーキング電流Ipeakが不足又は過剰となり、光出力波形は、図10(b)に示す光出力波形W5となり、必要とする図10(a)に示す光出力波形W4が得られなかった。
しかし、本実施の形態では、ドライブ電流Idrivに比例してピーキング電流Ipeakを任意に調整することができるので、図5に示すように、ドライブ電流Idrivが小さい場合においても、適正なピーキング電流Ipeakを設定することができる。
ところで、上記発光ダイオード駆動装置10では、閾値電圧Vthは、半導体製造工程上バラツキが含まれるので、略±0.2V程度である。しかし、これによって、ピーキング電流Ipeakのバラツキが発生する。
そこで、これを防止するために、MOSトランジスタTr1のゲートに印加されるピーキング制御電圧Vrefとして、ピーキング電圧Vref1に予めスレッシュ電圧としての閾値電圧Vthだけレベルシフトさせた電圧とすることが可能である。
すなわち、
Vref=Vref1+Vth …………(式2)
とすることによって、(式1)からピーキング電流IpeakにVthの項がなくなる。このことにより、ピーキング電流Ipeakのバラツキを低減することができる。
また、上記発光ダイオード駆動装置10において、ドライブ電流Idrivが大きくなると、このドライブ電流Idrivに比例して、ピーキング電流Ipeakも大きくする必要がある。このとき、ピーキング電流Ipeakを増やすためには、ピーキング容量C1を大きくする必要がある。しかし、過剰にピーキング容量C1を大きくすると、インバータINV1の立ち上がり時間又は立ち下がり時間の制限に影響を及ぼす。そこで、ピーキング容量C1を極端に大きくする場合には、電流制限抵抗R1を小さくかつ、MOSトランジスタTr1のON抵抗を小さくする必要が生じてくる。これらの理由より、極端なピーキング容量C1の増加は、ピーキング制御用のMOSトランジスタTr1のサイズ増大につながり、困難となる。
そこで、本実施の形態では、図2に示すように、ピーキング電流Ipeakの調整量分のみを可変とするもう一つの第2の微分回路32を用意することが可能である。すなわち、第1の微分回路31におけるMOSトランジスタTr1、ピーキング容量C1及び電流制限抵抗R1と並列に、第2の微分回路32を接続する。この第2の微分回路32は、インバータINV1の出力端子に接続される第2コンデンサとしてのピーキング容量C2と、一端がLED1のカソードに接続され、かつ他端が上記ピーキング容量C2に接続された第2の抵抗としての電流制限抵抗R2とから構成される。
この第2の微分回路32では、MOSトランジスタTr1のON抵抗を含まないピーキング容量C2及び電流制限抵抗R2の時定数にて一定なピーキング電流Ipeakを決定する。これにより、MOSトランジスタTr1を、必要以上に大きくすることなく、安価でかつ必要な回路構成にて、LED電流Iledを得ることができる。
一方、上述のように、2つの第1の微分回路31及び第2の微分回路32からそれぞれ発生するピーキング電流Ipeak1及びピーキング電流Ipeak2では、2つのピーキング電流Ipeak1及びピーキング電流Ipeak2に位相差が生じる。
すなわち、ピーキング電流Ipeak1は、ピーキング電流制御用のMOSトランジスタTr1を含む回路となっているので、ピーキング電流Ipeak2の位相が遅れてしまい、2つのピーキング電流Ipeak1及びピーキング電流Ipeak2の位相差が生じる。
この差が大きくなると、図6(a)に示すように、光出力波形W2に段(こぶ)5が発生する。これら段(こぶ)5の程度によっては誤動作の原因となる。
そこで、本実施の形態では、図7に示すように、2つの第1の微分回路31及び第2の微分回路32に入力される信号パルスであるドライブパルス信号Vinに位相差を設けて、第1の微分回路31及び第2の微分回路32から出力される2つのピーキング電流Ipeak1及びピーキング電流Ipeak2の位相を合わせるための位相調整手段としての位相補償回路33を設けることができる。また、このときには、第1の微分回路31のために設けられる第1のインバータ回路としてのインバータINV1とは別に、第2の微分回路32に第2のインバータ回路としてのインバータINV2を設ける必要がある。
これにより、2つの2つのピーキング電流Ipeak1及びピーキング電流Ipeak2のパルスの位相を合わせることができるので、図6(b)に示すように、光出力波形W3として光出力波形を最適化することができる。
なお、位相補償回路33は、例えば、図8(a)に示すように、第2の微分回路32側にインバータ34を2個直列にしたものや、図8(b)に示すように、第2の微分回路32側にローパスフィルタ35を配したもので構成することが可能である。
上記図8(a)に示す位相補償回路33では、入力信号であるドライブパルス信号Vinから一方のインバータINV1の入力にはそのまま接続され、他方のインバータINV2には2つのインバータ34・34を直列に追加することにより、インバータ34・34で発生する数ナノの時間遅延を発生させ、2つのインバータINV1・INV2に入力される信号に位相差を発生させることができる。また、図8(b)に示す位相補償回路33では、上記インバータ34・34を追加する代わりに、ドライブパルス信号VinとインバータINV2の入力との間に、抵抗を直列に接続し、容量をインバータINV2の入力に追加させる。これにより、ローパスフィルタを形成し、インバータINV2の入力に位相を遅らせた信号を印加させることができる。
ここで、本実施の形態の発光ダイオード駆動装置10において、高速駆動が必要となる場合、微分回路30のピーキング容量C1をさらに大きくする必要が出てくる。しかしながら、極端なピーキング容量C1の増大は、ピーキング電流Ipeakを決める時定数の増大となるので、ピーキング電流Ipeakを増加することができない。
そこで、これに対処するために、例えば、図2に示すように、LED1のオフ時に、ドライブ電流Idrivとして、一定のバイアス電流を出力するバイアス電流出力手段としてバイアス回路60を設けることが可能である。
このバイアス回路60は、LED1のOFF時に、一定の消光比を保つことができる程度の電流を流すことにより、LED1がOFFからONする時間を短縮することができる。なお、消光比とは、LED1の発光時(光ON)と消光時(光OFF)との光量の比をいう。
この手法は、プリバイアス手法と呼ぶことができる。このプリバイアス手法を用いることによって、ピーキング電流Ipeakの増大を招くことなく、つまり必要以上のピーキング容量C1の増加を行うことなく、低コストでLED1をより高速駆動することが実現できる。なお、このバイアス回路60は、図7に示すように、第1の微分回路31及び第2の微分回路32を有する場合においても適用可能である。
以上説明したように、本実施の形態では、光伝送装置における出力波形に対する以下の要求を同時に満足することができる。
(A)出力波形を要求される高速波形を調整可能にする。
(B)低コストで実現する。
このように、本実施の形態の発光ダイオード駆動装置10では、外部から入力されるドライブパルス信号Vinに基づいて、ドライブパルス電流発生回路20から発生されるLED1のドライブ電流Idrivと、微分回路30から発生される、ドライブパルス信号Vinを微分したピーキング電流Ipeakとを加算する構成において、微分回路30から発生されるピーキング電流Ipeakの大きさを制御するピーキングコントロール回路40が設けられている。
この結果、LED1の発光時には、LED1が発光及び消光するときに加算されるピーキング電流Ipeakを光出力波形にオーバーシュートが過剰にならない程度に制御する。一方、LED1の消光時には、バックシュートが過剰にならない程度にピーキング電流Ipeakを制御することにより、LED1の寄生容量から電荷の適切な放電を行い、光出力波形の立ち下がり時間が過剰なまでに短縮されることを抑制して、要求される光出力波形の立ち下がり時間になるように短縮することができる。
これにより、任意の光出力波形に、オーバーシュートを発生することなく、高速な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有する発光ダイオードの光出力波形を得ることができる。
したがって、光出力波形の立ち上がり及び立ち下がりを高速化し、温度変化に対する応答特性等を改善してオーバーシュートの少ない光出力波形を実現することにより、高速駆動を実現し得る発光ダイオード駆動装置10を提供することができる。
また、本実施の形態の発光ダイオード駆動装置10では、ピーキングコントロール回路40は、ピーキング電流Ipeakの大きさを、該ピーキング電流Ipeakの温度変化に基づいて制御する。このため、温度変化に対して光出力波形にオーバーシュートを発生することなく、高速な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有する光出力波形を得ることができる。
また、本実施の形態の発光ダイオード駆動装置10では、ピーキングコントロール回路40は、ピーキング電流Ipeakの大きさを、ドライブ電流Idrivの温度変化に基づいて制御する。このため、LED1の温度特性に合わせたドライブ電流Idriv及びピーキング電流Ipeakを設定し、広い温度範囲での一定の光出力波形にオーバーシュートを発生することなく、高速な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有する光出力波形を得ることができる。
また、本実施の形態の発光ダイオード駆動装置10では、ドライブパルス電流発生回路20は、定電流回路21と、この定電流回路21とLED1との間に設けられてドライブパルス信号Vinにてスイッチすることにより、LED1をオン、オフ制御するインバータINV1とから構成される。また、微分回路30は、LED1のカソードに接続される電流制限抵抗R1と、この電流制限抵抗R1の他端に接続されるピーキング容量C1と、ドライブパルス信号Vinが入力されるインバータINV1と、ピーキング容量C1の他端にドレインが接続され、インバータINV1の出力端子にソースが接続され、ピーキング電流Ipeakを制御する制御電圧がゲートに与えられるMOSトランジスタTr1とから構成される第1の微分回路31からなっている。
このため、ピーキング電流Ipeakを制御するMOSトランジスタTr1のゲートに印加される電圧により、ピーキング電圧の振幅を制御することによって、容易にピーキング電流Ipeakを調整することができる。また、温度変化及び駆動電流変化に対してもピーキング電流Ipeakを最適化し、広い温度範囲において一定の光出力波形にオーバーシュートを発生することなく、高速な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有する光出力波形を得ることができる。
ところで、MOSトランジスタTr1のゲートに印加されるピーキング制御電圧VrefからMOSトランジスタTr1の閾値電圧Vthを引いた値は、ピーキング電流Ipeakに比例する。
このため、本実施の形態では、半導体製造工程で発生する閾値電圧Vthのバラツキにより、ピーキング電流Ipeakとドライブ電流Idrivとの比率がバラつくので、ピーキング制御電圧Vrefに予めスレッシュ電圧分レベルシフトさせた電圧を印加する。
これにより、製造工程のバラツキに対して、安定したピーキング電流Ipeakを発生させることができる。
また、本実施の形態の発光ダイオード駆動装置10では、第1の微分回路31と並列に第2の微分回路32が接続される。この第2の微分回路32は、インバータINV1の出力端子に接続されるピーキング容量C2と、一端がLED1のカソードに接続され、かつ他端がピーキング容量C2に接続された電流制限抵抗R2とからなっている。
このため、例えば、ドライブ電流Idrivが20mAと大きくなり、かつピーキング電流Ipeakが大きくなり、さらにピーキング電流Ipeakの調整範囲がドライブ電流Idrivに対して小さい場合、可変範囲分を一方の第2の微分回路32で制御し、他方の第1の微分回路31で一定のドライブ電流Idrivに対するピーキング電流Ipeakを発生させることにより、調整する微分回路の容量値を小さくできる。
これにより、制御するMOSトランジスタTr1のON抵抗を小さくする必要がなくなり、安価に、光出力波形にオーバーシュートを発生することなく、高速な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有する光出力波形が得られる発光ダイオード駆動装置10を実現することができる。
ところで、第1の微分回路31と第2の微分回路32とを並列にした場合、第1の微分回路31にはピーキング制御用のMOSトランジスタTr1が付加されるので、ピーキング電流Ipeak1及びピーキング電流Ipeak2の位相が異なる場合に、LED1の光出力波形に段(こぶ)5が発生する。
そこで、本実施の形態では、この段(こぶ)5を発生しないように、インバータ出力の位相をずらすべく、第1の微分回路31におけるインバータINV1及び第2の微分回路32におけるインバータINV2の前段には、該第1の微分回路31及び第2の微分回路32から出力される2つのピーキング電流Ipeak1・ピーキング電流Ipeak2の位相を合わせるための位相補償回路33が設けられている。
この結果、タイミングを合わせる位相補償回路33を設けることによって、段(こぶ)5が発生しない光出力波形を得ることができる。
また、本実施の形態の発光ダイオード駆動装置10では、LED1のオフ時に、ドライブ電流Idrivとして、一定のバイアス電流を出力するバイアス回路60が設けられている。
すなわち、LED1の応答速度を速めるためのプリバイアス回路であるバイアス回路60を付加して、LED1のオフ時に僅かに電流を流しておくことによって、発光時間を短縮でき、高速応答を得ることができる発光ダイオード駆動装置10を提供することができる。
また、本実施の形態の光伝送装置は、発光ダイオード駆動装置10を備えた光伝送装置であって、この発光ダイオード駆動装置10は、光ファイバー通信用、空間光伝送通信用、又はフォトカプラ信号伝送用の半導体発光素子の駆動回路に使用可能である。
この結果、簡易な回路構成で、安価な光ファイバー通信、空間光伝送通信、フォトカプラ信号伝送が可能となり、かつ、光出力波形の立ち上がり及び立ち下がりを高速化し、温度変化に対する応答特性等を改善してオーバーシュートの少ない光出力波形を実現することにより、高速駆動を実現し得る発光ダイオード駆動装置10を備えた光伝送装置を提供することができる。
発光ダイオード駆動装置及びそれを備えた光伝送装置に関し、広い動作温度範囲での光を用いた信号伝達手段に有効的である。例えば、光ファイバー通信用、空間光伝送通信用、又はフォトカプラ信号伝送用の半導体発光素子の駆動回路に使用される光伝送装置に適用可能である。
本発明における発光ダイオード駆動装置の実施の一形態を示すものであり、発光ダイオード駆動装置の等価回路を示すブロック図である。 上記発光ダイオード駆動装置の具体的構成を示す回路図である。 (a)は上記発光ダイオード駆動装置における温度補償回路の具体的構成を示す回路図であり、(b)はさらに他の温度補償回路の具体的構成を示す回路図である。 (a)は上記発光ダイオード駆動装置においてピーキング制御を行わない場合のピーキング容量端子の電圧波形を示す波形図であり、(b)はピーキング制御を行った場合のピーキング容量端子の電圧波形を示す波形図である。 上記発光ダイオード駆動装置における駆動電流が小さい場合のドライブ電流Idriv、ピーキング電流Ipeak、LED電流Iled、及びLEDの光出力波形を示す波形図である。 (a)は上記発光ダイオード駆動装置において位相補償なし場合のドライブ電流Idriv、ピーキング電流Ipeak、LED電流Iled、及びLEDの光出力波形を示す波形図であり、(b)は位相補償有りの場合のドライブ電流Idriv、ピーキング電流Ipeak、LED電流Iled、及びLEDの光出力波形を示す波形図である。 上記発光ダイオード駆動装置の他の具体的構成を示す回路図である。 (a)は上記発光ダイオード駆動装置における位相補償回路の構成を示す回路図であり、(b)は位相補償回路の他の構成を示す回路図である。 従来の発光ダイオード駆動装置の等価回路を示すブロック図である。 (a)は上記発光ダイオード駆動装置における駆動電流が中程度の場合のドライブ電流Idriv、ピーキング電流Ipeak、LED電流Iled、及びLEDの光出力波形を示す波形図であり、(b)は駆動電流が小さい場合のドライブ電流Idriv、ピーキング電流Ipeak、LED電流Iled、及びLEDの光出力波形を示す波形図である。 (a)は上記発光ダイオード駆動装置における常温時のドライブ電流Idriv、ピーキング電流Ipeak、LED電流Iled、及びLEDの光出力波形を示す波形図であり、(b)は定温時のドライブ電流Idriv、ピーキング電流Ipeak、LED電流Iled、及びLEDの光出力波形を示す波形図であり、(c)は高温時のドライブ電流Idriv、ピーキング電流Ipeak、LED電流Iled、及びLEDの光出力波形を示す波形図である。
1 発光ダイオード
5 段(こぶ)
10 発光ダイオード駆動装置
20 ドライブパルス電流発生回路(ドライブ電流発生手段)
21 定電流回路
30 微分回路(ピーキング電流発生手段)
31 第1の微分回路
32 第2の微分回路
40 ピーキングコントロール回路(ピーキング電流制御手段)
50 温度補償回路
60 バイアス回路(バイアス電流出力手段)
C1 ピーキング容量(第1のコンデンサ)
C2 ピーキング容量(第2のコンデンサ)
Idriv ドライブ電流
Iled LED電流
Ipeak ピーキング電流
INV1 インバータ(インバータ回路、第1のインバータ回路、スイッチ手段)
INV2 インバータ(第2のインバータ回路)
R1 電流制限抵抗(第1の抵抗)
R2 電流制限抵抗(第2の抵抗)
Tr1 MOSトランジスタ
Tr3 MOSトランジスタ
Vin ドライブパルス信号
Vref ピーキング制御電圧
Vth 閾値電圧(スレッシュ電圧)

Claims (7)

  1. 発光ダイオードを駆動する発光ダイオード駆動回路において、
    外部から入力されるドライブパルス信号に基づいて発光ダイオードのドライブ電流を発生するドライブ電流発生手段と、
    上記ドライブパルス信号を微分したピーキング電流を発生するピーキング電流発生手段とを備え、
    上記ドライブ電流とピーキング電流のピーク値との和に等しい電流が、発光ダイオードが発光及び消光するときに該発光ダイオードに流れると共に、
    上記ピーキング電流発生手段から発生されるピーキング電流のピーク値の大きさを制御するピーキング電流制御手段が設けられていると共に、
    上記ピーキング電流制御手段は、
    高温時におけるピーキング電流のピーク値の低下に伴う高速応答の低下を防止すべくピーキング電流のピーク値の大きさが大きくなるように制御する一方、
    低温時におけるピーキング電流の増大に伴う光出力波形のオーバーシュートの発生を防止すべくピーキング電流のピーク値の大きさが小さくなるように制御することを特徴とする発光ダイオード駆動回路。
  2. 前記ピーキング電流制御手段は、さらに、
    高温時における発光効率の低下を防止すべくドライブ電流を増加させる場合に、ドライブ電流の増加に伴ってピーキング電流のピーク値の大きさが大きくなるように制御することを特徴とする請求項1記載の発光ダイオード駆動回路。
  3. 前記ドライブ電流発生手段は、
    定電流回路と、該定電流回路と発光ダイオードとの間に設けられて上記ドライブパルス信号スイッチすることにより、発光ダイオードをオン、オフ制御するスイッチ手段とから構成されると共に、
    前記ピーキング電流発生手段は、
    前記発光ダイオードのカソードに接続される第1の抵抗と、
    上記第1の抵抗の他端に接続される第1のコンデンサと、
    前記ドライブパルス信号が入力されるインバータ回路と、
    上記第1のコンデンサの他端にドレインが接続され、上記インバータ回路の出力端子にソースが接続され、前記ピーキング電流のピーク値の大きさを制御すべく、ピーキング制御電圧(Vref)がゲートに与えられるMOSトランジスタとから構成される第1の微分回路からなっていることを特徴とする請求項1又は2記載の発光ダイオード駆動回路。
  4. 前記第1の微分回路におけるMOSトランジスタ、第1のコンデンサ及び第1の抵抗と並列に、第2の微分回路が接続されると共に、
    上記第2の微分回路は、
    前記インバータ回路の出力端子に接続される第2コンデンサと、
    一端が前記発光ダイオードのカソードに接続され、かつ他端が上記第2コンデンサに接続された第2の抵抗とからなっていることを特徴とする請求項記載の発光ダイオード駆動回路。
  5. 前記インバータ回路は、前記第1の微分回路のために設けられる第1のインバータ回路と、前記第2の微分回路のために設けられる第2のインバータ回路とからなり、
    上記第1の微分回路における第1のインバータ回路及び第2の微分回路における第2のインバータ回路の前段には、該第1の微分回路及び第の微分回路から出力される2つのピーキング電流位相を合わせるための位相調整手段が設けられていることを特徴とする請求項記載の発光ダイオード駆動回路。
  6. 前記発光ダイオードのオフ時に、駆動電流として、一定のバイアス電流を出力するバイアス電流出力手段が設けられていることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の発光ダイオード駆動回路。
  7. 請求項1〜のいずれか1項に記載の発光ダイオード駆動回路を備えた光伝送装置であって、
    上記発光ダイオード駆動回路は、光ファイバー通信用、空間光伝送通信用、又はフォトカプラ信号伝送用の半導体発光素子の駆動回路に使用されることを特徴とする光伝送装置。
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