KR100396724B1

KR100396724B1 - 발광다이오드 구동회로 및 광송신모듈

Info

Publication number: KR100396724B1
Application number: KR10-2001-0026771A
Authority: KR
Inventors: 사쿠라시게유키; 가미니시가츠지
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2003-09-02
Also published as: EP1156603A2; JP2001326569A; EP1156603A3; CN1324153A; US20010043093A1; TW483203B; US6724376B2; KR20010105228A; CN1248434C

Abstract

큰 내부용량의 LED에서도, 소비전류 증대를 최소한으로 억제하고, 과도응답시간을 짧게하고, 고속으로 변조할 수 있어, 펄스파형 왜곡이 작은 출력광을 얻는다.

LED는, 전기 등가모델의 진성다이오드에 인가되는 전압펄스(Vd)가 첨두치에 극히 근방에 도달한 시점에서 전류가 급격하게 흐르고, 그 순방향 전류에 비례한 광출력이 얻어지는 소자인 성질을 이용하여, 저출력 임피던스로 대전류 구동능력을 갖는 단형 전압펄스, 또는 상승 직후가 높은 전압을 취하는 일정시간 후에는 소기의 전압으로 되돌아가는 하이·레벨을 2값의 전압펄스를 직결한 LED 부하에 공급한다. 또한, 펄스의 로우·레벨은, 시스템 요구상 필요한 LED 출력신호의 소광비를 유지하는 전압의 범위에서 DC 바이어스를 인가한다.

Description

발광다이오드 구동회로 및 광송신모듈{LED DRIVING CIRCUIT AND LIGHT TRANSMISSION MODULE}

본 발명은, 입력 전압펄스신호의 하이(high)·로우(low)에 따라, LED 출력의 발광·비발광을 제어하는 LED 강도변조형 구동회로에 관한 것으로, 그 중에서도 고속 광데이터·링크의 광데이터 전송에 필수인 발광펄스파형 왜곡이 작은 고속변조광신호출력을 가능하게 하는 LED 구동회로에 관한 것이다.

현재, 급속한 발전과 보급이 이루어지고 있는 멀티미디어에 있어서는, 디지털·데이터를 교환하는데 다양한 고속 광네트워크·백본이 사용되고 있다. 장거리 LAN간 접속용 백본의 광통신시스템을 시초로 하여, 중·단거리 LAN을 지지하는 파이버·채널이나 기가비트·이더넷에 있어서는, 광송수신모듈이 키·코포넨트 하여 중요한 역할을 담당하고 있다. 특히, 이들 실제 사용에 제공된 IT(Information Technology)시스템에 있어서는, 광송수신모듈은 다소의 고비용과, 부품의 범용성 등을 희생으로 한 특수사양을 허용하고, 고신뢰성을 주안점으로 개발된 특화제품이 사용되어 왔다.

한편, 최근에는 광 인터커넥트 기술을, 고성능의 광통신이나 컴퓨터, 그 중에서도 서버관련 기기간을 접속하는 특수한 사용목적에 한정하지 않고, 가전분야에 위치매김 되는 멀티미디어 기기간에서의 데이터의 교환에도, 어느 정도의 접속거리와 높은 처리량(throughput)을 확보할 수 있고, 또 극히 보통의 사용자에게도 사용 편리성이 좋고 다루기 쉬운 것으로서, 적용범위를 넓혀야 한다는 요구가 높아지고 있다.

이들의 요구에 따라, 1995년에 규격화된 IEEE1394의 전기사양을 확장한 IEEE1394a를 광까지 더 확대하고, 플라스틱 광파이버(POF)를 사용한 광데이터 링크도 대상으로서, 고속이면서 저비용의 중거리 접속까지 적용가능하게 하는 IEEE1394b의 표준화가 진행되고 있다. 이들로부터의 넓은 의미에서의 IT분야에 있어서는, 전송신호 형태가 광이거나 전기이거나 상관없이 인터커넥트에 요구되는 사양으로서는, 처리 작업량의 고속성 등의 기본적 전송성능을 규정하는 사양 외에, 실용적인 관점에서의 성능이 중요시 되고 있다.

즉, 시스템에 조립하는 실장성의 관점으로부터는 냉각이 불필요한 저소비전력과, IT기기 내부에서 사용되는 다른 IC와 동일한 전기적 인터페이스를 갖고, 가능하면 동일한 전원전압으로 동작가능한 특성을 얻는 등의 전기적인 요구, 더욱이 비용·성능의 입장으로부터는 종래의 광송신모듈에 비해, 현저한 차이가 나는 대폭적인 저비용의 요구가 강하다.

특히, 현재 검토중인 규격안 IEEE1394b에 있어서는, 사용하는 광파이버의 저비용화와, 단순한 내부구조로 하여 광링크·모듈 그것을 저비용화 할 목적 때문에, 큰 코어계를 갖는 굴절률 분포형의 플라스틱 광파이버가 채용되고, 파이버의 저손실 파장영역인 적(赤)의 광원과 조합한 것이 구체적 대상으로 되어 있다.

적의 파장영역의 광원으로서는, 650nm 근방의 파장영역의 광을 내는 발광다이오드(LED), 또는 650nm에서 발진하는 광반도체 레이저(LD)의 광원이 사용된다. 그 중에서도 가까운 장래에 기술확립이 진행되어 광데이터·링크의 주류로 될 것으로 생각되는 고속의 S800 이상에 있어서는, 본질적인 소자 응답특성의 관계로부터 LD의 채용이 필수적이다.

한편, 규격에서 저속의 부류에 들어가는 S100부터 S400에 있어서는, 모듈 저비용의 실현의 관점으로부터 중요한 요소인 광송신기의 회로구성과 광결합계를 단순화 할 수 있는 특징을 갖는 LED의 채용이 주류로 될 것으로 생각된다.

사실, 오디오나 FA시스템을 대상으로 한 수10Mb/s 이하의 광데이터·링크에는, LED를 광원으로 하는 제품이 실용적인 요구를 만족하는 것으로서 시판되어, 현재 널리 사용되고 있다.

도 29는, 종래의 광송신회로의 기본 블록도를 나타내고 있다. 동 도면에 나타낸 바와 같이, 정전류원에 의해 발생한 직류전류를 트랜지스터의 스위치를 사용하여 ON/OFF 변조한 정전류펄스를 발생하고, 그 출력을 부하의 LED에 인가하는 방식이다. 이 방식은, 10Mb/s정도까지의 저속링크에는 기술적으로 특별한 문제는 발생하지 않는다. 그러나, 일반적으로 LED 특유의 성질인 디바이스가 갖는 내부용량이 큰 것에 기인하여, 광신호의 스위치 응답이 느려지고, 이것이 광데이터·링크의 고속성을 제어하고 있다.

이 제약을 적어도 완화시키는 유효한 해결책의 하나로서, ON/OFF 변조한 구동 정전류펄스 외에, 구동전류 스위치의 레벨반전에 동기하여 정전류펄스와 동상의 피킹·펄스전류를 중첩함으로써, LED의 과도응답을 가속하는 방법이 사용되어 왔다.

이와 같은 저속응답을 보상하여 가속하는 수단을 부가한 것, 원래 처리하고 있는 전송데이터의 속도가 수10Mb/s로 느린 것, LED의 디바이스 고유의 속도를 제어하는 본질적인 시정수 자신은 수ns 이하로 작은 것 외에, IC 프로세스 기술의 발달에 의해 광전송 후의 광전변환과 논리변환의 신호 처리속도는 실질적으로 무시할 수 없기 때문에, 데이터 전송시의 신호 오류율은 실용상 문제를 일으키지 않을 정도로 작게 억제된 광전송을 실현가능하게 하고 있다.

그런데, 상기 최근의 요구에 따라, 전송비트·레이트를 100Mb/s나, 또는 그 이상의 값까지 확장한 광전송을 LED로 실현하려 할 경우, 이 종래의 수법을 단순히 연장·적용해도 잘 작용하지 않는다.

본 발명자중 한 사람은, 도 28에 나타낸 구성을 사용하고, 전류 피킹구동이라는 원리는 종래예와 동일한 방식이면서, 피킹의 거는 방법과 LED 구동진폭을 작게하는 고안을 사용하여, 100Mb/s 근방까지 전송가능한 방식을 특원평11-34649로서 제안하고 있다.

즉, LED가 ON시의 광강도를 발생하는데 필요한 전류 바이어스를 직류 정전류원으로부터 상시 LED 애노드에 공급하고, 외부 펄스신호입력(Vp)을 CMOS 버퍼로 전원전압의 Vdd와 Vss의 사이를 저임피던스로 천이하는 단형펄스로 변환하고, 그 펄스를 사용하여 LED 애노드에 입력되는 바이어스 전류를 ON/OFF 변조함과 동시에, 용량(Cp)을 거쳐 흐르는 미분전류를 LED 애노드에 피킹전류로서 중첩·공급하는 것이다.

용량을 사용한 전류피킹 대신에, 인덕터를 사용하는 방법의 제안도 있으며, 특개평9-102769로서 개시되어 있다. 도 29에 나타낸 종래와 같은 정전류 스위치·펄스로 구동하는 회로를 주된 구성으로 하여, LED만을 부하로 하는 대신에, 인덕터와 저항을 직렬로 접속한 회로를 LED에 병렬로 접속하고, 그들을 전류출력의 모든 부하로 하여 구동하는 것이다. 즉, 천이시에 피킹전류를 인덕터로 발생시키고, 그것을 LED에 거는 방법이다.

이들 피킹전류를 중첩하는 수단을 부가함으로써, 확실히 출력광 신호의 과도응답시간을 어느 정도는 단축하도록 개선은 가능하지만, 반대로 효과적인 피킹을 걸면 시정수의 관계 때문에 피킹·펄스의 감쇠(減衰)가 신호펄스폭 내에서 종식되지 않고, 끝자랏 끌기 등이 생겨 비트·레이트를 생각한 만큼 높게 할 수 없다는 것 이외에, 본질적으로 출력광 펄스폭이 전기신호의 구동펄스폭보다 좁아지는 등의 문제를 내포하고 있다.

광펄스폭 협착(狹窄)의 구체적 값으로는, LED 구동회로방식에도 의존하지만, 통상은 1ns 이상, 경우에 따라서는 10ns 근방에 미치는 것도 드믈지 않다. 이들 값은, 전송광신호의 최소 펄스폭이 10ns 이하로 될 경우는 무시할 수 없는 값이고, 전송신호의 ON/OFF 펄스·듀티비의 큰 변동이나, 타임·지터의 부가증대 요인으로 되어, 전송파형의 품질에 중대한 영향을 미치는 문제점으로 이어진다.

LED에 입력한 구동펄스에 대해 출력광펄스가 좁아지는 현상은, 본질적으로 LED가 다이오드에 흐르는 순방향 전류에 거의 비례한 광을 발생하는 디바이스 고유의 성질에 기인한 것이다. 즉, 다이오드의 전기 등가회로모듈은 도 22와 같이 나타내고, 다이오드의 직렬저항(Rs)을 경유하여 pn접합 다이오드 용량(Cd) 및 그것에 병렬로 정전류원(Id)이 접속된 구조로 나타낸다.

정전류원(Id)의 출력전류(If)는, Id 또는 Cd의 양단에 인가되는 진성다이오드 전압(Vd)에 의존하고, 제1 근사로서는, 다이오드 접합의 포화전류를 Is, 방사계수를 N, pn접합의 동작온도(T)에 대한 열기전력을 Vt=kT/q(k:볼츠만 정수, q:전자전하)로 하여, 식 If=Is×exp[Vd/(N·Vt)]로서 결정한다.

또한, LED에 인가되는 전압(Vd)이 LED의 발광에 이르지 못하는 범위의 순바이어스 전압 또는 역바이어스 전압이 인가되어 있을 경우에는, Cd는 전압(Vd)에 의존하여 증대하는 양이고, 실질적으로는 pn접합용량(Cj)에 지배된 값을 나타낸다. LED가 발광하고 있는 동작조건하에서는, 이에 덧붙여 순전류(If)에 비례하여 증대하는 천이시간용량의 성분이 더해진다.

통상의 LED에서는, Rs가 수Ω에서 수10Ω, 영(零)바이어스시의 Cj만으로, 수10pF에서 수100pF의 범위의 값을 갖는다. 이 때문에, 예컨대 도 23에 나타낸 바와 같이, LED에 이상적인 단형펄스(Vh)를 입력한 경우에도, 내부의 진성다이오드 전압(Vd)은 1ns에서 10ns정도의 시정수(Rs·Cd)를 갖는 지수 감쇠함수로 변화하고, 시간의 경과와 함께 정상치 Vhigh에 점점 가까워지는 파형을 나타낸다. 순방향 전류(If)는, 상기 표식과 같이 Vd에 대해 지수함수적으로 증대하는 양이기 때문에, 원하는 최대 정상전류가 얻어지는 Vd의 값에 대해, (N·Vt) 이내, 구체적 전형적 값으로는 30mV~50mV까지 가까워진 경우에, 초기 정상치와 동일한 크기의 전류치에 도달한다.

다시 말해서, LED에 외부로부터 입력되는 단형펄스에 대해서는, 그 전압이 첨두치(尖頭値)에 도달한 후, 전류가 흐르기 시작하고, LED에 흐르는 순방향 전류치에 비례하여 LED로부터 광출력이 얻어지게 된다. 이와 같이, 펄스상승부분에서는, 입력한 단형펄스에 대해 발광펄스의 상승이 크게 지연하는 것에 대해, 펄스 하강에 있어서는, 진성다이오드에 인가되는 Vd의 전압강하가 수10mV에 달하면, LED에 흐르는 전류는 급격하게 작아지기 때문에, 거의 지연은 없다. 과도변화시의 이들 지연시간의 차가, 입력한 전기적 펄스신호에 비해 광출력펄스폭이 좁아지는 이유이다.

과도응답의 신호지연을 작게하기 위해 상기 종래예와 같이 피킹전류를 중첩하면, Cd에 대한 충·방전 시간을 단축하여 지연시간을 짧게 할 수 있다. 그러나, 일반적으로 피킹전류 중첩은, 광신호 진폭을 얻는데 필요한 If의 정상 첨두치를 초과한 전류를 인가하기 때문에, 동작시의 소비전류가 증가하거나, 광출력 파형 자신이 피킹을 가져 단형으로부터 크게 무너지고, 결과적으로 고속 수신회로에서의 식별레벨의 변동으로 이어져, 수신 출력신호의 시간 지터가 증가하는 문제가 생긴다.

한편, 고속 광신호에 사용되는 LD의 경우는, 소자 내의 좁은 공간영역에 한정하여 광증폭 이득이 큰 영역을 실현하면 레이저 발진을 얻을 수 있기 때문에, 실질적으로 동작시키는 소자 자체가 차지하는 총면적이 작아 양호하다. 결과적으로, 소자가 갖는 고유한 용량치는 수pF부터 기껏해야 10pF 이하이다.

또한, LD출력은 어느 일정한 임계치 이상의 전류를 경계로, 소자로의 주입전류의 임계치와의 차분에 비례하여 큰 광변환효율로 큰 광출력이 얻어진다. 이 때문에, 정전류원을 기준으로 하여, 그것을 고속으로 ON/OFF 스위치하여 전류펄스로 변환하여 구동하는 방식이 유효하고, 현재까지 이 방식이 거의 LD구동회로에 적용되고 있다.

특히, 전류 스위치회로 출력단과 LD와의 거리가 떨어져 있을 때에도, 도중(途中)을 50Ω의 전송선로에 연결하고, 모든 임피던스 정합을 취하는 표준적인 고주파회로 기술이 이용 가능하기 때문에, 고주파 특성을 비교적 용이하게 확보할 수 있다. 이에 대해 LED의 경우에는, 주입전류의 대소에 상관없이, 항상 입력전류에 비례한 광출력이 얻어지는 특징이 있는 반면, 대용량 부가 때문에, 전기신호에 의한 고주파 변조를 실현하기 어려운 본질적인 특성을 갖는 것은 상기와 같다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 디바이스 고유의 특성으로서 큰 내부용량을 갖는 LED의 경우에도, 그 동작모듈에 기초하여 새로운 구동방식에 의해, 과도응답시간을 짧게하여 고속으로 변조할 수 있고, 소비전류 증대를 최소한으로 억제하면서, 발광신호의 펄스파형 왜곡이 작은 출력광이 얻어지는 LED 구동회로 및, 그를 이용한 저소비전력과 저비용을 실현할 수 있는 고속전송 가능한 광송신모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 소신호 MOS 전압스위치에 의해 단형 전압펄스를 발생하고, 그것을 버퍼증폭하여 출력하는 타입의 LED 구동회로의 블록도,

도 2는 버퍼증폭한 기준전압을 직접 MOS 스위치에 의해 절환하여 단형 전압펄스를 발생하는 방식의 LED 구동회로의 블록도,

도 3은 소신호 MOS 전압스위치에 의해 2값 전압펄스를 발생하고, 그것을 버퍼증폭하여 출력하는 타입의 LED 구동회로의 블록도,

도 4는 버퍼증폭한 기준전압을 직접 MOS 스위치에 의해 절환하여 2값 전압펄스를 발생하는 방식의 LED 구동회로의 블록도,

도 5는 Bi-CMOS회로를 사용한 고속 버퍼증폭기의 실시예1을 나타낸 도면,

도 6은 Bi-CMOS회로를 사용한 고속 버퍼증폭기의 실시예2를 나타낸 도면,

도 7은 Bi-CMOS회로를 사용한 고속 버퍼증폭기의 실시예3을 나타낸 도면,

도 8은 단일치 단형펄스 구동회로의 스위치 제어 펄스발생 논리회로와 신호의 타이밍 파형을 나타낸 도면,

도 9는 펄스폭을 넓힌 단일치 단형펄스 구동회로의 스위치 제어 펄스발생 논리회로와 신호의 타이밍 파형을 나타낸 도면,

도 10은 2값 전압펄스 구동회로의 스위치 제어 펄스발생 논리회로와 신호의 타이밍 파형을 나타낸 도면,

도 11은 펄스폭을 넓힌 2값 전압펄스 구동회로의 스위치 제어 펄스발생 논리회로와 신호의 타이밍 파형을 나타낸 도면,

도 12는 전압 가산방식에 의해 소신호 MOS 전압스위치에 의해 2값 전압펄스를 발생하고, 그것을 버퍼증폭하여 출력하는 타입의 LED 구동회로의 블록도,

도 13은 도 12와는 다른 전압 가산방식에 의해 소신호 MOS 전압스위치에 의해 2값 전압펄스를 발생하고, 그것을 버퍼증폭하여 출력하는 타입의 LED 구동회로의 블록도,

도 14는 전압 가산방식 2값 전압펄스 구동회로의 스위치 제어 펄스발생 논리회로와 신호의 타이밍 파형을 나타낸 도면,

도 15는 펄스폭을 넓힌 전압 가산방식 2값 전압펄스 구동회로의 스위치 제어 펄스발생 논리회로와 신호의 타이밍 파형을 나타낸 도면,

도 16은 정전류 발생원과 Si다이오드를 이용한 온도 보상형 기준전압 발생회로,

도 17은 정전류 발생원과 참조용 LED를 이용한 온도 보상형 기준전압 발생회로,

도 18은 정전압 기준전원과 Si다이오드를 이용한 진폭제어 단형 전압펄스 발생용 온도 보상형 기준전압 발생회로,

도 19는 정전압 기준전원과 Si다이오드를 이용한 고정진폭 단형 전압펄스 발생용 온도 보상형 기준전압 발생회로,

도 20은 정전압 기준전원과 Si다이오드를 이용하고, 또 활성화율을 조정할 수 있는 고정진폭 단형 전압펄스 발생용 온도 보상형 기준전압 발생회로,

도 21은 정전압 기준전원과 Si다이오드를 이용한 진폭제어 2값 전압펄스 발생용 온도 보상형 기준전압 발생회로,

도 22는 LED 전기 등가회로모델 도면,

도 23은 LED를 단형 정전압펄스로 구동한 때의 진성다이오드 전압응답을 나타낸 도면,

도 24는 LED를 단형 정전류펄스로 구동한 때의 진성다이오드 전압응답을 나타낸 도면,

도 25는 EEPROM과 D/A변환기와 조합하여 구성한 온도 보상형 기준전압 발생회로,

도 26은 2값 전압펄스 구동방식에 의한 전압·전류 동작파형과 출력광 신호파형의 예를 나타낸 도면,

도 27은 본 발명에 기초하여 제작된 원칩 IC를 탑재한 광커넥터 결합형 광송신모듈을 나타낸 도면,

도 28은 종래의 전형적인 LED 구동회로의 기본 블록도,

도 29는 종래의 고속응답 LED 구동회로의 일예를 나타낸 도면,

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

A --- 증폭기, R1~R55 --- 저항,

I1~I2 --- 정전류원, LED --- 발광다이오드,

Si·D --- 기준전압 발생용 Si다이오드, Cd --- LED 접합용량,

If --- 진성다이오드 순방향 전류, td --- 발광 지연시간,

tr --- 상승시간, tf --- 하강시간,

Rs --- LED의 내부 직렬저항, Vdd --- 전원전압,

Vss --- 접지전압, Vin --- LED 입력전압,

Vd --- 진성다이오드 순방향 전압,

Vlow --- 광출력 로우를 인가하는 진성다이오드 순방향 전압,

Vhigh --- 광출력 하이를 인가하는 진성다이오드 순방향 전압,

Vp --- 외부 입력신호펄스, Vl --- 로우·레벨 전압,

Vh --- 하이·레벨 전압, Vh1 --- 하이·레벨 후반전압,

Vh2 --- 하이·레벨 선두부 전압, Vout --- LED 구동회로 출력전압,

Vref --- 내부 기준 참조전압, D/A1-D/A2 --- DA변환기,

A/D --- AD변환기, Delay --- 지연회로,

Q1~Q16 --- MOS 스위치,

Q100~Q101 --- 바이폴라·트랜지스터,

D100~D101 --- Si다이오드, 1 --- 광반도체 구동회로 IC,

2 --- LED, 3 --- 광검출기,

4 --- 서브 마운트 기판(또는, 플라스틱 마운트용 리드 프레임),

5 --- 광커넥터, 6 --- 리드단자,

7 --- 플라스틱·몰드·패키지, 8 --- 수신회로 IC,

9 --- 용량, 10 --- 저항.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 LED 구동회로는, 로우·레벨의 제1출력전압 및 하이·레벨의 제2출력전압을 생성하는 전압 생성회로와, 상기 제1출력전압을 출력단자에 전송하는 제1MOS 스위치, 상기 제2출력전압을 상기 출력단자에 전송하는 제2MOS 스위치 및, 외부 입력신호를 파형 정형하여, 서로 상보관계를 갖는 제1 및 제2단형펄스를 생성하는 펄스 생성회로를 구비하고, 상기 출력단자에 LED가 전기적으로 접속되고, 상기 제1MOS 스위치의 게이트에 상기 제1단형펄스가 입력되고, 상기 제2MOS 스위치의 게이트에 상기 제2단형펄스가 입력되며, 상기 하이·레벨은 상기 LED로부터 소정 강도의 광을 출력하기 위해 필요한 상기 LED의 순방향 피크전류 또는 순방향 전압에 의해 결정되고, 상기 로우·레벨은 상기 LED의 발광강도를 영 또는 무시할 수 있을 정도의 값으로 하기 위한 전압치로 설정된다.

상기 제1 및 제2MOS 스위치와 상기 출력단자의 사이에 버퍼가 접속된다. 또한, 이 대신에, 상기 제1출력전압은 제1버퍼를 경유하여 상기 제1MOS 스위치에 입력되고, 상기 제2출력전압은 제2버퍼를 경유하여 상기 제2MOS 스위치에 입력되도록 해도 된다.

본 발명의 LED 구동회로는, 로우·레벨의 제1출력전압, 제1하이·레벨의 제3출력전압 및 상기 제1하이·레벨 보다도 높은 제2하이·레벨의 제3출력전압을 생성하는 전압 생성회로와, 상기 제1출력전압을 출력단자에 전송하는 제1MOS 스위치, 상기 제2출력전압을 상기 출력단자에 전송하는 제2MOS 스위치, 상기 제3출력전압을 상기 출력단자에 전송하는 제3MOS 스위치 및, 외부 입력신호를 파형 정형하여, 제1, 제2 및 제3단형펄스를 생성하는 펄스 생성회로를 구비하고, 상기 출력단자에 LED가 전기적으로 접속되고, 상기 제1MOS 스위치의 게이트에 상기 제1단형펄스가입력되고, 상기 제2MOS 스위치의 게이트에 상기 제2단형펄스가 입력되고, 상기 제3MOS 스위치의 게이트에 상기 제3단형펄스가 입력되고, 상기 제3단형펄스가 하이·레벨로 된 후, 연속하여 상기 제2단형펄스가 하이·레벨로 되며, 상기 제1단형펄스는 상기 제2 및 제3단형펄스의 OR를 취한 값과 상보의 관계를 갖고, 상기 LED에 인가되는 하이·레벨의 전압이 2값을 갖는다.

상기 제1, 제2 및 제3MOS 스위치와 상기 출력단자의 사이에 버퍼가 접속된다. 또한, 이 대신에, 상기 제1출력전압은 제1버퍼를 경유하여 상기 제1MOS 스위치에 입력되고, 상기 제2출력전압은 제2버퍼를 경유하여 상기 제2MOS 스위치에 입력되고, 상기 제3출력전압은 제3버퍼를 경유하여 상기 제3MOS 스위치에 입력되도록 해도 된다.

상기 로우·레벨은 상기 LED의 순방향 피크전류를 상기 LED의 소광비(消光比)로 나눈 값을 갖는 순방향 다이오드 전류를 발생시키기 위해 필요한 전압 이하의 전압치로 설정된다.

또한, 최고 주파수로 동작하고 있을 경우에 상기 LED로부터 발생되는 광의 광도는, 통상 주파수로 동작하고 있을 경우에 상기 LED로부터 발생되는 광의 강도의 2배 이하로 되도록 설정된다.

상기 LED에는, 항상 OV보다 높은 일정 전압이 DC 프리·바이어스로서 인가되고 있다.

본 발명의 LED 구동회로는, 더욱이 상기 LED의 동작온도가 변화했을 경우에, 상기 LED에 흐르는 순방향 전류를 일정치로 유지하도록, 상기 LED의 순방향 바이어스 전압을 상기 동작온도의 변동에 추종하여 변화시키는 제어회로를 구비한다.

상기 LED를 구동하는 하이·레벨의 전압펄스는, 상기 전압펄스의 상승 직후의 최초의 일정 기간은 상기 제2하이·레벨로 설정되고, 나머지 기간은 상기 제1하이·레벨로 설정되며, 상기 제1 내지 제3단형펄스의 하이·레벨은 상기 제2하이·레벨과 동일한 값으로 설정된다.

상기 제1하이·레벨과 상기 제2하이·레벨의 전압차는 1V 이하이고, 상기 제2하이·레벨의 상기 제3출력전압은 5ns 이하의 기간만큼 계속해서 출력되고, 또 상기 제3출력전압의 진폭 및 폭은 상기 제3의 단형펄스의 진폭과 폭보다 작다.

상기 펄스 생성회로로부터 출력되는 단형펄스는, 과도천이시에 20% 이상의 진폭 오버슈트(overshoot) 특성을 갖고, 또 그 펄스폭은 상기 외부 입력신호의 펄스폭과 동일하거나, 또는 3ns 이내이다.

본 발명의 LED 구동회로는, 상기 LED의 근방에 발광강도를 모니터 하는 광검출기와, 상기 발광강도의 평균치가 일정해지도록 상기 펄스 생성회로부터 출력되는 단형펄스의 진폭을 조절하는 조정회로를 더 구비한다.

본 발명의 광송신모듈은, 상술한 LED 구동회로를 갖춘 IC와, 상기 LED 구동회로의 출력단자에 접속되는 LED, 상기 IC 및 상기 LED가 실장되는 서브모듈, 상기 LED와 광학적으로 결합하는 광커넥터, 상기 IC 및 상기 LED에 전기적으로 결합되는 리드 및, 상기 IC, 상기 LED, 상기 서브모듈, 상기 광커넥터 및 상기 리드를 수용하는 패키지를 구비하고 있다.

(실시형태)

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 LED 구동회로 및 광송신모듈에 대해 상세히 설명한다.

상술한 바와 같이, LED에 입력한 구동전기펄스에 대해 출력광펄스가 좁아지는 현상은, 본질적으로 LED가 전기적으로는 다이오드로서 동작하고, 다이오드에 흐르는 순방향 전류치에 거의 비례한 광강도를 출력하는 디바이스인 고유한 성질에 기인하고 있다.

LED의 전기특성을 나타내는 등가회로모듈은, 도 22와 같이 나타내고, 광신호에 비례하는 정전류원(Id)의 발생하는 순방향 전류(If)는, 진성다이오드에 인가되는 내부전압(Vd)에 의해 결정되고, 관계식 If = Is×exp[Vd/(N·Vt)]에 의해 주어진다. 일단, 디바이스와 동작조건이 결정되면, Vd에만 의존하여, 지수함수적으로 증대하는 양이다.

이 때문에, If가 광신호 하이에 대응하는 원하는 전류치와 동일한 오더(order)까지 증대하는 것은, Vd가 최종적으로 도달하는 첨두치(Vhigh)의 근방에서 (N·Vt)의 수배 이내, 구체적으로는 첨두치(Vhigh)보다 100mV정도 저하된 전압범위 내에 도달한 경우이다. 즉, 진성다이오드에 인가되는 전압펄스(Vd)가 첨두치의 극근방에 도달한 시점에서 전류가 급격하게 흐르고, 그 순방향 전류에 비례한 LED 광출력이 얻어진다. 따라서, 고속 광신호를 얻는 LED 구동회로에 대한 기술적 키-포인트는 Vd의 첨두치(Vhigh) 근방에서의 전압파형을 고속으로 변조하는 것에 있다.

많은 LED에서는 Rs가 수Ω에서 수10Ω이고, 영(零)바이어스시의접합용량(Cj)만으로, 수10pF에서 수100pF의 범위의 값을 갖는다. 일반적으로, Cj는 Vd에 의존하고, 순바이어스 전압영역에서는 증대하는 특성을 갖는다. 또한, LED가 발광하고 있는 동작조건에서는, 순전류(If)로서 10mA 이상의 전류가 흐르고 있기 때문에, If에 비례하여 증대하는 천이시간 용량성분을 모든 다이오드 용량(Cd)에 더한다. 실제의 소자 용량치를 측정해 보면, 발광조건하에서는 Cd의 값은 영바이어스시의 Cj의 값에 대해 2배정도 이하이다.

상기와 같이, LED의 발광특성을 지배하는 전압은 Vd의 첨두치의 근방 부근에 있기 때문에, 이하에서는, Cd의 값으로서는 Vd의 첨두치에 고정해서 고려해야 좋다. 이 근사에 기초하여 이끌어진 결과는, 실제의 디바이스·모듈에 기초하여 수치해석 시뮬레이션 결과와 그만큼 큰 차이는 인식되지 않고, 이하의 설명에서 나타내는 본 발명 내용의 주지(主旨)를 바꾸는 차이는 생기지 않는다.

본질적으로, 100pF정도 크기의 용량성 부하를, 고속 단형펄스 파형으로 구동하기 위해서는, 부하가 고주파영역에서의 임피던스가 작은 것에 대응하여, 그 보다도 작은 출력 임피던스를 갖는 전압펄스 발생원을 사용하여 구동하는 것이 효과적이다. 특히, 전송신호의 비트·레이트 주파수에서의 Cd의 임피던스 보다도 직렬저항(Rs)이 작은 때에는, 직접 단형 전압펄스를 LED에 인가하면 이상적인 단형펄스 구동을 실현할 수 있다.

구체적으로는, 외부 입력펄스를 단형펄스로 정형하고, LED를 원하는 휘도로 발광시키기 위해 필요한 If가 얻어질 때의 Vd에 상당하는 값의 전압(Vhigh)을 하이·레벨로 하는 단형 전압펄스를 발생시켜 출력하고, 외부 부하의 LED에 인가하면된다. 단, 최종단의 펄스 출력회로에 있어서는, 그 출력 임피던스가 Rs의 1/5 이하로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 출력 전압펄스의 로우·레벨(Vlow)의 값은, LED의 캐소드가 접속되어 있는 접지와 동일한 0V 이상으로, 전동작온도 범위에서 LED의 발광을 무시할 수 있는 순방향 전류가 1㎂ 이하에 대응하는 전압, 예컨대 650nm의 LED의 경우에는 1.4V 이하의 전압으로 이루어지도록 한다.

전송신호의 비트·레이트 주파수에서의 Cd의 임피던스에 비해 Rs의 값을 무시할 수 없을 경우에는, 상기와 같은 단형 전압펄스로 구동해도, Vd의 상승파형은 LED가 갖는 직렬저항(Rs)과 모든 다이오드 용량(Cd)의 RC 시정수로 제한된다. 당연히 사용하는 LED소자에 의존하는 양이지만, 시정수 Rs·Cd 곱의 값은, 1ns에서 커야 20ns정도의 값을 취한다.

이 때문에, 도 23에 나타낸 바와 같이, LED 구동회로가 이상적인 단형펄스를 출력한 경우에도, LED 내부의 진성다이오드 전압(Vd)의 변화는, 그 시정수로 결정하는 지수 감쇠함수로 정상치(Vhigh)에 점점 가까워지는 시간변화 파형으로서 응답한다. 게다가, LED에 전류가 흐르기 시작하여 발광에 이르는 것은, Vhigh에 대해 100mV 이내에 도달한 시점이기 때문에, 입력펄스의 상승 엣지로부터는 시정수의 수배의 지연시간(td)을 필요로 한다.

이와 같이, 전송가능한 비트·레이트의 최대치는, 구동회로 자신의 과도응답속도보다는, 오히려 소자의 시정수를 제어한다. 이와 같이, 펄스상승부분에서는 입력한 단형 전압펄스에 대해 발광펄스의 상승이 크게 지연하는 것에 대해, 입력전압펄스 하강에 있어서는, 진성다이오드의 인가전압 강하가 첨두치(Vhigh)보다 수10mA에 도달하면 LED에 흐르는 전류는 급격하게 작아지기 때문에, 상승에 비하면 큰 지연은 생기지 않는다. 이와 같이, 상승 지연을 무시할 수 없는 것에 대해 하강에는 실질적으로 지연은 무시할 수 있을 정도로 작아진 결과, 단형 전압펄스로 구동하는 방식의 채용에 의해 고속동작이 가능해져도 펄스폭 협착현상은 의연(依然)히 남는다.

직렬저항(Rs)을 무시할 수 없기 때문에, 단순히 단형 전압펄스로 구동한 것 만으로는 최고 전송비트·레이트가 부족할 때, 또는 펄스폭 협착현상을 무시할 수 없을 경우에는, 일의적(一義的)으로는 LED 내부의 Vd의 상승시간을 짧게하여 Vd의 파형을 단형에 가깝게 하는 새로운 수단을 도입하면 개선할 수 있다. 구동회로의 출력 임피던스에 관해서는 Rs보다 작게 선택할 수 있을 만큼 양호한 개선결과를 얻는 조건으로 되어 있으며, 이 때 Cd의 충·방전을 제한하는 임피던스는 주로 Rs이다. 이 조건에서의 개선책은 2가지이다.

펄스상승시에 진성다이오드 전압(Vd)을 빠르게 펄스 첨두치의 Vh에 가깝게 하는 제1방법은, LED에 출력하는 펄스전압의 로우·레벨(V1)의 값을 제어하는 수단이다. 즉, 용량부하의 전압을 상승시키는 전하의 흐름이 제한되어 있을 때는, 최초부터 변화시켜야 할 전압차를 작게하면 충전에 필요한 시간이 단축된다.

구체적으로는, 출력광 하이·레벨을 주는 If에 대해, LED의 출력광 신호로 구해지는 소광비로 나눈 전류치를 주는 순방향 전압보다는 낮고, 또 최고 주파수로 동작하고 있는 반복 광출력펄스 신호의 로우·레벨이 저속반복 광펄스신호의 로우·레벨의 2배 이하를 확보할 수 있는 전압의 범위에서 가능한한 높은 전압으로 설정한다. 이 결과, LED를 구동하는 전압펄스 진폭은 최소한으로 억제되고, Cd를 충·방전하는데 필요한 전하량도 최저한으로 억제되고, 구동전류가 억제되어, 소비전력이 작아지는 부차적(副次的) 효과도 얻어진다.

펄스상승시에 Vd를 펄스 첨두치의 Vhigh에 빠르게 가깝게 하는 제2방법은, Cd에 주입하는 전류 그것을 증가하는 수단이다. 전하주입을 제한하는 임피던스는 Rs로 고정되어 있기 때문에, 펄스 천이의 최초의 시간은 Rs의 양단자에 걸리는 전압, 즉 LED에 인가하는 전압을 Vh보다 높게 설정한다. 즉, LED에 대해 출력하는 펄스 파형으로서는 이상적인 일정 하이·레벨을 유지하는 단형 형상으로부터 변형하고, LED는 하이·레벨이 2값을 갖는 파형의 전압펄스로 구동한다. 즉, 전압(Vd)이 Vh에 도달하기까지의 펄스상승 엣지의 개시후의 일정 기간은, 하이·레벨의 인가전압으로서는 Vh보다는 높은 전압(Vh2)으로 설정하고, Vd가 소기의 정상치(Vh)에 도달한 시점에서 하이·레벨 전압(Vh1)의 값을 규정의 Vh까지 되돌리고, 그대로 나머지의 펄스·하이 기간을 Vh로 일정하게 유지한다.

펄스상승 직후에 전압을 Vh2까지 높게 설정하는 기간은 5ns 이하가 좋고, 또한 그 진폭의 증대분(Vh2-Vh1)은 1V 이하이다. 그들의 최적 설정치는, Vd가 정확하게 Vhigh와 같아지고, 그것을 초과한 순간에 Vh2에서 Vh1으로 절환되도록 결정되는 것이 이상치이고, 실제로는 광출력펄스의 상승부에 오버슈트가 약간 나타나지만, 그 직전의 값을 표준으로 결정한다. 당연히, 상기 단형 전압펄스의 폭보다는 좁고, 또 그 진폭보다는 작은 값으로 하면서 최대 피크전류를 If의 정상치의 10배이하로 하도록 선택한다.

이렇게 한 결과, 기본적으로 펄스·엣지의 전하주입은 가속되지만, 광신호에는 원칙적으로 오버슈트를 발생시키지 않는 동작을 실현할 수 있기 때문에, 출력광펄스의 아이·패턴 파형 왜곡은 최소인 것 이외에, 여분의 회로전류도 억제되어 소비전력도 작게 억제된다.

이들 방식의 변형으로서는, LED 구동회로 출력펄스 특성에 20% 이상의 오버슈트를 갖도록 하여, 실효적으로 펄스·엣지의 전하주입을 가속시키는 작용을 갖는 2값 전압펄스와 등가로 작용하도록 하는 방법으로도 실현가능하다. 즉, 기본적으로는 2값의 전압 V1과 Vh를 저임피던스로 출력하는 구동회로이지만, 펄스 출력증폭기로서는, 저주파측에서의 이득은 평탄하게 하고, 최대 비트·레이트의 기본주파수의 3배와 5배의 주파수 대역에서는 이득이 저주파측의 평탄이득보다 크게 설정한 특성을 갖게 한 것으로 함으로써, 실현가능하다.

이상에서는, 지연시간을 포함한 상승시간을 단축하기 위한 독립된 2개의 방식을 각각 적용하는 것을 설명했다. 당연히, 그들 2개의 방식을 조합시켜 동시에 사용하는 것도 가능하다. 조합방식에서는, 지연시간의 단축이나 과도응답속도의 향상을, 더 효과적으로 발휘할 수 있는 것은 말할 것도 없다. 필연적으로, 소비전력은 최소로 억제됨과 동시에, 과도응답이 빠르고, 파형 왜곡이 작은 광출력이 얻어지는 작용을 갖는다.

상기 어떠한 수단을 적용해도, 의연히 펄스 협착현상이 신호 전송상 문제로 될 경우에는, 의식적으로 협착량만큼 펄스폭을 보상하는 회로를 부가하여 해결할수 있다. 즉, 상기 LED 구동전압펄스의 폭은 입력신호펄스폭과 동일하게 되도록 파형 정형한 것에 대해, 외부 입력의 신호파형을 일단 정형한 펄스를 베이스로, 논리회로를 사용하여 하이·레벨의 펄스폭을 보상하려는 값만큼 넓힌 펄스를 발생하고, 이에 기초하여 전압펄스를 발생하는 LED 구동회로로 한다. 고속의 LED 구동회로에 있어서는, 사실상 2ns 이하의 펄스폭의 확장으로 충분히 보상할 수 있다.

LED는, 전기적으로는 큰 밴드갭을 갖는 다이오드이기 때문에, 전기특성에 대해서도 다이오드 고유의 온도 의존성을 갖는다. LED의 광신호 특성을 일정하게 유지하기 위해서는, 온도변화가 있을 때에도 다이오드의 순방향 전류가 변화하지 않도록 순방향 바이어스 전압을 변화시키는 것이 필요하고, 구동전압펄스·레벨을 결정하는 Vh나 V1은 LED의 순방향 전압의 온도 의존성에 추종하여 제어함으로써 실현할 수 있다.

기본적으로는, 동일한 LED를 전압기준으로 사용하거나, LED와 동일한 방사계수(N)를 갖는 Si다이오드를 선택하여 전압기준으로 사용하여, 온도 의존성을 보상하면서 전압 V1과 Vh를 발생시킨다. 원칙적으로 LED 구동회로(IC)를 제작하는 프로세스만으로 완결시키려 할 경우에는, 많은 경우 Si다이오드의 온도변화가 LED의 온도변화보다 작은 경우가 많고, 또 LED의 순방향 전압이 높기 때문에, 그 프로세스의 Si다이오드 순방향 전압의 변화를 적당히 증폭하여 일정치와 합성함으로써, LED의 온도특성과 일치시키는 것이 가능하다.

또한, LED 구동회로를 범용부품으로 사용하기 위해 여러가지의 LED에 유연하게 적용할 수 있도록 하기 위해서는, IC 내의 회로정수를 고정하는 방법으로는 대응할 수 없다. 이것에는, EEPROM에 사용하는 LED의 온도특성 데이터를 기입·유지시키고, 그 데이터를 사용하여 Si다이오드 순방향 전압을 기준전압으로 하는 DA변환회로에서 추종전압을 발생시키는 방식을 사용하여 해결할 수 있다.

또한, 원리적으로, LED는 전류에 대한 발광효율이 부의 온도계수를 갖고 있지만, Vh의 온도계수를 V1의 온도변수보다 작게함으로써 광출력펄스 진폭의 감소를 보상할 수 있다. 좀더 적극적으로는, LED의 근방에 강도 모니터용 광검출기를 설치하고, 그 강도 모니터 신호의 평균출력이 일정치를 유지하도록 제어하는 귀환회로를 설치함으로써, 온도변화에 의한 전송광신호의 품질을 보다 일정하게 유지할 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

더욱이, 설명 내용의 정량적(定量的) 명확성을 기하기 위해, 상기 LED의 전기적 등가 다이오드·모델의 파라메터, 및 그 동작조건을 이하와 같이 선택한 것을 전형적인 수치해석 대상으로서 예시한다.

Rs로서는 10Ω, 발광동작점 근방의 Cd의 평균치를 200pF, 펄스가 하이·레벨시의 발광동작점에서의 순방향 피크전류(If)의 정상치로서 20mA, 그 전류를 얻는 순방향 전압(Vd)의 값을 Vhigh로 하고, 출력광 신호의 소광비로서는 20 이상을 확보하는 것을 상정한다. 이것은, 어느 쪽인가 하면 고속의 광데이터·링크를 실현하는데는, 비교적 엄한 디바이스의 파라메터와 구동조건이다.

광출력신호가 하이상태를 얻는 순방향 전류가 20mA에 대해 광신호의 소광비가 20으로 되는 로우·레벨의 순방향 전류는 1mA로 구해지는데, 더욱이 그 때의 순방향 전압 Vd=Vlow로서 1.9V, 열기전력(N·Vt)의 값을 50mV로 각각 판정한다. 이들의 수치를 사용하여 상기 다이오드의 순방향 전류와의 관계식으로부터 계산하면, If=20mA를 얻기 위해 필요한 순방향 전압치 Vhigh는 2.05V로 된다.

한편, 순방향 전류 20mA에 의한 Rs에 의한 전압강하는 0.2V이므로, 이들을 합한 외부로부터 LED 애노드·캐소드간에 인가해야 할 전압(Vh)으로서는 2.25V가 필요해진다.

도 1의 블록도는, 본 발명의 기본적인 단형 전압펄스로 LED를 구동하는 회로의 구성을 나타낸 실시예1이다.

여기에서는, 펄스의 하이·레벨을 결정하는 기준전압(Vh)과, 로우·레벨을 결정하는 V1=0V의 2입력을, 제어 타이밍·펄스로 소신호 MOS 전압스위치 Q1과 Q2에 의해 절환하여 단형 전압펄스 발생신호로 입력하고, 그것을 고속 버퍼로 증폭하여 출력하는 방식의 LED 구동회로로 되어 있다.

도 2는 본 발명의 기본적인 단형 전압펄스로 LED를 구동하는 회로의 다른 실시예2이다.

실시예1과 달리, 기준전압을 일단 버퍼증폭하여 큰 출력전류 부하가 있어도 일정전압을 유지할 수 있도록 한 후, 그 전압을 직접 파워 MOS 스위치 Q3과 Q4에 의해 절환하여 출력하고, 그것을 직접 LED에 출력하여, 결과로서 단형 전압펄스로 LED를 구동하는 방식이다.

LED 부하를 구동하는 출력회로는, 대용량성 부하를 전기적으로 단형펄스로고속으로 구동할 목적 때문에, 출력 임피던스는 Rs보다는 한자릿수 정도, 여기서 고려하고 있는 조건에서는 1Ω 이하로 작고, 또 최대 100mA정도의 피크전류를 배출할 수 있는 능력을 갖는 것이 필요하다.

이를 만족하는 이득1의 고속 버퍼증폭기의 구체적인 회로 실시예를, 도 5 내지 도 7에 나타낸다. 이들은 Bi-CMOS프로세스에 의한 회로이고, 저전원 전압동작시에도 대진폭 동작이 가능하고, 또 수 100MHz 이상의 광대역 특성과 100mA 이상의 높은 전류 구동능력을 아울러 갖는 것이 특징이다.

도 5의 실시예는, 바이폴라·트랜지스터에 의한 차동증폭기를 입력회로로 사용하고, 입출력 오프셋 전압오차가 작으면서 저잡음이 노려지는 고속 버퍼증폭기 회로이다. 출력 최대전압은, Vdd보다 0.8V정도 낮은 전압으로 제한되지만, n기판의 LED를 캐소드 접지로 사용할 경우에는 문제되지 않는다. 단, 사용하는 전원전압이 저하하고, Vdd와 Vh의 차가 1V 이하로 되는 동작조건이 요구될 때에는 곤란하다. 또한, 입력회로의 제한 때문에, V1의 최저전압도 약 1V 이상으로 한정된다.

도 5에 예시한 회로의 입출력전압 동작범위의 제한을 해소하는데는, 입력회로로서 동상 입력전압 허용범위의 넓은 차동증폭회로의 채용과, Vdd로의 풀업(pull-up)하는 회로를 출력회로에 설치함으로써 실현할 수 있다.

그 실시예가 도 6에 나타낸 고속 버퍼증폭기이다.

입력에 P채널 MOS트랜지스터(P-MOS)의 차동입력회로를 사용하고 있기 때문에, 입력이 0V에서 (Vdd-0.5V)의 범위에서 동작가능하다. 출력전압을 Vdd에 가깝게 하기 때문에, Vdd측에 npn트랜지스터와 병렬로 P-MOS를 접속하고, 트랜지스터의포화(飽和) 후는 MOS트랜지스터가 Vdd로 향해 상승함으로써, 고속성, 고전류 구동성, 출력전압의 증대를 도모하고 있는 것이 특징이다.

현실의 프로세스에 따라 설계하면, 도 5의 실시예에 비해, 다소 대역폭이 좁아진다. 또한, mV 오더의 설정입력치와의 오프셋 오차가 생길 가능성이 있는 등의 단점은 생기지만, 입력의 신호레벨이나 출력부하의 형태와 전압에 관계없이, Vdd와 접지간의 전압을 모두 사용하여 동작할 수 있는 특징을 갖고 있다.

도 5와 도 6에 나타낸 실시예의 출력회로에 있어서는, 입력과 출력을 균형 맞추는 평형점 동작시에는 출력 바이폴라·트랜지스터의 바이어스 전류가 거의 영으로 되기 때문에, 고주파의 출력 임피던스가 높아져 전원 등의 잡음변동에 약한 경향이 있다.

이 약점의 개선을 주요한 목적으로 하여, 도 6을 기본형으로 하여 설계한 것이 도 7에 나타낸 고속 버퍼증폭기의 실시예이다.

이 회로에서는, 고속의 pnp트랜지스터의 서포트가 프로세스의 전제로 되지만, 다이오드 D100, D101과 저항 R100에 의해, 출력 트랜지스터 Q100과 Q101에는 항상 바이어스 전류가 흐르고, 출력회로를 AB급 동작으로 하고 있다. 바이어스 전류를 최적화 함으로써, 출력 트랜지스터의 동작 차단주파수를, 어느 때에도 트랜지스터의 최고 차단주파수의 근방에 유지할 수 있고, 동작조건에 의존하지 않는 버퍼회로 전체의 고주파수 특성 유지와 일정한 과도응답을 실현할 수 있었다.

상술한 실시예1과 실시예2의 구동회로에 있어서, 외부로부터 입력한 신호펄스신호(Vp)에 따라 기준전압을 MOS 스위치로 순차 절환하고, 출력펄스 전압레벨을시퀀셜 제어하여 단형 전압펄스를 얻기 위해서는, MOS 스위치를 제어하는 펄스 Ch, C1을 필요로 한다.

도 8은 제어펄스로 구해지는 각종 신호의 시퀀스와 타이밍 파형을 나타내고 있다.

펄스 Ch, C1을 발생시키는 회로로서는 도면중에 나타낸 간단한 논리회로로 발생할 수 있다. 더욱이, 각종 신호의 타이밍 파형 및, 출력전압(Vout)의 파형은, 이상적인 스텝 응답으로 하고, 회로신호 지연이 있는 것으로서 모식적으로 지연시간을 삽입하여 도시하고 있다. 더욱이, 전압출력(Vout)의 파형에 관해서는, 여기에서는 V1이 0V의 경우를 고려하고 있기 때문에 일점쇄선의 파형에 대응한다.

최초에, LED에 인가되는 전압펄스의 로우·레벨(V1)이 0V로 한 경우이지만, 이하의 비교참조를 위해, 종래의 정전류펄스 구동에 대해 우선 조사한다. 20mA 진폭의 정전류펄스가 LED에 입력한 경우, 도 24에 나타낸 바와 같이, Vd의 시간변화는 최종 정상치의 첨두전압(Vhigh)에 도달하기 까지는 직선적으로 증대하는 함수로 응답한다.

이 직선적 전압상승에 따라, 시간과 함께 지수함수적으로 증대하는 순방향 전류, 즉 광신호의 상승 동작파형을 정량적으로 조사한 결과는, 최대 전류진폭의 5%의 값까지 달하는 지연시간(td)이 19.0ns, 더욱이 그들 90%의 순방향 전류에 달하는 시간, 즉 광출력신호 강도의 상승시간(tr)이 3.5ns이다.

한편, 종래의 정전류펄스 구동 대신, 본 발명에 따른 단형 전압펄스로 구동한 경우에는, 상기와 같이 도 23에 나타낸 바와 같이 Vd의 상승파형은시정수(Rs·Cd)로 결정되는 지수 감쇠함수로 나타나 최종치의 Vhigh에 점점 가까워진다. 즉, 시뮬레이션에 의해 2.25V 진폭의 정전압 단형펄스를 LED에 입력한 경우에 구해진 결과에 의하면, 지연시간(td)이 3.7ns, 상승시간(tr)은 5.3ns이었다.

이상 2가지의 다른 구동방식의 시뮬레이션 결과의 수치를 비교해 보면, 전압펄스 입력레벨 변동 개시로부터의 지연시간과 상승시간을 합계한 LED의 정상발광레벨에 도달하기까지의 시간은, 정전압펄스 구동의 쪽이 정전류펄스 구동에 비해 1/2 이하이고, 정전압 구동의 쪽이 고속변조에는 계속 유리한 것을 알 수 있다.

그러나, 과도응답시간이 짧아졌다고는 해도, 정상치에 도달하기까지의 합계시간은 의연(依然) 9.0ns를 필요로 하고 있다. 만약, 소자 특성이 고속동작에 적합하도록 특성 파라메터치가 다소 완화되고, 소자 용량(Cd)이 1/2의 100pF, 또는 Rs가 1/2의 5Ω으로 되었다고 해도, 광전송 가능한 비트·레이트의 실현범위는, 100Mb/s 이하의 중속영역(中速領域)으로 한정된다.

상기와 동일한 특성을 갖는 LED를 사용하여, 더 고속변조동작을 실현하기 위해서는, 로우·레벨 전압(V1)을 영까지 내리는 대신에, 상시, 일정한 DC 바이어스 전압으로 고정시키면 된다.

그 기본 회로구성의 실시예는, 도 1 및 도 2에 나타낸 실시예의 회로도로 바뀌지 않고, 입력 기준전압의 V1을 0V였던 것을 일정한 DC 바이어스 전압까지 상승시켜 설정하면 된다. 이 때문에, 스위치 제어의 논리회로도 도 8 및 도 9에 나타낸 것으로 바뀌지 않고, 그 펄스·타이밍 파형도 도시한 것과 동일하다. 단, 출력전압펄스 파형의 Vout의 동작파형은, 로우·레벨로서 DC 바이어스가 인가된 만큼OV보다 높은 레벨을 취함으로써, 실선으로 표시된 응답파형이 합당하다.

구체적으로는, 예컨대 V1의 값으로서 1.6V의 DC 바이어스를 건 경우를 고려한다. 우선, 하강시의 동작을 조사해 보면, 입력전압이 2.25V의 하이에서 1.6V의 로우로 천이하기 때문에, Rs의 양단에 걸리는 전압은 0.65V이다. 이것에 의해, 방전전류의 피크치는 65mA에 달하고, V1을 1.6V로 높게 설정함에도 불구하고, 그 나름대로 큰 값의 전류주입을 확보할 수 있어, 후에 기술하는 바와 같이, 하강시에는 1.5ns정도로 짧다.

한편, 상승응답에 관해서는, 반대로 입력 로우·레벨의 1.6V로부터 하이·레벨 전압의 2.25V로 스텝형상으로 변화하는 펄스구동으로 된다. 이에 대한 응답파형의 시뮬레이션으로부터 구해진 지연시간(td)은 1.2ns, 상승시간(tr)은 5.3ns이었다. 이 결과, 발광강도가 정상치에 도달하는 합계의 시간은, 입력펄스의 레벨변화 개시로부터 6.5ns로, 상기 초기상태의 V1이 0V로 설정한 때의 응답에 비해, td가 단축된 시간만큼의 2.5ns정도 짧아졌다.

더욱이, 과도응답시간을 짧게 하여 높은 비트·레이트의 광전송을 실현하기 위해서는, 정전압펄스 구동의 펄스의 하이·레벨을 단일치, 일정하게 유지하는 전압파형으부터, 도중에 변화하는 2값의 전압파형 대신에, 최초에는 하이·레벨을 높은 전압(Vh2)으로 설정하고, 그 후 광출력이 원하는 강도에 도달한 시점에서, 정상레벨의 전압 Vh1=Vh로 되돌아가는 2값의 전압펄스로 구동하는 발명을 적용하는 것이 유효하다.

물론, 본 발명의 구동방식을 단독으로 적용하는 것도 가능하지만, 가능한한고속을 노린 동작을 정량화 할 목적으로 덧붙인 LED 구동회로의 블록구성을 도 3에 나타낸다.

본 실시예3에서는, 펄스·레벨을 규정하는 3개의 기준전압(Vh2, Vh1, V1)을 입력하고, 그들을 순차 소신호 MOS 전압스위치(Q5, Q6, Q7)에 의해 절환하고, 2값의 하이·레벨을 갖는 전압펄스를 발생하고, 그것을 고속 버퍼증폭하여 출력하는 타입의 LED 구동회로이다. 출력의 고속 버퍼증폭기에 대해서는, 이미 도 5 내지 도 7에 나타낸 실시예를 구체적으로 상세히 설명했기 때문에 생략한다.

하이·레벨 2값의 전압펄스로 구동하는 다른 형식의 회로 실시예로서는, 단일 단형펄스 구동의 실시예2의 동작에 유사한 방식으로서, 도 4의 회로에 의한 실시예4가 고려된다. 즉, 입력한 기준전압(Vh2, Vh1, V1)을, 일단 버퍼증폭하여, 대전류 부하의 접속을 가능하게 하고, 그들의 전압을 직접 MOS 스위치(Q8, Q9, Q10)에 의해 절환하여 2값 전압펄스를 발생하는 방식의 LED 구동회로이다.

이상의 2방식의 어떠한 2값 전압펄스 구동회로에서도, 스위치 제어는 동일하고, 그것에 필요한 펄스발생 논리회로와 그들 신호의 타이밍 파형, 및 출력전압(Vout)의 파형은 도 10에 나타낸다.

이상의 2값 전압펄스를 발생하는 방식의 구동회로에서는, 외부 입력신호(Vp)의 변화에 대응하는 타이밍마다 참조하는 전압원을 절환하여 펄스 파고를 결정하고, 발생하려는 펄스 형상으로 정형하는 것이었다. 이들과는 별도의 2값 전압펄스 발생방식으로서, 항상 V1을 기준으로 하여 고정하고, 하이·레벨에 관해서는 V1 기준전압과의 차로서 순차 가산하는 방식도 고려된다.

도 12는, 그 구체적 회로 실시예5이다.

여기에서는, 기준전압 -V1을 반전증폭하고, 상시 출력 Vout의 기준전압을 V1에 고정하고 있다. 더욱이, 차신호전압 (Vh1-Vh2)와 (V1-Vh1)을 소신호 MOS 전압스위치(Q11, Q12)에 의해 입력의 ON/OFF를 절환하고, 하이 천이 당초에는 양자를 V1에 가산하여 Vout=Vh2를 얻고, 도중부터 Q11을 OFF로 하여 전자만을 떨어뜨려 Vout=Vh1으로 되돌리고, Q11과 Q12의 양쪽이 OFF시에는 V1만으로 로우·레벨로 되돌린다.

결과적으로, 하이·레벨 2값을 취한 전압펄스 출력을 얻고 있다. LED 구동회로의 출력에는, 반전·합성용 버퍼중폭기를 이용하고 있다. 이 방식에서는, 전압 하이 천이시의 초기 오버·드라이브 전압(Vh2-Vh1)이 정상 하이·레벨 전압(Vh1)으로부터의 차분으로서 스위치 입력되기 때문에, 기준전압의 설정변동이나 오차가 작아지고, 결과적으로 광신호의 응답특성변동 자신도 작게 억제된다는 특징이 있다. 단, 외부로부터 입력하는 기준전압은 모두 부의 값인 것이 필요로 되기 때문에, Vdd의 단일전원으로 회로를 동작시키려고 하면, 외부로부터 공급하지 않을 수 없다는 단점은 피하지 못한다.

더욱이, 출력버퍼회로는 기본적으로 차동입력증폭회로가 필요하게 되지만, 도 6 또는 도 7에 나타낸 회로중에서, 출력전압을 직접 반전입력단자에 귀환하고 있는 결선을 분리하면 그대로 이용할 수 있다.

실시예5에서 부의 기준전압원을 필요로 한 단점을 회피하기 위해서는, 다른 전압 가산방식을 사용하고, 정의 기준전압원만을 사용하여, 단일 전원으로 동작가능한 회로로 하면 된다.

그 취지에 따라 설계한 LED 구동회로의 실시예6을 도 13에 나타낸다.

여기에서는, 각 기준전압신호선에 소신호 MOS 전압스위치 Q13과 Q14, 및 Q15와 Q16을 각각 2개씩 취부하여, 기준전압을 입력할지, 접지로 떨어뜨릴지를 절환하고 있다. V1 입력단자와 스위치 통과후의 2입력단자를 합쳐 3개의 전압을 상시 가산평균한 전압이 Vout으로 되도록 한 회로동작원리에 기초한다.

결과적으로, 하이·레벨이 2값을 변화하는 전압펄스가 형성되고, 그것을 버퍼증폭하여 출력된다. 상기 실시예5와 실시예6의 전압 가산방식으로 2값 전압펄스 구동회로를 제어하는데는, 스위치 제어펄스는 2종류만으로 된다. 도 14에 나타낸 펄스발생 논리회로를 사용함으로써, 원하는 제어펄스를 발생할 수 있다. 도 14에는, 각 신호의 타이밍 파형과 출력전압(Vout) 파형도 동시에 나타내고 있다.

이상, 상술한 실시예3부터 실시예6의 어떠한 회로를 사용하여 하이·레벨이 2값을 취하는 전압펄스로 LED를 구동한 때의 응답파형을 정량적으로 해석해 보았다. 펄스상승 엣지의 초기 파고전압(Vh2)으로서 2.6V, 그 후의 정상레벨 전압(Vh1)을 2.25V로 설정한 경우, 즉 상기 단일치의 파고전압 2.25V에 비해 0.35V만큼 펄스상승의 초기치 하이·레벨을 높게 구동한 경우를 조사해 보면, 지연시간은 0.71ns, 상승시간은 1.25ns로 되었다.

이 구동방식에 의하면, 발광강도가 정상치에 도달하는 시간은, 1.96ns로 대폭 단축되는 결과가 얻어졌다. 단, 상승 엣지에서의 순간 피크전류는 100mA에 달하고, If의 정상구동전류 20mA에 비해 5배정도의 크기로 된다. 임의 패턴의 신호를 전송할 때에는 하이펄스 형상의 100mA의 전류주입으로 되기 때문에, 회로동작상 임펄스 동작에 대응할 수 있는 주위깊은 설계가 필요하게 되지만, 이 정도의 값은 실현 가능상 큰 장해로 되는 값은 아니다.

실시예1부터 실시예6에 있어서는, 정전압펄스의 하이·레벨이 단일치이고, 2값이고, 하이·레벨로부터 로우·레벨로 천이할 때에는 전압 Vh=2.25V부터 V1=1.6V까지 스텝형상으로 변한다. 이 때의 광출력펄스의 하강시간을 조사하면, 1.51ns였다. 이 값은, 상기 하이·레벨이 2값의 정전압펄스 구동을 사용한 때의 상승시간 1.25ns와 거의 동일하고, 수100Mb/s의 전송가능성을 암시하는 수치이다.

만약, V1을 0V까지 내리면, 당연히 하강시간은 0.5ns 근방까지 작게할 수 있는 가능성이 있지만, 상승시간과의 균형이 나빠지는 만큼, 고속화에는 기여하지 못한다. 더욱이, 하강에서는 전기펄스에 대한 상승지연에 필요한 시간은 0.1ns정도에 지나지 않는다.

한편, 실시예4부터 6에 있어서는, 지연시간이 약 0.7ns로 짧아졌다고 해도 의연히 무시할 수 없는 값이고, 상승·하강의 보정을 포함하여 출력광 신호의 펄스폭은, 외부 입력신호펄스(Vp)의 폭에 비해 0.5ns정도 좁아진다. 만약, 상기와 같이 고속화 대응의 소자가 사용되는 것으로서 LED의 소자정수의 Rs 또는 Cd의 값중 어느 것인가를 1/2만큼 작게할 경우에는, 이상 기술한 본 발명의 LED 구동회로를 적용함으로써, 최대 전송률이 500Mb/s에 달하는 광데이터·링크도 실현가능해진다. 그 때의 펄스폭 협착량은, 0.25ns가 유망하게 된다.

상기 어떠한 수단을 적용해도, 원리적으로 LED 출력광 신호펄스의 폭이 좁아지는 펄스 협착현상은 크든 작든 남는다. 이 협착량이 신호전송상의 듀티비의 변화나 시간 지터로서 문제로 될 때에는, 원리적으로는 상기 구동방식으로 생기는 펄스 협착량만큼 하이·펄스폭을 보상하는 발명을 적용함으로써 해결할 수 있다. 즉, 펄스 협착량만큼 입력신호 하이·펄스폭을 미리 넓히는 회로를 부가하여, LED 구동전압펄스폭 그것을 넓히는 방법이다.

이를 실현하는 구동회로의 기본 동작원리는, 실시예1에서 실시예6의 회로중에서, 제어펄스 발생회로만을 변경하는 것만으로 된다. 제어펄스 발생회로에 포함되는 누승기능으로서는, 외부 입력신호파형을 일단 아름답게 단형정형한 펄스를 베이스로, 최대 2개의 지연회로와 논리합성회로를 조합하여 사용하고, 하이·레벨의 펄스폭을 상기 협착량만큼 확장한 시퀀셜·펄스를 발생하는 동작기능이다. 그것에 기초하여, 원하는 타이밍으로 기준전압을 순차 선택하여 절환하고, 출력 임피던스가 낮은 전압펄스를 발생하는데는, 상기 전압펄스의 발생방식에 따라, 스위치 제어 펄스발생 논리회로의 구성이 달라지게 된다.

도 9에 나타낸 스위치 제어 펄스발생 논리회로는, 단일치 단형펄스 구동회로방식의 실시예1과 2에 적용할 수 있는 제어펄스 발생 회로이다. 도면에는, 구체적인 입력신호펄스(Vp), 펄스폭을 넓힌 제어펄스 C1과 Ch의 시퀀스 파형, 출력전압(Vout)의 파형을 나타내고 있다.

도 11은, 2값 전압펄스 구동회로방식의 실시예3과 4에 적용할 수 있는 스위치 제어 펄스발생 논리회로와 각종 신호의 시퀀스 파형이다. 펄스폭을 넓힌 Ch1과 C1과, 펄스폭을 바꾸지 않은 Ch2의 조합에 의해, 구동전압펄스(Vout)의 하이·펄스폭을 넓히고 있다.

도 15는, 마찬가지로 2값 전압펄스 구동회로방식인데 회로구성이 다른 전압 가산방식의 실시예5와 6에 적용할 수 있는 스위치 제어 펄스발생 논리회로와 신호의 타이밍 파형이다. 제어펄스(Ch)는 바뀌지 않고 제어펄스(C1)만 펄스폭을 넓힘으로써, 하이·펄스폭을 넓힌 구동전압펄스(Vout)를 얻고 있다.

실시예4부터 실시예6에서는, 하이·레벨 폭의 협착량이 0.5ns였기 때문에, 논리합성회로로 설정해야 할 펄스폭 확장의 최적치는 0.5ns로 되지만, 많은 고속의 LED 구동회로에 있어서는, 실질적으로 2ns 이하의 펄스폭 확장으로 보상이 충분히 가능하다. 이 때문에, 펄스폭 확장에 반드시 필요한 신호지연회로도 회로규모가 작아져, IC칩 내에 치밀하게 조립할 수 있기 때문에, LED 구동회로 그 자체도 크기가 작은 원칩 IC화가 가능하다.

이상 설명한 과도응답특성의 구체적 수치결과에서는, LED 소자 파라메터로서 비교적 큰 용량 Cd=200pF와 직렬저항 Rs=10Ω을 갖는 것으로 다루었다. LED 용량의 Cd의 값이 작아지면 그것에 비례하여 작아지게 하고, LED의 직렬저항 Rs의 값이 작아져도 마찬가지이다. 따라서, LED의 소자 특성의 선택에 의해 500Mb/s정도까지의 전송률의 광데이터·링크의 실현에 적용시키는 것은 용이하고, 본 발명의 LED 구동회로를 사용하면 LED를 사용한 서브기가·비트레이트의 광데이터·링크가 최소의 소비전력 증대와 저비용으로 실현할 수 있다.

이상, 대표예로서 채용해 온 LED의 전기적 특성에 가까운 풀·파라메터로 기술되는 실제의 LED 다이오드·모델을 사용하여, 2값 전압펄스 구동한 때의 LED의전압·전류 동작파형과 출력광 신호파형을 해석한 결과를 도 26에 나타낸다. 구체적으로는, 250Mb/s의 반복신호에 대한 특성이고, LED로 입력하는 전압의 레벨값은, 각각 V1=1.6V, Vh2=2.25V, Vh1=2.10V, 구동하는 펄스의 상승시간과 하강시간은 각각 0.6ns, 하이·펄스폭 확장시간을 0.8ns로 하고 있다. 이상적인 단형펄스와는 달리 유한의 과도응답펄스를 사용하고 있으면, 과도응답시의 피크전류가 억제기분으로 되어 있슴에도 불구하고, 광출력 파형은 듀티비 2:1을 유지한 아름다운 펄스형상이 얻어지고 있다. 이를 좀더 고속대응하도록 특성을 개선한 LED로 바꾸고, 구동조건을 최적화 하면 500Mb/s 이상의 전송이 가능한 것은 용이하게 추측할 수 있다.

이상에서는 실온동작에만 집중하여 설명해 왔는데, 계속해서 온도변화시의 대응책에 대해 설명한다.

적색 LED는, Si에 비하면, 밴드갭은 크지만, 본질적으로 다이오드로는 바뀌지 않는다. 이 때문에, 일정치의 순방향 전류가 흐를 경우에 필요한 순방향 전압(Vf)은, Si다이오드 마찬가지로 동작온도 변화에 대해 다이오드 고유의 큰 온도 의존성을 갖는다.

상기와 같이, 이상적인 다이오드에서 흐르는 전류에 의한 Rs에 의한 효과전압을 무시할 수 없을 경우에는, 소자의 재료에 관계없이 온도 의존성의 대소를 결정하는 파라메터는 활성화율의 N뿐이다. N은 디바이스에 의존하는 것으로, 실제로 LED의 발광에 필요한 전류가 흐르고 있을 때에는, Rs에 의한 전압강하를 무시할 수 없는 동작영역에 있기 때문에, 단순한 이상동작(理想動作)으로부터 벗어난 동작을 나타내는 것으로 되지만, 서로의 동작조건을 선택하면, LED의 온도 의존성은 Si다이오드의 것과 거의 일치하는 특성을 나타내어 달라도 수10% 이내에 있다.

이 때문에, 온도변화에 상관없이 LED에 흐르는 전류를 어느 특정한 일정치로 유지하기 위해서는, 그 전류를 인가하는 Vf의 값을 온도변화에 맞추어 구동전압레벨을 추종하도록 하여 행하면 된다. 즉, LED의 고속동작을 보증하는 DC 바이어스 전압의 로우·레벨(V1)과, 광출력 강도를 결정하는 Vh를, 항상, LED의 순방향 전압의 온도변화에 추종하여 발생하도록 제어할 수 있는 회로를 설계하면 된다.

도 16부터 도 18은, 이 목적에 합치하는 기준전압 발생회로의 기본구성의 구체적 예를 나타내고 있다.

도 16에서는, 밴드갭 기준전압 등을 기준으로 하는 안정화 정전류원(I1)을 이용한 온도에 의존하지 않는 직류전류를 발생시키고, 저항(R51, R52, R53)과 LED의 온도변화량과 동일한 순방향 전압 의존성을 갖는 Si다이오드 Si·D를 선별하여 종속접속하고, 3개의 기준전압(V1, Vh1, Vh2)을 얻고 있다. 저항의 값은, 사용하는 직류전류치와 그에 대한 Si·D의 순방향 전압, 발생시키려는 3개의 기준전압에 의해 일의적으로 결정할 수 있다.

도 17에서는, 전기·광변환에 사용하는 LED와 동일한 특성의 LED의 직접 기준전압 발생에 사용하는 것이다. 이 경우에는, 정전류원(I1)으로부터 발생시키는 직류전류는, LED가 OFF한 때의 로우·레벨 신호시에 흐르는 전류와 동일한 값으로 설정하고, 그 전류치 하에 전압차 (Vh1-V1)와 (Vh2-V2)가 발생하도록 R54와 R55의 저항치를 결정한다.

이상은, 안정화 정전류원을 1개로 LED와 동일한 온도 의존성을 갖는 소자를 준비하면 되는 간편함은 있으나, 기준전압 출력의 출력 임피던스가 비교적 높은 것과, 접지로부터 뜬 저항치를 조정할 필요가 있다.

도 18의 실시예에서는, 안정화 기준전압(Vref) 그것과 LED와 동일한 온도 의존성을 갖는 Si·D소자, 및 그정도 고주파 특성은 필요로 하지 않는 귀환증폭기 2개를 사용한 회로이다. Si·D에 흐르는 바이어스 전류는, Vref/R10에 인가되고, 일단 V1을 발생하고, 그것을 더 기준으로 하여 Vh를 발생하는 회로이다. 이 경우에는, V1의 출력전압과 Vh의 출력전압은 각각 접지에 접속된 R10과 R14로 조정할 수 있기 때문에 IC 외부로부터 조정하는 구조로 바꾸는 것도 용이하다. 또한, 전압 Vh2도 발생하려고 할 경우에는, Vh1=Vh를 발생하는 회로와 동일한 것을 더 1회 증설함으로써 가능해진다. 이 실시예는 도 21에 나타낸다.

일반적으로, LED의 발광효율은 부의 온도계수를 갖고 있기 때문에, Vh의 제어에 관해서는, Vf보다는 온도계수를 작게 설정함으로써, 실질적으로 온도변화에 대해 전류 하이의 값에 정의 온도계수를 갖게할 수 있어, 그것에 의해 광출력펄스 진폭의 온도 상승으로도 되는 감소를 보상할 수도 있다. 이 작용을 갖게 한 실시예로서 도 18을 수정한 것이 도 19이다.

일단, 실온에서 전압차(Vh-V1)에 일치하도록 안정화 전압을 발생하고, V1과의 합을 구해 Vh를 발생하고 있다. 이 때문에, Vh는 V1에 대해 온도에 의존하지 않는 일정한 전압차를 가진 전압으로 되어 있다. 더욱이, Vh1=Vh와 아울러 Vh2도 발생시키려고 할 경우에는, Vh 발생회로와 동일한 회로를 증설하면 되는 것은 말할것도 없다.

이상은, 동일한 LED를 전압기준에 사용하거나, LED와 동일한 방사계수(N)를 갖는 Si다이오드를 선택하여 전압기준에 사용하여, 온도 의존성을 보상하면서 기준전압 V1과 Vh, 또는 Vh1과 Vh2를 발생시키는 것이었다. 원칙적으로, LED 구동회로(IC)를 제작하는 프로세스만으로 완결시키려 할 경우에는, 많은 프로세스에 있어서는 Si다이오드의 온도변화가 LED의 온도변화보다 약간 작은 경우가 많고, 또 LED의 순방향 전압이 높기 때문에, 그 프로세스의 Si다이오드 순방향 전압의 변화를 적당하게 증폭하여 온도계수를 크게 하여 LED의 것과 일치시키고, 더욱이 순전압이 부족한 만큼 DC전압 오프셋을 합성함으로써, LED의 특성과 완전하게 일치시키는 것이 가능하다.

이를 구체화 한 회로예가 도 20이다.

Si·D의 순방향 전압을 적당히 증폭한 후, 일정 전압의 DC 오프셋을 가해 주어, V1과 Vh를 발생하고 있다.

또한, LED 구동회로를 범용부품으로 사용하기 위해 다양한 LED에 유연하게 적용할 수 있도록 하기 위해서는, IC 내의 회로정수를 고정하는 방법으로는 대응할 수 없다. 이것에는, EEPROM에 사용하는 LED의 온도특성 데이터를 사용하고 있는 IC 프로세스의 다이오드 순방향 전압의 온도특성 데이터를 기입·유지시키고, IC 기판상의 Si다이오드 순방향 전압을 AD변환기에서 EEPROM 어드레스 데이터를 발생하고, EEPROM 출력 데이터를 D/A 변환회로에 입력하여 추종전압을 발생시키는 방식을 사용하면 해결할 수 있다.

이를 구체적으로 블록·다이어그램으로서 나타낸 것이 도 25에 나타낸 EEPROM과 D/A변환기와 조합하여 구성한 온도 보상형 기준전압 발생회로이다. EEPROM에는 미리 기입 데이터(Data)를 단자 W 제어에 의해 기입할 수 있고, 동작시에는 LED 드라이버 회로에 내장한 클럭, 또는 외부 입력클럭(Clk)에 기초하여 타이밍으로 제어회로(Ctrl)에서 3개의 D/A 변환기에 대한 디지털·데이터를 리프레쉬 하도록 하고 있다.

좀더 적극적으로 광신호를 일정하게 유지하는 수단으로서는, 본원 명세서의 도면에서 나타내고 있지 않지만, LED의 근방에 강도 모니터용 광검출기를 설치하고, 그 강도 모니터 신호의 평균출력이 일정치를 유지하도록 구동전압펄스의 전압을 제어하는 귀환회로를 설치함으로써, 온도변화에 의한 전송광신호의 품질을 보다 일정하게 유지할 수 있다. 이를 사용하면, LED의 시간경과 후의 변화에 따른 특성 열화의 보상도 가능해진다.

이상, 본 발명의 LED 구동회로에 대해 구체예를 참조하면서 설명했다.

다음에, 본 발명의 광송수신모듈에 대해 설명한다.

도 27은, 본 발명의 광송신모듈의 개략 구성을 예시하는 주요부 투시 사시도이다.

상술한 구동회로를 이용함으로써, 본질적으로 큰 값의 접합용량을 갖는 LED에 대해서도 고속변조가 가능하고, 펄스파형 왜곡이 작고, 소비전력이 작은 저전압전원으로도 대응 가능한 송신모듈을 실현할 수 있다. 즉, 동 도면에 나타낸 모듈은, 본 발명의 LED 구동회로가 조립된 IC1과, LED소자(2), 모듈을 동작시키는데에부수하는 용량(9)과 저항(10)을 갖춘다. 이들 부품은, 서브모듈 기판(4), 또는 플라스틱·모듈용 리드 프레임 상에 일괄 실장되어, 서브모듈로 되어 있다.

이 서브모듈 상의 LED와, 플라스틱·파이버 등의 광도파로를 광결합시키기 위해, 모듈에는 일괄 정형된 광커넥터(5)가 설치되어 있다. 또한, 모듈의 일단에는, 외부와 전기적으로 결합하기 위한 리드(6)가 설치되고, 플라스틱·패키지(7)에 의해 일괄 모듈된 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

도 27에서는, 리드가 모듈의 한측단에만 설치되어 있지만, 리드를 설치하는 개소는 적당히 선택할 수 있고, 예컨대 패키지 다른쪽의 측단에도 설치해도 상관없다. 또한 모듈을 프린트 기판에 실장할 경우의 기계적 강도를 확보할 목적의 리드를 부수시켜도 된다. 또한, 송신모듈과 병렬하여 수신모듈을 실장하여 일체 성형한 트랜시버·모듈로 한 구조로 해도, 본 발명의 취지를 이탈하는 것은 아니다.

도 27에서는, 그와 같은 광송수신모듈의 예로서 광검출기(3)와 수신 IC(8)를 내장하는 것을 예시했다. 본 발명에 의하면, 단일의 전원으로 동작하고, 통상의 방열설계로 사용 가능한 저소비전력으로 커넥트한 광커넥터 결합형 플라스틱 송신모듈 또는 광송수신모듈을 실현할 수 있었다.

이상, 본 발명의 광소자 구동회로에 대해, Bi-CMOS 프로세스를 이용한 구체예를 설명했다. 그러나, 본 발명은 이들의 구체예에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 구체적인 회로를 구성하는데에 채용한 트랜지스터 소자의 특성에 따라 회로의 수정이 필요한 것은 말할 것도 없지만, Bi-CMOS에 한정하지 않고, Si 바이폴라·트랜지스터나 CMOS소자 등, 다른 트랜지스터 소자를 적용한 경우에도, 본 발명의취지를 이탈하지 않고 원리적으로 동일한 동작을 하는 광반도체소자 구동회로를 실현하는 것은 말할 것도 없다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 종래에는 고속구동이 불가능했던 LED를 사용해도 고속변조가 가능해지고, 출력광펄스 파형의 왜곡이 작고, 또 소비전력의 증대도 최소한으로 억제되며, 또 IC 내부에 모든 회로를 조밀하게 실장할 수 있기 때문에, 원칩 IC화가 용이하고, 저전압전원으로도 동작 가능한 LED 구동회로를 실현할 수 있다.

이 결과로서, 전원전압은 다른 신호처리 IC와 공용한 단일의 전원으로 동작하고, 게다가 통상의 방열설계로 사용 가능한 저소비전력으로 커넥트한 광커넥터 결합형 플라스틱 광송신모듈을 저비용으로 제공할 수 있다.

Claims

LED를 전기적으로 직결(直結)하여 구동하는 타입의 LED 구동회로에 있어서, 외부 입력신호를 파형 정형하여 펄스폭이 일정한 단형 전압펄스를 생성하는 펄스 생성회로와, 상기 단형 전압펄스에 기초하여, 로우·레벨의 제1출력전압 또는 하이·레벨의 제2출력전압을 상기 LED에 인가하기 위한 전압 전송회로를 구비하고,

상기 하이·레벨은 상기 LED로부터 소정 강도의 광을 출력하기 위해 필요한 상기 LED의 순방향 피크전류를 발생시키는 순방향 전압에 실질적으로 동등하고, 상기 로우·레벨은 상기 LED의 발광강도를 영 또는 무시할 수 있을 정도의 값으로 하기 위한 전압에 실질적으로 동등하며,

상기 LED의 내부 직렬저항에 비해 출력 임피던스가 낮은 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 로우·레벨은, 상기 LED의 순방향 피크전류를 상기 LED의 소광비로 나눈 값을 갖는 순방향 다이오드 전류를 발생시키기 위해 필요한 전압 이하이고, 또 최고 반복신호 전송시에 발생하는 광신호의 로우·레벨이 저속전송시에 발생하는 상기 광신호의 로우·레벨의 2배 이하로 되는 상기 순방향 전압 이상이며,

상기 LED에는, 항상 0V 보다도 높은 일정한 프리 바이어스(pre-bias) 전압이 인가되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 로우·레벨 및 상기 하이·레벨은, 상기 LED의 동작온도가 변화한 경우에 있어서도, 항상 상기 LED에 흐르는 순방향 전류가 일정하게 되도록, 상기 LED의 동작온도에 추종하여 변화하는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 전압 전송회로는, 상기 제2출력전압의 하이·레벨 보다도 높은 하이·레벨의 제3출력전압을 상기 LED에 인가하는 기능을 갖고, 상기 LED에는 상기 제3출력전압이 인가된 후에 상기 제2출력전압이 인가되고,

상기 제3출력전압의 하이·레벨과 상기 제2출력전압의 하이·레벨의 차는 1V 이하이고, 상기 제3출력전압의 하이·레벨은 5ns 이하, 또 상기 단형 전압펄스의 펄스폭 이하인 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 LED를 구동하는 출력펄스의 펄스폭은, 상기 단형 전압펄스의 펄스폭과 동일해지도록 파형 정형되고, 상기 출력펄스의 하이·레벨의 기간은 2ns 이하인 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 LED를 구동하는 출력펄스는, 과도천이시에, 완전한 단형 형상에 대해 20% 이상의 진폭의 오버슈트(overshoot)를 갖고, 또 상기 출력펄스의 폭은 상기 단형 전압펄스의 펄스폭과 동일하거나 또는 3ns 이하인 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 LED의 발광강도를 모니터 하는 광검출기와, 상기 LED의 발광강도의 평균치가 일정해지도록 상기 LED를 구동하는 출력펄스의 진폭을 조정하는 회로를 더 구비한 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
로우·레벨의 제1출력전압 및 하이·레벨의 제2출력전압을 생성하는 전압생성회로와,

상기 제1출력전압을 출력단자에 전송하는 제1MOS 스위치,

상기 제2출력전압을 상기 출력단자에 전송하는 제2MOS 스위치 및,

외부 입력신호를 파형 정형하여, 서로 상보의 관계를 갖는 제1 및 제2단형펄스를 생성하는 펄스 생성회로를 구비하고,

상기 출력단자에 LED가 전기적으로 접속되고, 상기 제1MOS 스위치의 게이트에 상기 제1단형펄스가 입력되고, 상기 제2MOS 스위치의 게이트에 상기 제2단형펄스가 입력되며,

상기 하이·레벨은 상기 LED로부터 소정 강도의 광을 출력하기 위해 필요한 상기 LED의 순방향 피크전류 또는 순방향 전압에 의해 결정되고, 상기 로우·레벨은 상기 LED의 발광강도를 영 또는 무시할 수 있을 정도의 값으로 하기 위한 전압치로 설정되는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2MOS 스위치와 상기 출력단자의 사이에 버퍼가 접속된 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제8항에 있어서, 상기 제1출력전압은 제1버퍼를 경유하여 상기 제1MOS 스위치에 입력되고, 상기 제2출력전압은 제2버퍼를 경유하여 상기 제2MOS 스위치에 입력되는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제8항에 있어서, 상기 로우·레벨은, 상기 LED의 순방향 피크전류를 상기 LED의 소광비로 나눈 값을 갖는 순방향 다이오드 전류를 발생시키기 위해 필요한 전압 이하의 전압치로 설정되는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제8항에 있어서, 최고 주파수로 동작하고 있을 경우에 상기 LED로부터 발생되는 광의 강도는, 통상 주파수로 동작하고 있을 경우에 상기 LED로부터 발생되는 광 강도의 2배 이하로 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제8항에 있어서, 상기 LED는, 항상 0V보다 높은 일정 전압이 DC 프리·바이어스로서 인가되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제8항에 있어서, 상기 LED의 동작온도가 변화한 경우에, 상기 LED에 흐르는 순방향 전류를 일정치로 유지하도록, 상기 LED의 순방향 바이어스 전압을 상기 동작온도의 변동에 추종하여 변화시키는 제어회로를 구비한 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제8항에 있어서, 상기 펄스 생성회로로부터 출력되는 단형펄스는, 과도천이시에 20% 이상의 진폭 오버슈트 특성을 갖고, 또 그 펄스폭은 상기 외부 입력신호의 펄스폭과 동일하거나, 또는 3ns 이내인 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제8항에 있어서, 상기 LED의 근방에 발광강도를 모니터 하는 광검출기와, 상기 발광강도의 평균치가 일정해지도록, 상기 펄스 생성회로로부터 출력되는 단형펄스의 진폭을 조절하는 조정회로를 구비한 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
로우·레벨의 제1출력전압, 제1하이·레벨의 제2출력전압 및 상기 제1하이·레벨 보다도 높은 제2하이·레벨의 제3출력전압을 생성하는 전압생성회로와,

상기 제1출력전압을 출력단자에 전송하는 제1MOS 스위치,

상기 제2출력전압을 상기 출력단자에 전송하는 제2MOS 스위치,

상기 제3출력전압을 상기 출력단자에 전송하는 제3MOS 스위치 및,

외부 입력신호를 파형 정형하여, 제1, 제2 및 제3단형펄스를 생성하는 펄스 생성회로를 구비하고,

상기 출력단자에 LED가 전기적으로 접속되고, 상기 제1MOS 스위치의 게이트에 상기 제1단형펄스가 입력되고, 상기 제2MOS 스위치의 게이트에 상기 제2단형펄스가 입력되고, 상기 제3MOS 스위치의 게이트에 상기 제3단형펄스가 입력되고,

상기 제3단형펄스가 하이·레벨로 된 후, 연속하여 상기 제2단형펄스가 하이·레벨로 되고, 상기 제1단형펄스는 상기 제2 및 제3단형펄스의 OR를 취한 값과 상보의 관계를 가지며,

상기 LED에 인가되는 하이·레벨의 전압이 2값을 갖는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제17항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3MOS 스위치와 상기 출력단자의 사이에 버퍼가 접속된 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제17항에 있어서, 상기 제1출력전압은 제1버퍼를 경유하여 상기 제1MOS 스위치에 입력되고, 상기 제2출력전압은 제2버퍼를 경유하여 상기 제2MOS 스위치에 입력되고, 상기 제3출력전압은 제3버퍼를 경유하여 상기 제3MOS 스위치에 입력되는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제17항에 있어서, 상기 로우·레벨은, 상기 LED의 순방향 피크전류를 상기 LED의 소광비로 나눈 값을 갖는 순방향 다이오드 전류를 발생시키기 위해 필요한 전압 이하의 전압치로 설정되는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제17항에 있어서, 최고 주파수로 동작하고 있을 경우에 LED로부터 발생되는광의 강도는, 통상 주파수로 동작하고 있을 경우에 상기 LED로부터 발생되는 광 강도의 2배 이하로 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제17항에 있어서, 상기 LED는, 항상 0V보다 높은 일정 전압이 DC 프리·바이어스로서 인가되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제17항에 있어서, 상기 LED의 동작온도가 변화한 경우에, 상기 LED에 흐르는 순방향 전류를 일정치로 유지하도록, 상기 LED의 순방향 바이어스 전압을 상기 동작온도의 변동에 추종하여 변화시키는 제어회로를 구비한 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제17항에 있어서, 상기 LED를 구동하는 하이·레벨의 전압펄스는 상기 전압펄스의 상승 직후의 최초의 일정기간은 상기 제2하이·레벨로 설정되고, 나머지 기간은 상기 제1하이·레벨로 설정되며, 상기 제1 내지 제3단형펄스의 하이·레벨은 상기 제2하이·레벨과 동일한 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제17항에 있어서, 상기 제1하이·레벨과 상기 제2하이·레벨의 전압차는 1V 이하이고, 상기 제2하이·레벨의 상기 제3출력전압은 5ns 이하의 기간만큼 계속하여 출력되며, 또 상기 제3출력전압의 진폭 및 폭은 상기 제3단형펄스의 진폭과 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제17항에 있어서, 상기 펄스 생성회로로부터 출력되는 단형펄스는 과도천이시에 20% 이상의 진폭 오버슈트 특성을 갖고, 또 그 펄스폭은 상기 외부 입력신호의 펄스폭과 동일하거나, 또는 3ns 이내인 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제17항에 있어서, 상기 LED 근방에 발광강도를 모니터 하는 광검출기와, 상기 발광강도의 평균치가 일정해지도록, 상기 펄스 생성회로로부터 출력되는 단형펄스의 진폭을 조절하는 조정회로를 구비한 것을 특징으로 하는 LED 구동회로.
제1항 내지 제7항중 어느 한항에 기재된 LED 구동회로를 갖춘 IC와, 상기 LED 구동회로의 출력단자에 접속되는 LED, 상기 IC 및 상기 LED가 실장되는 서브모듈(sub-module), 상기 LED와 광학적으로 결합하는 광커넥터, 상기 IC 및 상기 LED에 전기적으로 결합되는 리드 및, 상기 IC, 상기 LED, 상기 서브모듈, 상기 광커넥터 및 상기 리드를 수용하는 패키지를 구비한 것을 특징으로 하는 광송신모듈.
제8항 내지 제16항중 어느 한항에 기재된 LED 구동회로를 갖춘 IC와, 상기 LED 구동회로의 출력단자에 접속되는 LED, 상기 IC 및 상기 LED가 실장되는 서브모듈, 상기 LED와 광학적으로 결합하는 광커넥터, 상기 IC 및 상기 LED에 전기적으로 결합되는 리드 및, 상기 IC, 상기 LED, 상기 서브모듈, 상기 광커넥터 및 상기 리드를 수용하는 패키지를 구비한 것을 특징으로 하는 광송신모듈.
제17항 내지 제27항중 어느 한항에 기재된 LED 구동회로를 갖춘 IC와, 상기 LED 구동회로의 출력단자에 접속되는 LED, 상기 IC 및 상기 LED가 실장되는 서브모듈, 상기 LED와 광학적으로 결합하는 광커넥터, 상기 IC 및 상기 LED에 전기적으로 결합되는 리드 및, 상기 IC, 상기 LED, 상기 서브모듈, 상기 광커넥터 및 상기 리드를 수용하는 패키지를 구비한 것을 특징으로 하는 광송신모듈.