用於發光二極體的驅動電路的製作方法
2023-10-10 17:27:59 3
專利名稱：用於發光二極體的驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明針對用於發光二極體的驅動電路。
背景技術：
通過向發光二極體的陽極端子施加高電位並向陰極端子施加地電位來驅動發光二極體(LED)。在端子之間流動的電流生成電子空穴對，電子空穴對重新結合而在二極體帶隙所定義的頻譜範圍上發光。如果發光二極體由適當的材料構成並設置在反射面之間以形成光諧振腔，則發光二極體可發射相干光，因此形成發光二極體雷射器。在很多情況下，器件的解理邊具有足夠的反射率以形成光諧振腔並允許二極體作為雷射器工作。
在列印系統應用中，要求1％或更高精確度的雷射強度控制。一旦雷射器在發射雷射，雷射器的光強度隨流經雷射器的電流線性變化。半導體雷射器是二極體，在正向偏置電壓電平下發射雷射。正向偏置電壓隨電流變化很小，但可能因雷射器不同而不同。因此，理想地，雷射驅動器是將電流輸送到雷射器而與電壓狀態無關的電流驅動器。由於電源波動和雷射二極體的不同正向偏置電壓，電壓狀態可能變化。而且，電流驅動器的發熱增加了電流驅動器的內阻，導致電流驅動器要求更多電壓以保持相同電流。如果雷射二極體的正向偏置電壓小並且電源電壓大，則雷射驅動器有足夠的電源電壓範圍來提供所需的電流電平。如果雷射二極體的正向偏置電壓佔用更多的電源範圍和/或電源電壓變得更少，和/或如果電流源發熱，則雷射驅動器必須利用減少的電源電壓範圍來提供相同的電流。期望雷射驅動器能在很寬的電壓範圍內、特別是較低電壓時輸送相同的電流。
通常，二極體由例如PMOS電晶體驅動，例如圖1所示。圖1表示耦合到PMOS電晶體20的漏極端子24和地14的發光二極體30。PMOS電晶體20的源極端子22耦合到電源電壓源10，電源電壓源10通過PMOS電晶體20提供足以使發光二極體30正向偏置的電壓。由柵極端子26上的電壓來控制PMOS 20輸送的電流量，柵極端子26耦合到參考電壓12。例如，將柵極電壓提高到電源電壓，則會使PMOS電晶體20截止，而將柵極電壓降回到參考電壓電平，會使PMOS電晶體20重新導通。
然而，圖1所示的發光二極體驅動電路存在多個缺點。例如，作為光學系統實現的一部分的發光二極體30可能需要更換或可能被更新為不同型號或類型的發光二極體，因此引入了不同的正向偏置電壓，正向偏置電壓直接影響PMOS電晶體20上的壓降，影響可用於發光二極體30的電流。例如，作為光學器件驅動器的一部分的PMOS電晶體20可用於若干光學系統，每一個採用不同的具有其自己的正向偏置電壓的發光二極體30。在每個光學系統中，會向PMOS電晶體20提供不同量的電源範圍用於工作，導致不同電流通過發光二極體30。例如，一旦導通，PMOS電晶體20發熱從而導致其電阻增加，這增加了PMOS電晶體20上的壓降，減小了輸出電壓，並因此減小了可用於發光二極體30的電流。
而且，來自電源電壓源10的電壓變化可能直接影響輸送到發光二極體30的電流量，因為輸送到發光二極體30的輸入端子32的電壓直接取決於來自電源電壓源10通過PMOS電晶體20的電壓。
電源電流變化性的這些源中的每一個可能影響發光二極體30的光輸出屬性。
因此，圖1所示的驅動電路存在多個缺點。所以，設計避免了這些缺點的用於發光二極體的驅動電路是有利的。
發明內容
可提供用於發光二極體的驅動電路，它向發光二極體輸送穩定量的驅動電流，而不管電源電壓的變化、發光二極體的正向偏置電壓的變化或驅動PMOS電晶體的內阻的變化。
可提供用於驅動發光二極體的電路，該電路包括控制兩個電晶體的柵極電壓的運算放大器。運算放大器的輸入端可耦合到電晶體的漏極，使得漏極上的電壓可由運算放大器保持相等。參考電流可耦合到第一電晶體的漏極，使得運算放大器用來通過第二PMOS電晶體的漏極端子輸送基本相等的電流量。發光二極體還可耦合到第二電晶體的漏極端子。第一和第二電晶體可以是PMOS電晶體。發光二極體可以是例如雷射二極體。
選通信號可連接到運算放大器，當選通信號為高時，禁用運算放大器，例如通過將運算放大器的輸出驅動到其正軌跡，這使其漏極耦合到發光二極體的PMOS電晶體截止。當選通信號為低時，可啟用運算放大器，使得電流輸送到發光二極體。
在下面的詳細描述中描述了本發明的這些和其它特徵和優點，或者從下面的詳細描述中，本發明的這些和其它特徵和優點是顯而易見的。
圖1是用於發光二極體的已知驅動電路的示意圖；以及圖2是使用參考電流的用於發光二極體的示範驅動電路的示意圖。
具體實施例方式
在下面的描述中，用於發光二極體的驅動電路包括平衡電路，平衡電路的輸入端耦合到兩個電晶體的漏極端子並且輸出端耦合到兩個電晶體的控制柵。兩個電晶體可為PMOS電晶體，平衡電路可為運算放大器。一個PMOS電晶體的漏極端子也可耦合到參考電流源，另一個PMOS電晶體的漏極端子可耦合到發光二極體。因為運算放大器用來平衡其輸入，所以運算放大器的輸出可調整PMOS電晶體的控制柵直到其輸入基本相等。例如，這導致輸送到發光二極體的電流與參考電流源提供的參考電流基本相等，而不管驅動電路工作電壓的變化。
圖2是用於發光二極體的示範驅動電路100的示意圖。電路100包括兩個PMOS電晶體110和120、運算放大器150和發光二極體180。PMOS電晶體110和120的源極端子可耦合到電源電壓源105。來自電源電壓源105的電源電壓此後可稱為VDD，並可以為例如5伏。
在輸入電壓節點194處的輸入電壓可耦合到運算放大器150的負(反相)輸入端子154。該輸入電壓可為發光二極體180的正向偏置電壓174。節點192上的參考電流182由參考電流源130定義，參考電流源130由兩個串聯NMOS電晶體構成；NMOS電晶體131的漏極端子連接到節點192，柵極端子連接到偏置電壓136、即「偏置1」，源極端子連接到節點162；NMOS電晶體132的漏極端子連接到節點162，柵極端子連接到偏置電壓137、即「偏置2」，源極端子連接到地000。該參考電流可通過節點192輸入到PMOS電晶體110的漏極端子。所產生的電壓通過節點192連接到運算放大器150的正(非反相)輸入端子152。
運算放大器工作而通過改變在其輸出端156的電壓使其輸入端152和154上的電壓基本平衡。改變輸出電壓156改變了PMOS電晶體110和120的柵極輸入端的電壓，改變了分別輸送到節點192和194的PMOS電晶體110和120的漏極電流Id110(111)和Id120(121)。運算放大器150的正輸入端152不接受輸入電流，所以PMOS電晶體110的漏極電流Id110(111)等於參考電流Ics 182。由於PMOS電晶體110和120具有相同源極電壓105以及相同柵極電壓156，除了PMOS電晶體110和120上的不同漏極電壓的影響之外，從它們漏極輸出的電流是相等的。運算放大器150的負輸入端154不接受輸入電流，所以正向二極體電流Iled 184等於PMOS電晶體120的漏極電流Id120(121)。由於發光二極體的特徵是隨著通過發光二極體的正向電流改變，正向偏置電壓變化很小，運算放大器150的負輸入端子154等於正向偏置電壓174並且相對穩定。
電流參考源的特徵是，當它兩端的電壓改變時，它的參考電流基本不變。
如果PMOS電晶體110的漏極電流Id110(111)大於參考電流Ics182，則在節點192累積電荷，使節點192上的電壓升到高於運算放大器150的負輸入端子154上的電壓的電平。這導致運算放大器150的輸出電壓156增加，通過PMOS電晶體110和120的柵極端子，減少了它們的漏極電流Id110(111)和Id120(121)，直到PMOS電晶體110的漏極電流Id110(111)等於參考電流Ics 182。
如果PMOS電晶體110的漏極電流Id110(111)小於參考電流Ics182，則電荷從節點192排出，使節點192上的電壓降到低於運算放大器150的負輸入端子154上的電壓的電平。這導致運算放大器150的輸出電壓156減少，通過PMOS電晶體110和120的柵極端子，增加了它們的漏極電流Id110(111)和Id120(121)，直到PMOS電晶體110的漏極電流Id110(111)等於參考電流Ics 182。
當PMOS電晶體110的漏極電流Id110(111)等於參考電流Ics 182時，通過運算放大器150的增益，使運算放大器輸入端152、154上的電壓基本相等。隨著運算放大器輸入152、154基本相等，PMOS電晶體110和120的漏極電壓也基本相等。隨著PMOS電晶體110和120的柵極電壓和源極電壓相等，它們的漏極電流Id110(111)和Id120(121)基本相等，導致正向二極體電流Iled 184與參考電流Ics 182基本相等。
應當意識到，示範性電流驅動電路100功能是保持正向二極體電流Iled 184與參考電流Ics 182基本相等，而不管電源電壓源105和115中的電壓的變化或瞬變。
應當意識到，示範性電流驅動電路100功能是保持正向二極體電流Iled 184與參考電流Ics 182基本相等，而不管正向偏置電壓的變化。
當調整參考電流源130的「偏置1」136和「偏置2」137時，也可調整流經參考電流源130的電流。根據如上所述的運算放大器150的操作，該電流量也輸送到發光二極體180。因此，「偏置1」136和「偏置2」137可用於控制電流，因此，控制發光二極體180的光輸出電平。
因為圖2示出了電流驅動電路100的配置，在很寬的工作條件範圍內，會將「偏置1」136和「偏置2」137選擇的參考電流Ics 182的電平輸送到發光二極體180。例如，可由「偏置1」136和「偏置2」137為在電源端子105應用於PMOS電晶體110和120的各種電源電壓VDD確定輸送到發光二極體180的電流。
雖然示出了參考電流源的特定實現，但這只是示範性的，可使用參考電流源的任何實現。
應當意識到，與較早提到的圖1的典型驅動器相比，示範性電流驅動電路提供了有利的輸出阻抗。圖1的典型驅動器通過PMOS電晶體20向發光二極體提供電流。輸出節點的輸出阻抗是其電壓的變化除以從輸出節點輸出的電流的變化。大輸出阻抗由PMOS電晶體20的漏極24處的大電壓變化導致從漏極24輸出的電流的小變化來表示。PMOS器件的輸出阻抗通常小於NMOS器件的輸出阻抗，並且遠小於圖2的NMOS器件131和132的串聯布置130。圖2的運算放大器150的作用是使PMOS電晶體120的漏極端子的輸出阻抗的大小等於參考電流源的輸出阻抗。如果正向偏置電壓174變化，則運算放大器的作用是通過相等改變來改變參考電流發生器192兩端的電壓。參考電流發生器的大輸出阻抗導致參考電流變化極小。運算放大器然後的作用是改變PMOS 110的漏極電流Id110(111)，使其等於參考電流182，它改變PMOS電晶體120的漏極電流Id120(121)，使其也等於參考電流182。雖然正向偏置電壓174變化，但是正向二極體電流Iled 184僅改變與參考電流源在給定其輸出阻抗的情況下允許的一樣多。先取PMOS電晶體120的較低輸出阻抗。如果電晶體110和120關於共享熱環境非常接近，則先取PMOS電晶體120的較低輸出阻抗，而不管PMOS電晶體120上的熱效應。
除使用參考電流源130控制到發光二極體180的正向二極體電流Iled 184的量之外，還可通過向電路附加選通信號160接通和斷開到發光二極體180的正向二極體電流Iled 184，如圖2所示。在各種示範實現中，選通信號160可連接到運算放大器150，當選通信號160為高時，禁用運算放大器150，例如通過將運算放大器150的輸出節點156驅動到其正軌跡，這使漏極耦合到發光二極體180的PMOS電晶體120截止。當選通信號160為低時，可啟用運算放大器150，使得漏極電流Id120(121)輸送到發光二極體180。
雖然結合上面列出的示範實現描述了各種細節，但是通過查看前面的公開，無論是已知的還是可能目前未預料到的各種替代、修改、變化、改進和/或實質等效物可變得清晰。所述驅動電路可應用於任何發光二極體，例如雷射二極體、可見光二極體、垂直共振腔表面發射雷射器等等。更一般地說，所述驅動電路可應用於任何一個或多個具有用於連接到節點192的高阻抗節點和用於連接到節點194的低阻抗節點的網絡，其中高阻抗節點和低阻抗節點的電流與電壓特性具有非零對應關係。
權利要求
1.一種用於發光二極體的驅動電路，包括第一電晶體，具有第一柵極端子、第一漏極端子和在所述第一漏極端子上的第一漏極電壓；第二電晶體，具有第二柵極端子、第二漏極端子和在所述第二漏極端子上的第二漏極電壓；平衡電路，耦合到所述第一和第二電晶體；耦合到所述第一漏極端子和平衡電路的高阻抗負載，耦合到所述第二漏極端子和平衡電路的低阻抗負載；其中所述第一和第二電晶體響應平衡電路，以便使所述第一和第二漏極電壓基本相等，從而向所述低阻抗負載施加與施加到所述高阻抗負載的電流基本相等的電流。
全文摘要
用於發光二極體的驅動電路可包括兩個電晶體和運算放大器。運算放大器可工作以導致電晶體的漏極端子的輸出電壓基本相等，使發光二極體的正向電流與參考電流基本相等。該電流可提供穩定的驅動電流，即使電源電壓在大範圍變化。
文檔編號H05B37/00GK1780509SQ20051012470
公開日2006年5月31日 申請日期2005年11月9日 優先權日2004年11月10日
發明者H·J·麥金泰爾 申請人:施樂公司