KR100810328B1 - 전류 구동형 광원 구동 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류 구동형 광원 구동 회로에 관한 것으로서, CMOS 광송신기 내에서, 바이어스 전원에 의해 조절되어 구동전류를 공급하는 정전류원과, 상기 정전류원과 외부에서 수신된 차동 입력 신호에 따라 구동하는 제1 및 제2 회로부와, 상기 입력된 신호를 출력 광신호로 변환하는 광원과, 상기 광원의 부하를 균형 조정하는 부하 소자를 포함한다. 이에 이더넷 또는 광섬유 채널 환경에서, 추가적인 구동 회로 없이 전송하고자 하는 전기적 신호를 전/광 변환 및 전송하기 위하여 차동 신호가 공통적으로 사용되어 송신측 내에서 유지되며, 기존의 전기적 인터페이스를 대체하는 병렬 전송이 아닌 직렬 전송 회로로 비교적 낮은 전력에 의해 전력소모를 감소시키고, 송신측 내에서 차지하는 면적을 줄일 수 있는 효과를 갖고 있다.

광원, 구동, VCSEL, LVDS, 트랜지스터, 직렬, 전송, 차동, 부하

Description

전류 구동형 광원 구동 회로{Current Driving Type Light Source Driving Circuit}

도 1은 종래의 LVDS 구동기 회로도

도 2는 종래의 LVDS 구동기 회로를 이용한 시스템 구성도

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전류 구동형 광원 구동 회로도

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단파장 VCSEL에 대한 광강도-전류/전압(LI-IV) 특성의 한 예시도

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전류 구동형 광원 구동 회로를 이용한 시스템 구성도

* 주요 도면부호에 대한 설명 *

100 : LVDS 구동기 회로 300 : 전류 구동형 광원 구동 회로 310 : 정전류원 320, 330 : 입력단

340 : 제1 회로부 350 : 제2 회로부

360 : VCSEL 370 : 부하 소자

본 발명은 전류 구동형 광원 구동 회로에 관한 것으로, 추가적인 구동 회로 없이 전송하고자 하는 전기적 신호를 전/광 변환 및 전송하기 위해 차동 신호를 공통적으로 사용하여 송신측 내에서 유지되며, 기존에 전기적 인터페이스의 송신측 내에서 차지하는 면적을 줄이고, 그에 따른 전력소모를 감소시키는 전류 구동형 광원 구동 회로에 관한 것이다.

일반적으로, 하나의 디바이스 내에서, 혹은 두 개 이상의 디바이스들 간에 여러 유형의 데이터 전송 방식들(schemes)이 개발되어 왔다. 데이터 전송 유형중 하나는, 두 신호 라인들간의 전압 레벨의 차이가 전송 신호를 형성하는 차동 데이터 전송이다. 예를 들면, 차동 데이터 전송은 긴 거리 동안 100Mbps보다 큰 데이터 전송 속도를 위해 통상적으로 이용된다.

이러한 구동기 회로는 전송 라인 또는 매체 상에 신호를 배치하고 이 신호를 구동한다. 저전압 차동 시그널링(low voltage differential signaling; 이하 LVDS라 함) 구동기는 송신기로부터 수신기로 신호를 구동시키는 것을 포함하는 많은 응용에서 통상적으로 사용된다. 전형적인 LVDS 구동기는 고속 전송을 허용하고 저전력을 이용하며, 낮은 전자기 간섭(electromagnetic interference; EMI)을 가지며 비용이 저렴할 수도 있다.

신호를 차동하는 이유는 잡음 성분 중에 가장 큰 비중을 차지하는 같은 위상으로 동시에 발생하는 잡음인 공통모드 잡음을 억제하기 위하여 차동 증폭기의 원 리와 마찬가지로 서로 차동의 특성을 갖는 신호를 전송함으로써 공통모드 잡음이 신호에 간섭해도 수신단에서 두 신호의 차이만을 기준으로 신호를 판별하기 때문에 두 신호에 공통적으로 가감되는 잡음의 영향이 없도록 하기 위함이다.

또한, 이러한 저전압 차동 신호(LVDS) 전송기법은 고속화, 대용량화로 내부 칩간, backplane간 전송속도가 지속적으로 증가하는 최근 통신 시스템의 경향이기 때문에 많은 전송선이 필요한 LCD 드라이버의 데이터 전송에 사용되고 있는 추세로 볼 때 많은 발전을 기대할 수 있는 분야임에는 틀림없다.

도 1은 종래의 LVDS 구동기 회로도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 LVDS 구동기 회로(100)는 출력 신호들 OUT+ 및 OUT- 간의 전압 차는 한 쌍의 차동 신호를 형성한다. 한 쌍의 차동 신호란, 전류 파형들이 서로 180ㅀ위상 차이가 나는 두 개의 신호를 의미한다.

LVDS 구동기 회로(100)는, 전원 VDD 에 결합된 제1 직류 정전류원(I1), 두 개의 P-채널 금속 산화물 반도체(P MOS) P1 및 P2, 두 개의 N-채널 금속 산화물 반도체(NMOS) N1 및 N2(차동 쌍), 및 공통 노드 COM 및 접지 사이에 결합된 제2 직류 정전류원(I2)을 포함한다. 4 개의 차동 쌍 트랜지스터들 P1, P2, N1 및 N2는, 입력 전압 신호들 D+ 및 D- 와, 화살표 A 및 B로 가리키는 바와 같이 부하 저항 RLOAD 을 통과하는 직류에 의해 제어된다. 입력 전압 신호들 D+ 및 D-는 전형적으로 레일-투-레일(rail-to-rail) 전압 스윙이다.

LVDS 구동기 회로(100)의 동작에 대해 이하에 설명한다. 4개의 트랜지스터들 P1, P2, N1 및 N2중 두 개는 동시에 턴 온되어 부하 저항 R LOAD 에 걸리는 전압을 발생시키도록 전류원 I1 및 I2로부터의 전류를 조정한다. 화살표 A가 가리키는 방향으로 부하 저항 R LOAD 를 통과하도록 전류를 조정하기 위해서는, 입력 신호 D+가 하이(high)로 되어 트랜지스터 N1을 턴 온하고 트랜지스터 P1을 턴 오프하며, 이와 동시에 입력 신호 D-는 로우로 되어 트랜지스터 P2를 턴 온하고 트랜지스터 N2를 턴 오프한다.

이와 반대로, 화살표 B가 가리키는 방향으로 부하 저항 RLOAD 를 통과하도록 전류를 조정하기 위해서는, 입력 신호 D-는 하이로 되어 트랜지스터 N2를 턴 온하고 트랜지스터 P2를 턴 오프하며, 입력 신호 D+는 로우로 되어 트랜지스터 P1을 턴 온하고 트랜지스터 N1을 턴 오프한다. 이에 따라, 완전한(full) 차동 출력 전압 스윙을 얻을 수 있게 된다.

종래의 LVDS 구동기 회로(100)는, 출력 전압 스윙이 허용 가능한 공통 모드 전압 범위(통상적으로 수 볼트) 내에 있는 한 잘 작동한다.

이 구동기 회로(100)는 양질의 전원 공급 리젝션(rejection)을 제공하는 이점을 갖는다. 공통 모드 전압 VCM 은 저항 R1을 통해 외부 바이어스 전압에 의해 설정된다. 이상적인 것은, 공통 모드 전압이 소정의 레벨 또는 소정의 범위 내에서 유지되는 것이다. 많은 구동기 적용에 있어서, 1.25V의 공통 모드 전압이 이용된다.

이 구동기 회로(100)의 단점중 하나는, 트랜지스터들을 적절하게 바이어스 시킨 채로 유지하기 위해서는 더 높은 전원 공급 레벨이 필요하다는 것이다. 전류원 I1 및 I2를 형성하는 트랜지스터들은 포화 상태에 있도록 충분한 전압을 가져야 한다는 것이다. 차동 쌍들 P1, P2 및 N1, N2는 출력 전류 및 채널 저항과 관련된 최소 전압 강하를 갖는다.

따라서, 이 모두는 출력 신호 스윙 범위 내에서 적절하게 바이어스 된 채로 유지되어야 한다. 구동기가 모든 프로세스 동안 작동하도록 몇몇 마진, 즉 전압 및 온도(PVT) 변동이 추가되어야 한다. 이 바이어싱 요구사항은 도시된 CMOS 회로 또는 바이폴러 접합 트랜지스터들에 적용된다. 예를 들면, 전형적 인 LVDS 푸시-풀 구동기는, 약 1.25V의 규격 공통 모드 레벨로 바이어스를 적절하게 유지하기 위해 적어도 2.5V의 전압 공급을 필요로 한다. 이에 따라, 종래의 LVDS 구동기 회로에 의해 요구되는 공급 전압 레벨은, 2.5V보다 낮은 전원이 공급되는 저전력 응용 장치 및 디바이스들의 개발을 제한하게 된다.

도 2는 종래의 LVDS 구동기 회로를 이용한 시스템 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 LVDS 구동기 회로(100)를 이용한 송신기는 출력 버퍼(도시하지 않음)측의 4개 스위치로 전류 전원을 스위칭하고, 수신기에서는 100옴의 양단 저항에 걸리는 전압차이를 감지하여 증폭하는 형태이다.

이러한 종래의 LVDS 구동기 회로(100)에서는 하나의 신호를 하나의 송신기로 차동 신호화하여 2개의 전송선(Transmission line)으로 전송하고 하나의 수신기가 하나의 신호수신하는 방법이므로 하나의 신호를 전송하기 위하여 2배의 전송선을 필요로 하는 것이다. 그러므로 반드시 한개의 신호를 전송하기 위해서 원래의 신호와 반전된 신호를 사용하기 때문에 2개의 전송선과 2개의 입,출력 핀을 필요로 하기 때문에 소형화가 어렵고, 전력소모가 상대적으로 많은 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 이더넷 또는 광섬유 채널 환경에서, 추가적인 구동 회로 없이 전송하고자 하는 전기적 신호를 전/광 변환 및 전송하기 위해 차동 신호를 공통적으로 사용하여 송신측 내에서 유지되며, 기존에 전기적 인터페이스의 송신측 내에서 차지하는 면적을 줄이고, 비교적 낮은 전력에 의해 전력소모를 감소시키는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 CMOS 광송신기 내에 광원 구동 회로에 있어서, 바이어스 전원에 의해 조절되어 구동전류를 공급하는 정전류원과, 상기 정전류원과 외부에서 수신된 차동 입력 신호에 따라 구동하는 제1 및 제2 회로부와, 상기 입력된 신호를 출력 광신호로 변환하는 광원과, 상기 광원의 부하를 균형 조정하는 부하 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 전류 구동형 광원 구동 회로는 종래의 LVDS 구동기 회로에서 구동하는 2.5V보다 낮은 공급 전압으로 동작하게 한다. 본 발명의 전류 구동형 광원 구동 회로는 1.5V에서 1.8V의 공급 전압으로 동작한다.

도 1에 예시된 종래의 LVDS 구동기에서와 같이, 트랜지스터들 P1, N1 및 P2, N2는 CMOS 입력 신호들 D+ 및 D-의 상태에 근거한 부하 저항 RLOAD를 통해 전류를 구동하는 전류 조정 스위치들로서 행동한다. 그러나, 두 개의 전류원들을 사용하기 보다는, 본 발명은 단일 정전류원을 채용한다. 추가적으로, 어떤 외부 전압 바이어스도 구동기의 공통 모드 전압 레벨을 설정할 필요가 없다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전류 구동형 광원 구동 회로도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전류 구동형 광원 구동 회로(300)는 바이어스 전원(Vbias)에 의해 조절되어 전류(Ib)를 생성해내는 전류원으로 동작하는 P-채널 금속 산화물 반도체(P MOS) P1의 정전류원(310)과, 각각 입력단(320, 330)으로부터 수신된 CMOS 입력 신호(D+, D-)에 따라 구동하는 제1 및 제2 회로부(340,350)를 포함한다.

각각의 입력단(320, 330)은 수직 공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser : VCSEL, 360)를 그 레이저 문턱전압 이상으로 유지하는 바이어스 요소와 VCSEL(360)에 의해 전송될 신호를 제공하는 CMOS 입력 신호들(D+, D-)을 모두 수신하게 된다.

입력단(320)은 하나의 입력 신호를 수신하며, 다른 입력단(330)은 복사된 반전 입력신호를 수신할 것이다. 제1 회로부(340)의 출력리드가 VCSEL(360)에 연결되는 반면에, 제2 회로부(350)의 출력리드는 VCSEL(360)의 부하를 '균형 조정'하기 위해 선택된 부하 소자(370)에 연결된다. VCSEL(360)과 부하 소자(370)는 도시된 바와 같이 접지된다.

두 개의 회로부(340, 350)는 P-채널 금속 산화물 반도체(P MOS) P2 및 P3로 이루어져 CMOS 입력 신호들 D+ 및 D-, VCSEL(360)와 부하 소자(370)를 통과하는 직류에 의해 제어된다. CMOS 입력 신호들 D+ 및 D-는 전형적으로 레일-투-레일(rail-to-rail) 전압 스윙이다.

2개의 P1 및 P2중 하나의 트랜지스터가 턴 온되어 전압을 발생시키도록 정전류원(310)부터의 전류(Ib)를 조정한다. 즉, VCSEL(360)를 통과하도록 전류를 조정하기 위해서는, 입력 신호 D-가 하이(high)로 되어 트랜지스터 P2을 턴 온하고, 이와 동시에 입력 신호 D+는 로우로 되어 트랜지스터 P3을 턴 오프하며,

이와 반대로, 부하 소자(370)를 통과하도록 전류를 조정하기 위해서는, 입력 신호 D+는 하이로 되어 트랜지스터 P3를 턴 온하고, 입력 신호 D-는 로우로 되어 트랜지스터 P2를 턴 오프한다. 이에 따라, 완전한(full) 차동 출력 전압 스윙을 얻을 수 있게 된다. 상술한 예의 PMOS 트랜지스터(340, 350)들을 채용하였지만, 다른 타입의 트랜지스터들 혹은 트랜지스터들의 상이한 조합을 이용한 다른 등가 구성이 본 발명을 벗어나지 않고서 채용될 수 있음을 이해해야 한다.

부하 소자(370)는 VCSEL(360)의 저주파수 임피던스와 거의 동일한 임피던스를 갖는다. 각 회로부(340, 350)에 나타난 임피던스가 부정합된 경우 VCSEL(360)에 전송되는 파형에 오류를 방지한다. 또한, VCSEL(360)에 깨끗한 파형을 제공하기 위해 두개의 회로부(340, 350)를 서로 정합시킨다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단파장 VCSEL에 대한 광강도-전 류/전압(LI-IV) 특성의 한 예시도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전류 구동형 광원 구동 회로(300)에 의해 초당 10기가비트 이상으로 구동될 수 있는, 양호한 실시예의 단파장(850㎚) VCSEL(360)에 대한 광 전력-전류/전압(LI-IV)특성의 예가 도시되어 있다. VCSEL(360)는 임의의 전형적인 다이오드와 유사한 곡선(302)으로 나타난 전류-대-전압(I/V) 특성을 가진다.

또한, VCSEL(360)의 광방출 특성은 광 전력-대-전류(LI) 곡선(304)으로 표시된다. VCSEL(360)는 약 1.6 볼트(1.6V) 또는 그보다 약간 높은 값에서 전류를 도통시키기 시작하며, 1.7 볼트, 즉 그 임계 전압(Vth)와 1 밀리암페어(1mA)에서 방출을 시작한다. 그러나, 4 - 8 mA의 소자 전류에서 1.8 - 2.0V의 구동 전압에 도달하여, 연속파(CW) 방출에 대한 VCSEL(360)의 최대 전력 근방인 3 - 3.5 mW에 도달하기 이전의 어떠한 인지 가능한 레벨에서도 레이저를 방출하지 않는다.

본 발명의 광원 구도 회로(300)는, VCSEL(360) 양단의 전압이 높은 데이터 레이트에서도 1.8 - 2.0V의 구동 전압에 도달하도록, 고성능에서 VCSEL(360)의 한편을 구동한다. VCSEL(360)성능은, Vth에서의 바이어싱과 함께 총 다이오드 전압 1.8 - 2.0V로 구동하는 전류 구동형 광원 구동 회로를 통해 개선된다. VCSEL(360)와 같은 포워드 바이어싱된 반도체 접합 소자는 오프이거나 역방향 바이어싱될 때 훨씬 더 빨리 전압 변화에 응답한다. 성능 차이는 턴온 타임 또는 턴온 지연이라 알려져 있다. 매우 중요한 턴온 지연은 예를 들어 1.7V 및 2mA에서 VCSEL(360)를 바이어싱함으로써 피할 수 있다. 그러면, 바이어싱된 VCSEL(360)는 훨씬 높은 스위 칭 레이트로 방출에 대해 스위칭 인 또는 스위칭 아웃된다. 따라서, VCSEL(360)는 양호하게는 전류 구동형 광원 구동 회로(300)와 같은 직렬 전송 회로에 의해 온(ON) 및 오프(OFF)로 구동된다.

앞선 언급한 바와 같이, VCSEL(360)의 방출점은, VCSEL(360)을 방출 상태로 두기에 충분히 높은 레벨에서 구동하지 못하도록, 즉, 전류 구동형 광원 구동 회로(300)의 공급 전압(Vbias)이 Vth 아래가 되도록 이루어진다. 바이어스 전압이 VCSE(360)를 방출점 또는 바로 아래에서 구동시키는 것 대신에, 전류 구동형 광원 구동 회로(300)가 VCSEL(360)이 충분히 방출되도록 충분한 추가 구동을 제공한다. VCSEL(360)는 두 회로부(340, 350)의 출력 사이에 연결되는 차동 구동 모드에서 신호 전류의 갑작스런 변화에 대응하여 낮은 전압 스윙의 장점을 갖는다.

한편, 적어도 하나 이상의 부하 소자(370)는 전류 구동형 광원 구동 회로(300)가 구동중이 아닐 때 VCSEL(360)이 턴오프되는 것을 방지한다. 양호하게는, 리액티브성 또는 저항성 또는 양자 모두일 수 있는 부하 소자(370)는 높은 Q의 리액티브 소자, 즉, 최소 저항성을 갖는 소자이다. 따라서, 부하 소자(370)는 높은 Q의 인덕터 또는 커패시터 또는 낮은 저항치의 저항일 것이다. 부하 소자(370)는, 전류 구동형 광원 구동 회로(300)가 방출에 대해 VCSEL(360)를 선택적으로 구동시키면서, VCSEL(360)를 통하는 전류를 그 방출 전류 또는 그 약간 아래에 유지시킨다. VCSEL(360)의 출력에 필적되어 VCSEL(360)의 낮은 주파수 임피던스에 근사된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전류 구동형 광원 구동 회로를 이용한 시스템 구성도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 전류 구동형 광원 구동 회로(300)는 이더넷 또는 광섬유 채널 환경에서, 전송하고자 하는 전기적 신호를 전/광 변환 및 전송하기 위하여 차동 신호가 공통적으로 사용되어 송신측 내에서 유지되며, 기존의 전기적 인터페이스를 대체하는 병렬 전송이 아닌 직렬 전송 회로로 비교적 낮은 전력에 의해 전력소모를 감소시키고, 송신측 내에서 차지하는 면적을 줄일 수 있는 효과를 갖고 있다.

상기와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 전류 구동형 광원 구동 회로가 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 다양한 실시예가 있을 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 이더넷 또는 광섬유 채널 환경에서, 추가적인 구동 회로 없이 전송하고자 하는 전기적 신호를 전/광 변환 및 전송하기 위하여 차동 신호가 공통적으로 사용되어 송신측 내에서 유지되며, 기존의 전기적 인터페이스를 대체하는 병렬 전송이 아닌 직렬 전송 회로로 비교적 낮은 전력에 의해 전력소모를 감소시키고, 송신측 내에서 차지하는 면적을 줄일 수 있는 효과를 갖고 있다.

Claims (7)

1. CMOS 광송신기 내에 광원 구동 회로에 있어서,

   바이어스 전원에 의해 조절되어 구동전류를 공급하는 정전류원과;

   상기 정전류원과 외부에서 수신된 차동 입력 신호에 따라 구동하는 제1 및 제2 회로부와;

   상기 입력된 신호를 출력 광신호로 변환하는 광원과;

   상기 광원의 부하를 균형 조정하는 부하 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 구동형 광원 구동 회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 정전류원은 P-채널 금속 산화물 반도체를 포함하여 전류원으로 동작하는 것을 특징으로 하는 전류 구동형 광원 구동 회로.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 회로부는 각각, P-채널 금속 산화물 반도체를 포함하여 차동 입력 신호에 따라 레일-투-레일 전압 스윙하는 것을 특징으로 하는 전류 구동형 광원 구동 회로.
4. 제1항에 있어서, 상기 광원은 상기 제1 회로부의 출력에 연결되는 수직 공동 표면 방출 레이저로 이루어져 차동 출력의 낮은 전압으로 스윙하는 것을 특징으로 하는 전류 구동형 광원 구동 회로.
5. 제1항에 있어서, 상기 부하 소자는 상기 제2 회로부의 출력에 연결되어 상기 광원의 저주파수 임피던스와 동일한 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 전류 구동형 광원 구동 회로.
6. 제5항에 있어서, 상기 부하 소자는 상기 광원에 전송되는 파형에 오류를 방지하기 위해 제1 회로부와 제2 회로부를 정합하는 것을 특징으로 하는 전류 구동형 광원 구동 회로.
7. 제1항에 있어서, 상기 전류 구동형 광원 구동 회로는 차동 입력 신호에 따라 구동하는 직렬 전송 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 구동형 광원 구동 회로.

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