TWI283951B - High speed optic driver including wave shaping circuit - Google Patents

Description

1283951 五、發明說明（1) 發明背景 本發明關於一種南速雷射驅動器，尤其是一種具有整 波及動態輸出控制電路之高速雷射驅動器，其分別具有一 電阻性元件用以取代傳統的定電流源，以增加操作速度， 且包含一具有動態負載源極電阻器（dynamic l〇a(Jing source resistor)的緩衝級，及一可調元件，用以控制輸 出增益藉此消除輸出電流的突波（oversh〇〇t)。 第1圖係一典型雷射驅動器結構。如第1圖所示，該結 構主要包含一整波電路11、一輸出控制電路丨2及輸出級電 路13，在應用上用此雷射驅動器驅動一雷射二級體14的調 變電流’雷射在工作時所需的偏壓電流由偏壓電流源15提 供。對於使用非零回轉（NRZ : Non-Return Zero)信號的高 速及寬頻驅動器而言，因為來自寄生電容（pararistic capacitance)及一些金屬氧化物半導體（M〇s)本身的物理 特性（physical behaviors)所導致的速度限制，使得利用 傳統金屬氧化物半導體（Μ 〇 S)的定電流源差動對結構 (constant current source differential pair structure)所構成的雷射驅動器在高速及寬頻設計上其高 速特性表現不盡理想。例如’第2圖係一由定電流源差動° 對構成的整波電路11。這些定電流源差動對（為簡化，第2 圖只顯示最後一級111的定電流源差動對CS1、Μι、M2)， 其係作為增益級及限制振幅使用，丨丨2則為輸出級用以推 動下級電路及調整輸出位準（V)。這類整波級電路可以塑 造一差動正弦信號Sdp、Sdn成為一差動方波信號swu、Swl

1283951 五、發明說明（2) 或轉換一單側信號成為一差動信號（未顯示）。然而，這類 結構受金屬氧化物半導體（MOS)操作特性的影響，當外部 電流I ext流入汲極時，因汲極!）及基極β接面間的電位差 (Vd-Vb),形成如第3圖所示的寄生電容Cp。上述寄生電容 CP會使得第2圖中的各電流源CS1、CS2及CS3變成非理相電 流源，致使差動對Ml及M2的操作速度受到限制。高速^動 操作時，於理想狀態下，N型金屬氧化物半導 及M2的總電流應等於定電流源⑶，然而，因==1 第 3圖）所導致的非理想定電流源特徵，會使得電路在高 引起信號失真。例如，使用〇·35微米（以約互補型金、 屬氧化物半導體（CM0S)製程來整波1. 25G的時脈信號 (j^se)時，就會產生如第4圖所示，各整波電路的 唬Swu由波形V1變成V2的失真情形。進一步，若將 */ =整波信號SWU、Swl (第1圖）輸入至如第5圖所示之— 出控制電路12中，由於該輸出控制電路。也是 二 :物半導體_51，3來建構(iropl_ntat = 屬氧化物半導體⑽S、)操作特性的影響，使 型金屬氧化物半導體(_S)元件M3變 s…第1圖)無法iZCrr:13的輸出信號 真波形。 ^万波振+田，產生如第4圖所示之失 有鑑於此，本發明之—g % 之高速雷射驅動器，其能夠以古诖$供一種具有整波電路 波及動態控制。“ ^以-逮執行-雷射驅動器之整 第5頁 〇356-7417TWF(N);11900046;SUE.ptd 1283951

本發明提供一種具有整波電路之高速雷射驅動器，以 在高速下整波及動態控制一雷射的驅動。本發明具有整波 電路之南速雷射驅動器包括一整波電路（wave shaping c i rcu i t )，其具有一電阻性元件用以取代傳統的定電流 源’可增加操作速度，且包含一具有動態負載源極電阻器 (dynamic loading source resistor)的緩衝級。本發明 具有整波電路之高速雷射驅動器進一步包括一動態輸出控 制電路（dynamic control circuit)。上述動態輸出控制 電路具有一可調元件（tunable device)，可控制輸出增益 及雷射驅動器之輸出電流以消除突波（〇versh〇〇t)。 較佳實施例之詳細說明 第6圖係一本發明高速雷射驅動器電路圖。在第6圖 中’本雷射驅動器包含以一整波電路6 1、一動態控制電路 631、一輸出級電路632及一位移電路633。如第6圖所示， 只顯示一級整波電路6丨是為了說明方便，然而，實務上， 大多須有多級整波電路串接（未顯示）才能使整波電路之輸 出信號達到所需的信號幅度，以產生驅動能力。各電路現 分別說明於下，其中，該整波電路61放大圖顯示於第7圖 ^ ’該動態控制電路631及該輸出級電路632放大圖顯示於 第8圖中’該位移電路6 3 3之一實施例顯示於第9圖中。 如第7圖所示，該整波電路61包括一塑形級（shaping stag〇及一緩衝級（buffering stage)。該塑形級是由3個 電阻器R61-R63及一對N型金屬氧化物半導體差動對、

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M62所構成，而該緩衝級是由二對N型金屬氧化物半導體差 動對M63-M66所構成。電阻器R63上的總電流係取決於差動 對M61、M62。當輸入差動對M61、M62的信號幅度（swing) ^小時，差動對M61、M62皆處在導通（on)狀態以放大輸入 信號幅度，反之，當輸入差動對心1、m62的信號幅度太大 時’差動對M61、M62則一為導通（on)而另一為關閉（0ff) 狀態以降低信號幅度。當高速操作時，由於此塑型級並無 用到定電流源，所以可以避免因定電流源的非理想特性所 造成的波形失真。另外，使用上述緩衝級連接在該塑形級 後’作為輸出緩衝器（buffer)，以配合上述塑形級在串接 使用時在輸入端的位準需求，且其可高速操作並可避免失 真。其中，差動對M65、M66係當作動態負載源極電阻器 (dynamic loading source resistor)使用，其藉由作用 於飽和區（saturation region)或作用於三極區（triode region)之選擇，以決定流入M63或M64之電流值，由公式 可知：輸出級位準（V )=電流（I ) X電阻（r )，所以此輸出級 的位準可藉由同時調整電流（丨）及電阻（R)來達成。當期待 一低電壓位準時，將元件㈣5 4M66調整至三極區中作用以 知到一較低電阻（r e s i s t a n c e)。反之，當期待一高.電壓位 準時’將元件M65或M66調整至飽和區中作用以得到一較高 電阻。如此，經由上述電流的同步調整，使該緩衝級相較 於習知，可具有較快的操作速度及較強的驅動能力 (performance)。實作上，有可能輸入信號相當小，必須 將複數個整波電路串接，才能使一輸入之弦波信號（s i n e

0356-7417TW(N);11900046;SUE.ptd 第7頁 1283951. 五、發明說明（5) wave signal)轉變成一方波信號（square wave 輸 出（如第1圖所示之信號Swu、Swl)。又，元件M65或M66可 使用可變電阻器來取代。 如第8圖所示，該動態控制電路63 1、該輸出級電路 6>32及該位移電路63 3構成一具輸出調整電路之輸出級63。 该動態控制電路由三個電阻器64-6 6及三個N型金屬氧化物 半導體M67-M69所構成，而該輸出級電路632由三個N型金 屬氧化物半導體M611-M613所構成，一電阻器以7，一雷射 一極體1 4為外接的應用電路。在動態控制電路6 3 1中，元 件M69係當作一可調變電阻器使用且作用於三極區（tri〇de region)中，又，在輸出級電路632中，元件心13係受該控 制電壓Vset調控且作用於飽和區（saturati〇n regi〇n)以 作為輸出電流lout之驅動源。如此，因作用區域之差異， 使％元件Μ 6 9之閘極電壓係高於元件μ 61 3之閘極電壓。當 元件Μ613具有一較大電流時，元件Μ613的閘極輸入電壓 Vset須較高。而且，元件Μ69之閘極電壓須高至足以使電 阻器R1及R2產生較大輸出電壓振幅（swing)，以經輸出端 01及02傳送至輸出級632，而確保元件M6114M612完全關 閉，且防止突波發生（oversh〇〇t issues)。當元件M613具 有 較小電k時’元件Μ 6 1 3的閘極輸入電壓V s e t須較低。 而且’元件M69之閘極電壓須低至足以使電阻器及”產 生較小輸出電壓振幅（swing)，以經輸出端〇丨及〇2傳送至 輸出級632，而確保元件M6 11或M612完全關閉，且防止突 波發生（overshoot issues)。該位移電路633可以是能與

〇356-7417TWF(N);11900046;SUE.ptd 第8頁 1283951 五、發明說明（6) =述=態控制電路631及輸出級電路632配合的任何位移電 俗。$以一實施例說明於下。 如第g圖所示，利用二p型金屬氧化物半導體、 N型金屬氧化物半導體M616及一電阻器R68來構成 =移電路633。當元件M613具有一較大電流日夺，元件成 入雪問極輸入電壓Vset須較高’使得元件M616的閘極輸 ' set也較高。如此，落在電阻器R68上的壓降也較 因而經輸出端A輸出至元件M69之閘極電壓可高至足以 電P器R1及R2產生較大輸出電壓振幅（swing)，以經輸 ，端〇1及02傳送至輸出級632，進而確保元件M61^tM6i2 元王關閉並防止犬波發生（overshoot issues)。當元件 M613具有一較小電流時，元件M613的閘極輸入電壓“以須 ，低，使得元件M616的閘極輸入電壓Vset也較低。如此， 洛在電阻器R68上的壓降也較小，因而經輸出端八輸出至元 件M69之閘極電壓可低至足以使電阻器R1及“產生較小輸 出電壓振幅（swing)，以經輸出端〇1及〇2傳送至輸出級 6 32，而確保元件M611或M612完全關閉，藉此阻止突波發 生（overshoot issues) 〇 將第6圖之本發明電路與第！圖之習知技術之比較示於 第10圖，其中實線（s〇l 1(1 1 ine)代表本發明，輸出時，輸 入電壓仍是維持方波（末端平坦部分）且其上未見突波，但 代表習知技術之虛線（dotted 1 ine)部分則明顯地變成正 弦波形式。據此，本發明確可同時解決突波（〇versh〇〇t issues)及速度限制兩問題。也就是，當在差動對（μη、

0356-7417TWF(N);11900046;SUE.ptd 第9頁 1283951 五 發明說明（7) 或M67、M68)間作輪 知的非理想定電流源， :電阻器來取代習 理想定電流的特徵影響。另拎:二、，不再受習知非 ::電阻功能的元#，例如，丄；路配合—具 物半導體（_，來調節輸出至輸出級的/厂或一金屬氧化 不影響操作速度下解決突波問題電壓，如此，在 雖然本發明已以較佳實施例揭 限定本發明，任何熟習此項技藝上，、然其並非用以 神和範圍β ’當可作更動與潤；，因此：：離本發明之精 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。明之保護範圍 第10頁 0356- 7417TW(N); 11900046; SUE. ptd 1283951 圖式簡單說明 第1圖係一典型雷射驅動器結構圖； 第2圖係一根據第1圖之典型整波電路圖； 第3圖係一非理想定電流源特徵圖； 第4圖係一整波輸出訊號比較圖 第5圖係根據第1圖之典型輸出控制電路圖； 第6圖係一本發明高速雷射驅動器電路圖； 第7圖係—第6圖中之整波電路放大圖；

第8圖係-第6圖中之動態控制電路及輸出級電路放大 [符號說明] 1 4〜雷射二極體、 11、6 1〜整波電路、 I 2〜輸出控制電路、 13、632〜輪出級電路、 15〜偏壓電流源、 631〜輸出調整電路、 6 3 3〜位移電路、 111〜塑形級、 II 2〜整波輸出級、 63〜具輸出調整電路之輪出級 R51-R53 、 R61-R68〜電阻器、

1283951 圖式簡單說明 M5 卜 M56、M6 卜 M69、M6H-M613、M616 〜N 型金屬氧化 物半導體、 M614、M615〜P型金屬氧化物半導體。 111·Ι 0356-7417TWF(N);11900046;SUE.ptd 第12頁

Claims (1)

1283951 六、申請專利範圍 I 種具有整波電路之咼速雷射驅動器，上述整波電 路匕括一塑形級（shaping stage)及一緩衝級 = = ’該塑形級包括一整波差動對，其整波差動對具有 一二通源極（comm〇n source)及一電阻器，其電阻器串接 ϊ Ϊ ί Ϊ源極，以設定該整波差動對之輸出電壓振幅，該 Ϊ^ 隨輕差動對，各具一閑極以接收來自該整波 ίΪΐί出電壓，及一可變電阻差動對，具有-與該隨 耦動對之閘極交錯耦合（cross-coupled)之閘極對，以 利用不同作用區（active regi〇n)來調整其電阻值，進而 控制該緩衝級之輸出電壓。 2·如申請專利範圍第1項之具有整波電路之高速雷射 驅動器，其中，上述不同作用區包括一能將該可變電阻差 動對之電阻值調高之飽和區（saturation region)及一能 將該可變電阻差動對之電阻值調低之三極區（tri〇de region)。 t如申請專利範圍第1項之具有整波電路之高速雷射 驅動器，其中，上述整波差動對及隨耦差動對皆是一對金 屬氧化物半導體（M0S)。 e ^如申請專利範圍第1項之具有整波電路之高速雷射 驅動器，其中，上述可變電阻差動對是一對金屬氧化物 導體（M0S)。 5·如申請專利範圍第丨項之具有整波電路之高速雷射 驅動器，其中，上述可變電阻差動對是一對可變電阻器。 6 · —種具有整波電路之高速雷射驅動器，包括··

第13頁 1283951 六、申請專利範圍 極之：第一整波元#，包括一具有一源極、-閘極及-汲 Φ八ί 型金屬氧化物半導體（NM0S)及一串接於該第一N 外二：化物半導體汲極之第一電阻器，#中上述閘極自 卜口，收一帛—輸入電壓，上述第_€阻器之自 至一外部操作電壓； 第二整波元件，包括一具有 源極 閘極及一汲 刑I ί 型金屬氧化物半導體（NM0S)及一串接於該第二h 氧化物半導體汲極之第二電阻器，其中，上述閘極 夕邛接收一第二輸入電壓且上述第二電阻器之自由端 ree end)連接至上述外部操作電壓； αα 第輸出振幅設定（output swing-setting)電阻 器，耦接於地面及該第一及第二整波元件之源極之間； :隨耦差動對，包括一具有一源極、一閘極及一汲極 之 一 N型金屬氧化物半導體（nm〇s)及一具有一源極、一 閘極及一汲择之第四N型金屬氧化物半導體（NM〇s)，其 中，上述第二及第四N型金屬氧化物半導體（NM〇s)之汲極 同時連接至上述外部操作電壓，其閘極分別連接至上述第 一及第二整波元件中電阻器與N型金屬氧化物半導體 (NM0S)之串接點； 、一可變電阻差動對，包括一具有一源極、一閘極及一 汲極之第五N型金屬氧化物半導體（NM〇s)及一具有一源 極、一閘極及一汲極之第六N型金屬氧化物半導體 (NM0S)，其中，上述第五及第六N型金屬氧化物半導體 (NM0S)之源極同時接地，上述第五N型金屬氧化物半導體

1283951 六、申請專利範圍 (NMOS)之汲極串接至上述第型金 (NMOS)之源極且其閘極連接$/虱化物丰導體 導體(NMOS)之閘極，及上述第w + _之没極串接至上述第_型金屬氧二匕=:體 (NMOS)之源極且其閘極連接至上述第三Ν $ 導體（NMOS)之閘極； 金屬乳化物+ -動態控制電4，包括—第—動態控制元件、一第二 動態控制元件、一第-給ψ if 45 < 6兩 弟一輸出振幅故疋電阻器及一動態調整 π件（element)，上述第一動態控制元件包括一具有一源 ，二:閘極及一汲極之第型金屬氧化物半導體（nm〇s) 一八一端串接於該第七金屬氧化物半導體汲極而另 一端連接至該外部操作電壓之第三電阻器，上述第二動態 控制70件包括一具有一源極、一閘極及一汲極之第八N型 金屬氧化物半導體（NM〇s)及一其一端串接於該第八n型金 屬氧化物半導體汲極而另一端連接至該外部操作電壓之第 四電阻器，上述第二輸出振幅設定（current — setting)電 阻器’並聯於上述動態調整元件（e lement )且耦接於地面 及上述第一及第二動態控制元件之源極之間，其中，上述 第七及第八N型金屬氧化物半導體（NM〇s)之閘極分別連接 至上述第四及第六N型金屬氧化物半導體（NM〇s)之串接點 與第三及第五N型金屬氧化物半導體（NM0S)之串接點，及 上述動態調整元件（element)之源極係為接地； 一輸出級電路，包括一輸出差動對及一輸出電流控制 元件’上述輸出差動對包括一具有一源極、一閘極及一汲

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六、申請專利範圍 ! 2九N型金屬氧化物半導體⑽〇s)及一具有一源極、 述K1:波極之第十N型金屬氧化物半導體(麵），上 =電，控制元件包括一具有一源極、一問極及一没極 外部操作電壓且其閘極= 過：Ϊ =連接至該 級型金屬氧化物半導體⑽〇s)之汲極透過一雷射二 控^ ί至該外部操作電壓且其閘極連接至上述第二動態 :件，上这第十一Ν型金屬氧化物半導體（NM〇s)之汲 =接至上述第九及第十N型金屬氧化物半導體（NM〇s)之 ’、·、其閘極連接至一外部控制電壓及其源極接地； 一閘極 具有一 第^位/超㈣’包括一具有一源極、一間極及一汲極之 第一P型金屬氧化物半導體（PM0S)、一有一源極 =一汲極之第二p型金屬氧化物半導體（PM0S)、 (=二閘極及一汲極之第十型金屬氧化物半導體 一位移電阻器’其中，上述第一及第二P型金屬 半導體（PM0S)之源極連接至該外部操作電壓且其相 之閘極連接至第二P型金屬氧化物半導體（pM〇幻之汲 "上述第十二N型金屬氧化物半導體（NMOS)串接於地面 枚ΐ述第一p型金屬氧化物半導體（PM〇s)汲極之間且其閘 ::十、ί至一外部控制電壓，上述位移電阻器串接於地面及 / ^ Ρ型金屬氧化物半導體（pM〇s)汲極之間差動對以 形成一輸出節點連接至上述動態調整元件。 7·如申請專利範圍第6項之具有整波電路之高速雷射

0356-7417TWF(N)；H9〇〇〇46;SUE.ptd 第16頁 1283951

驅動器 性相反 ’、中上述第一及第二輸入電壓之幅度相同但極 驅動号 化物半 9· 驅動器 器。 如申請專利範圍第6項之具有整波電路之高速雷射 ’、中上述動態調整元件（element)是一金屬氧 導體（NMOS)。 士申明專利範圍第6項之具有整波電路之高速雷射 其中’上述可變電阻差動對等效於一對可變電阻 驅動如申請專利範圍第6項之具有整波電路之高速雷射 阻。"其中，上述動態調整元件（element)是一可變電 1、1 · 一種具有整波電路之高速雷射驅動器，包括： 複數個串接（cascading广整波電路，上述複數個串接 波電路具有一金屬氧化物半導體差動輸入對及一金屬氧 化物半導體差動輸出對，用以將自上述金屬氧化物半導體 ，動輸入對輸入之正弦信號轉變成方波信號並自上述金屬 氧化物半導體差動輸出對輸出； 一動態控制電路，包括一金屬氧化物半導體差動輸入 對、一動態調整元件及一金屬氧化物半導體差動輸出對， 用以自上述金屬氧化物半導體差動輸入對接收上述方波信 號後’使用上述動態調整元件來調整所接收之方波信號幅 度’並將已調整幅度之方波信號自上述金屬氧化物半導體 差動輸出對輸出； 一輸出級電路，包括一金屬氧化物半導體差動輸入

0356-7417TWF(N);11900046;SUE.ptd 第17頁 1283951 六 申請專利範圍 對、及一第一閘控型元件，用以 ^ ' 差動輸入對接收上述已調整幅度 ，金屬氧化物半導體 -閘控型元件之閘極輸入一外ς控制電j號’纟自上述第 應用電路之雷射二極體之電流大小，、ιu控制流經外接 發光輸出所接收之方波信號；及 Λ使上述雷射二極體 β -位移電路，包括一第二閘控型元件 ，用以自上述第二閘控型元件輸入一調整電阻 控制上述調整電阻器上之壓降，’L外部控制電壓以 之輸入。 巧^上述動態調整元件 12·如申請專利範圍第n項之且 射驅動器，其中，上述動離調整件/電路之高速雷 電阻。 砍動L調整70件（element)是一可變 射驅1 動%如申Λ專利範圍第11項之具有整波電路之高速雷 =駆動②其中’上述動態調整元件是—金屬氧化物半導