DE3113039A1

DE3113039A1 - Operating-regulation circuit having a current regulator for radiating diodes

Info

Publication number: DE3113039A1
Application number: DE19813113039
Authority: DE
Inventors: Martin 4788 Warstein Freuling
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-04-01
Filing date: 1981-04-01
Publication date: 1982-10-21

Abstract

In the case of an operation-regulating circuit having a current regulator for producing a control current which controls the radiation power of a radiating diode in accordance with signals, it is intended to ensure the regulation even when the radiation intensity is not yet sufficient, or is no longer sufficient, to operate a photodiode, which is the case, for example, in the case of a laser radiating diode in the luminescent-radiation band. The invention achieves this object in that, before the action of a power control loop, there is additionally a control loop which is operated by a constant current and acts in each case when, and only when, the current is still below the operating point required for the power control loop to operate, or falls below this operating point in the course of regulation, and which control loop is connected to the power control loop via a cut-out diode.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betriebsregelschaltung mitThe invention relates to an operation control circuit with

einem Stromregler zur Erzeugung eines Steuerstromes, der die Strahlungsleistung einer Strahlungsdiode nach Signalen steuert und dessen zeitlicher Mittelwert größer als der Schwellstrom der Strahlungsdiode ist, bestehend aus einem Konstantstromregler, einem den Steuerstrom der Strahlungsdiode liefernden Leistungstreiber und einem optisch gekoppelten Leistungsregler, der ein Rückkopplungssignal für eine Regelschleife liefert.a current regulator for generating a control current that controls the radiant power a radiation diode controls according to signals and its mean value over time is larger than the threshold current of the radiation diode, consisting of a constant current regulator, a power driver supplying the control current of the radiation diode and a optically coupled power controller that provides a feedback signal for a control loop supplies.

Derartige Regelschaltungen zur Aussteuerung einer Laserstrahlungsdiode mit Steuerstrom 1F auf Abgabe einer konstanten Strahlungsleistung PO sind bekannt durch 'tRCA-Application No. 9 ZLM-5859", Seite 11, Herausgeber Radio Corp. of America. Es wird damit bezweckt, einem Abfallen der temperaturabhängigen Kennlinie PO (IF) infolge der mit zunehmender Aussteuerung der Laserstrahlungsdiode wachsenden Leistungsverluste entgegenzuwirken.Such control circuits for controlling a laser radiation diode with control current 1F to output a constant radiant power PO are known through 'tRCA-Application No. 9 ZLM-5859 ", page 11, published by Radio Corp. of America. The purpose of this is to prevent a drop in the temperature-dependent characteristic curve PO (IF) as a result of the increasing power losses with increasing modulation of the laser radiation diode to counteract.

Erreicht wird dies einmal dadurch, daß der Steuerstrom 1F in Abhängigkeit von der Strahlungsleistung geregelt wird, wobei mit dem Aufwand von nur einer Gleichstrom-Regelschleife eine sogenannte Continuous-wave-Strahlung, das ist eine nichtmodulierte Strahlung, erzeugt wird. Zum andern wird eine Konstantregelung der Strahlungsleistung in der Weise durchgeführt, daß ein sogenannter Bias-Steuerstrom geregelt wird, das heißt, es wird die Laserstrahlungsdiode mit einem Gleich-Vorstrom etwa bei der halben maximal zulässigen Grenzstrahlleistung (1/2 Po max ausgesteuert, wobei der Arbeitspunkt auf der Kennlinie Po(IF) entsprechend etwa in der Mitte des Aussteuerbereichs der Strahlungsleistung eingestellt ist.This is achieved once by the fact that the control current 1F as a function is regulated by the radiated power, with the expense of just one DC control loop a so-called continuous wave radiation, that is a non-modulated radiation, is produced. On the other hand, a constant control of the radiation power in the Way carried out that a so-called bias control current is regulated, that is, the laser radiation diode with a direct bias current is about half the maximum permissible limit radiated power (1/2 Po max controlled, whereby the operating point on the characteristic curve Po (IF) approximately in the middle of the modulation range of the Radiant power is set.

Hier wird der Strahlungsdioden-Steuerstrom aus einem Wechselspannungs-Steuersignal mit einem rechteckförmigen Strom erzeugt, der einem Grundgleichstrom überlagert wird. Dem Regler wird das Wechselspannungs-Steuersignal durch kapazitive Kopplung eingegeben, und es ist daher nulliniensymmetrisch zuzuführen. Dadurch ist die ubertragung einer großen Frequenzbandbreite bei der Umsetzung der Steuersignale in Strahlungsleistungsimpulse, insbesondere tiefer Frequenzen einschließlich Frequenz Null, erheblich beschnitten.Here the radiation diode control current is derived from an AC voltage control signal generated with a rectangular current that is superimposed on a basic direct current will. To the Regulator is the AC voltage control signal by capacitive Coupling entered, and it must therefore be fed in with zero line symmetry. This is the transmission of a large frequency bandwidth when converting the control signals in radiation power pulses, especially low frequencies including frequency Zero, considerably trimmed.

Der Erfindung liegt die folgende Aufgabe zugrunde: Auch unterhalb der für die optische Abstrahlung erforderlichen Stromschwelle IFS - das heißt im Bereich der Lumineszenzstrahlung der Laserdiode, bei der die Strahlungsintensität nicht mehr zum Betrieb der Photodiode ausreicht - soll auch bei kurzen Impulsen ( s 0,5 ms) die Stabilität des Systems gewährleistet sein.The invention is based on the following object: Also below the current threshold IFS required for optical radiation - that is, im Area of the luminescence radiation of the laser diode at which the radiation intensity is no longer sufficient to operate the photodiode - should also be used with short pulses (s 0.5 ms) the stability of the system can be guaranteed.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich mit einem Stromregler und unter Verwendung eines ablösenden Leistungsreglers, die die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale aufweisen.The solution to the problem arises with a current regulator and under Use of a replacing power regulator, which is characterized in claim 1 Have characteristics.

Durch die ablösende Regelschaltung wird erreicht, daß ständig eine der beiden Regelschleifen im Eingriff ist. Die Stromregelschleife ist bei Vorwärts strömen von Null ab im Ein-.The alternating control circuit ensures that a constant of the two control loops is engaged. The current control loop is forwards flow in from zero.

griff.handle.

Eine Regelung, die aus nur einer Leistungsregelschleife besteht, ist für die geforderten Pulsfrequenzen bis in den MEz-Bereich wegen des nichtlinearen Zusammenhangs von Strahlungsleistung und Vorwärtsstrom der Laserdiode nicht stabil, weil unterhalb des Schwellstromes IFS der Laserdiode (Fig. 2, Diagramm b) die Regelschaltung kein Rückkopplungssignal von der in der Laserdiode integrierten Photodiode erhält.A control that consists of only one power control loop is for the required pulse frequencies up to the CET range because of the non-linear The relationship between the radiation power and the forward current of the laser diode is not stable, because below the threshold current IFS of the laser diode (Fig. 2, diagram b), the control circuit does not receive any feedback signal from the photodiode integrated in the laser diode.

Weitere Ausbildungen der Erfindung betreffen ferner eine Einrichtung mit Uberwachungs- und Schutzfunktion für die Betriebsregelschaltung, mit welcher die abgegebene Strahlungsleistung der Laserdiode überwacht wird und beim Erreichen einer als höchst zulässig festzulegenden Leistung ein Schutzsignal oder Warnsignal oder dgl. abgegeben wird.Further developments of the invention also relate to a device with Monitoring and protection function for the operating control circuit with which the emitted radiant power of the laser diode is monitored and when a a protective signal or warning signal or Like. Is released.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, daß durch die ablösende Regelschleife auch bei Vorwärtsströmen von Null die geschlossene Stromregelschleife existiert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird gesehen in der Wirkung der Begrenzung der Strahlungsleistung durch die Anwendung einer ablösenden Leistungsregelung, da Begrenzung bei jedem einzelnen Leistungspuls, und sei dieser auch kürzer als 500 nsec, wenn ein entsprechend breites Frequenzband übertragen wird, zur Wirkung kommt. Dadurch können die Steuersignale mit einem beliebigen Tastverhältnis übertragen und in Strahlungsleistungsimpulse umgesetzt werden, und dadurch auch wird die Strahlungsleistung temperaturunabhängig und stabil gesteuert.The main advantage of the invention is seen in the fact that by the replacing control loop also with forward currents from zero the closed current control loop exists. Another advantage of the invention is seen in the effect of the limitation the radiated power through the application of a power control that replaces it, since Limitation for each individual power pulse, even if this is shorter than 500 nsec, if a correspondingly broad frequency band is transmitted, comes into effect. This allows the control signals to be transmitted with any duty cycle and are converted into radiation power impulses, and thereby the radiation power temperature-independent and stably controlled.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und nachstehend beschrieben. Es zeigt Figur 1 als Schaltbild die Betriebsregelschaltung gemäß der Erfindung; Figur 2 drei Zeitdiagramme zur Darstellung der Wirkungsweise der Betriebsregelschaltung nach Fig. 1.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing and described below. FIG. 1 shows the operating control circuit as a circuit diagram according to the invention; FIG. 2 three time diagrams to illustrate the mode of operation the operating control circuit according to FIG. 1.

Eine Betriebsregelschaltung nach Fig. 1 enthält einen Stromregler 1, eine Laserstrahlungsdiode LD und einen ablösenden Leistungsregler 2 bekannter Art. Einem Eingang El des Stromreglers sind digitale Gleichspannungssignale, digitale Steuersignale USt, dargestellt, die im Diagramm a) der Fig. 2, die in Bezug auf die Spannungsnullinie 0 unsymmetrisch sind, zugeführt. Mittels des Stromreglers 1 werden Gleichstromimpulse, die den Steuerstrom IFs dargestellt im Diagramm b) der Fig. 2, für die Laserstrahlungsdiode LD bilden, übertragungsgetreu nach den Steuersignalen U5t erzeugt. Der Steuerstrom 1F fließt im Ausgangsstromkreis des Stromreglers in einer Transistorstufe, in welcher der betreffende Transistor mit der Diode LD und einem Stromshunt 15 in Reihe liegen. In der Laserstrahlungsdiode wird der Steuerstrom 1F in Strahlungsleistung P umgesetzt, die gleichzeitig mit den Gleichstromimpulsen des Steuerstromes abgegeben werden, wobei die Leistungsimpulshöhe der Impulshöhe des Steuerstromes proportional ist, sofern letztere größer ist als der im Diagramm b) gezeigte Schwellstromwert IFS.An operation control circuit according to FIG. 1 contains a current regulator 1, a laser radiation diode LD and a replacing power regulator 2 are known Art. An input El of the current regulator are digital DC voltage signals, digital Control signals USt, shown in diagram a) of Fig. 2, the are asymmetrical with respect to the voltage zero line 0, supplied. Using the Current regulator 1 are direct current pulses that represent the control current IFs in Diagram b) of FIG. 2, for which the laser radiation diode LD forms, true to transmission generated according to the control signals U5t. The control current 1F flows in the output circuit of the current regulator in a transistor stage in which the relevant transistor with the diode LD and a current shunt 15 are in series. In the laser radiation diode the control current 1F is converted into radiant power P, which is simultaneously with the direct current pulses of the control current are emitted, the power pulse height the pulse height of the control current is proportional, provided that the latter is greater than the threshold current value IFS shown in diagram b).

Der Stromregler 1 enthält zwei Transistorstufen 13, 14 in Darlingtonschaltungmit den Transistoren U13 und T14. Dieser Teil des Stromreglers wirkt wie ein Spannungs-Strom-Wandler und zugleich den Steuerstrom erzeugender Verstärker. Angesteuert wird die Basis des Transistors T13 mit Spannungssignalen. Der Darlingtonschaltung ist ein Differenzverstärker 10 mit zwei Transistoren T11, T12, deren Basis die zwei Eingänge El, E2 bilden, vorgeordnet. Die Emitter der Transistoren sind miteinander und über eine gemeinsame Konstantstromstufe K der mit diesen Transistoren gebildeten Stufen 11 und 12 an eine gesonderte negative Betriebsgleichspannung angeschlossen. Durch die Stufe E wird die Summe der Gleichströme in den Transistorstufen 11, 12 konstant gehalten. Der Differenzverstärker bewirkt einen Soll-Ist-Vergleich der Pulshöhen der Steuersignale U5t, die dem Eingang El zugeführt werden, mit der Impulshöhe von dem Steuerstrom proportionalen Spannungssignalen, die über dem Stromshunt 15 bestehen und über einen Widerstand 17 dem zweiten Eingang E2 von 10 zugeführt sind. Mit der Basis des Transistors T13 ist der Kollektor des Transistors 12 (Ausgang A des Differenzverstärkers) galvanisch verbunden, wodurch der Differenzverstärker gleichstromgekoppelt vorgeordnet ist.The current regulator 1 contains two transistor stages 13, 14 in a Darlington circuit the transistors U13 and T14. This part of the current regulator acts like a voltage-current converter and at the same time the control current generating amplifier. The base is controlled of the transistor T13 with voltage signals. The Darlington circuit is a differential amplifier 10 with two transistors T11, T12, the base of which are the two inputs El, E2, upstream. The emitters of the transistors are with each other and across a common Constant current stage K of stages 11 and 12 formed with these transistors a separate negative DC operating voltage is connected. Through the level E the sum of the direct currents in the transistor stages 11, 12 is kept constant. The differential amplifier effects a target / actual comparison of the pulse heights of the control signals U5t, which are fed to the input El, with the pulse height of the control current proportional voltage signals that exist across the current shunt 15 and a Resistor 17 are fed to the second input E2 of FIG. With the base of the transistor T13 is the collector of transistor 12 (output A of the differential amplifier) galvanically connected, whereby the differential amplifier is connected upstream with direct current is.

Der ablösende Leistungsregler 2 besteht aus einem gleichstromgekoppelten Videoverstärker 20 mit einem ersten el und einem zweiten Eingang e2 und einem Ausgang a, der über eine Ablösediode 21 mit der Basis des Transistors T13, dem Eingang der Darlingtonschaltung, verbunden ist und zugleich mit dem Ausgang A des Differenzverstärkers 10. Dem Eingang e1 wird eine der Strahlungsleistung Po proportionale Gleichspannung (Meßspannung Um) zugeführt, die an einem Widerstand 23 durch einen Photomeßstrom Im einer Photodiode 22 gebildet wird, die die von der Diode LD abgegebene Strahlungsleistung empfängt.The replacing power regulator 2 consists of a DC-coupled Video amplifier 20 with a first e1 and a second input e2 and an output a, which is connected to the base of transistor T13, the input of the Darlington circuit, is connected and at the same time with the output A of the differential amplifier 10. A direct voltage proportional to the radiated power Po is applied to the input e1 (Measurement voltage Um) supplied to a resistor 23 by a photomeasurement current In a photodiode 22 is formed, which the radiated power emitted by the diode LD receives.

Dem Eingang e2 wird eine veränderbare Gleichspannung (Referenzspannung Uref) die durch den Kondensator 25 entkoppelt ist, zugeführt, die von einem Stellpotentiometer 24, angeschlossen an einer gesonderten stabilisierten Betriebsspannung, abgenommen ist. Mit der Spannung Uref wird ein gewünschter oberer Grenzwert P0,, der Strahlungsleistung fest vorgegeben, bei der die Betriebsleistung durch den ablösenden Leistungsregler 2 begrenzt wird.A variable direct voltage (reference voltage Uref), which is decoupled by the capacitor 25, is supplied by an adjusting potentiometer 24, connected to a separate stabilized operating voltage, removed is. With the voltage Uref, a desired upper limit value P0 ,, of the radiant power becomes firmly specified, at which the operating power is controlled by the power controller that replaces it 2 is limited.

Die begrenzende Wirkung des Reglers tritt immer dann ein, wenn die Meßspannung Um der Höhe nach die Referenzspannung erreicht, so daß der Ausgang a ein Potential annimmt, bei dem die Diode 21 stromleitend wird und vom Ausgang A des Differenzverstärkers 10 ein Strom abgeleitet wird. An der Basis des Transistors T13 wird dadurch das von den Steuersignalen USt übertragene Steuerpotential verringert und über den Steuerstrom IF auch die Strahlungsleistung Po verringert.The limiting effect of the controller always occurs when the Measurement voltage To reach the reference voltage, so that the output a assumes a potential at which the diode 21 is conductive and from the output A. of the differential amplifier 10, a current is derived. At the base of the transistor T13, the control potential transmitted by the control signals USt is reduced as a result and the radiation power Po is also reduced via the control current IF.

Bei diesem Begrenzungsvorgang besteht ein den Steuerstrom erzeugender Teil des Stromreglers gegenwirkend einziehender Regelkreis des Leistungsreglers.In this limiting process there is a control current generating Part of the current regulator, counteracting pulling-in control circuit of the power regulator.

Eine Leistungsregelschleife allein, bei der lediglich die abgestrahlte Leistung in Abhängigkeit von der Steuerspannung Ust geregelt würde, wäre nicht stabil, weil unterhalb IFS keine Rückmeldung gegeben wäre. Erst durch eine Stromregelung mit-ablösender Leistungsregelung sind auch Strahlungsleistungsimpulse mit kurzer Anstiegs- und Abfall zeit stabil steuerbar.A power control loop alone, in which only the emitted Power would be regulated as a function of the control voltage Ust would not be stable, because there would be no feedback below IFS. Only through a current control co-alternating power control are also radiation power pulses with short Rise and fall can be controlled in a stable manner over time.

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Claims

"Operating control circuit with a current regulator for radiation diodes Claims W operation control circuit with a current regulator for generating a Control current that controls the radiation power of a radiation diode according to signals and its mean value over time is greater than the threshold current of the radiation diode is, consisting of a constant current regulator, a control current of the radiation diode delivering power driver and an optically coupled power regulator, the one Provides a feedback signal for a control loop, characterized in that before the intervention of a power control loop (2), an additional one through a constant current operated control loop (1) for forward currents in the range from zero upwards is, which is then and only engaged when the current is still below the for the function of the power control loop (2) is the required operating point or drops below this operating point in the course of the regulation, and that with the listing rule loop (2) is connected via a separation diode.

2. Operation control circuit according to claim 1, characterized in that that in the output circuit of the power driver (13, 14) with the emitter the second transistor stage (14) connected to the current shunt (15) is arranged downstream the voltage signals proportional to the control current (IF) as the actual value of the control current can be tapped and used as a feedback variable for constant current control will.

3. Operation control circuit according to claim 1 or 2, characterized in that that the power driver consists of transistor stages (13, 14) in a Darlington circuit.

4. Operation control circuit according to claim 1 to 3, characterized in that that the optically coupled power regulator consists of the radiation of a laser radiation diode into photocurrent converting photodiode and from a direct current coupled video amplifier exists, which is used to represent a measurement voltage proportional to the radiation power serves.

5. Operation control circuit according to claim 1 to 4, characterized in that that by a functional unit with monitoring and protection function with which the emitted radiation power (p0) of the laser radiation diode is monitored and at Achieving a maximum permissible power (p0 times a signal is generated.