ic-hk 155MHz-LASERSCHALTER

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1 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite / APPLIKATIONSHINWEISE Einstellung des Laserstroms Sollen DC-Ströme bis 0 ma oder Pulsströme bis etwa 00 ma geschaltet werden, so reicht die Verwendung eines Kanals (Beispiel ). Der Eingang ENx des nicht benötigten Kanals sollte auf gelegt und Ax offen gelassen werden. Höhere Ströme oder mehrere Stromstärken können durch Verwendung beider Kanäle erreicht werden (Beispiele und ). Beispiel : Schalten eines Stromes von 00 ma. 00 ma < 0 ma ein Kanal genügt. nur Ein- und Ausschalten" auf K kann verzichtet werden (K = 0 ). aus Bild (s. a. Datenblatt Bild - ) benötigte Spannung V(Cl) für K = 0 bei I() = 00 ma ablesen:. V Bild : Bestimmung V() für Beispiel - Pulsstrom von 00 ma Bild : Signalverlauf zu Beispiel - Pulsstrom von 00 ma Wird die in Bild gezeigte Schaltung verwendet und am Pin Cl eine Spannung von. V angelegt, so kann durch eine vorgegebene Pulsfolge an einem der beiden ENx-Pins (der andere muß auf gelegt werden) der Laserdiodenstrom zwischen typisch 0 ma und 00 ma geschaltet werden. Bild : Beschaltung des für Beispiel - Pulsstrom von 00 ma

2 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite / Beispiel : Umschalten zwischen zwei Strompegeln von 0 ma und 0 ma. mehr als zwei Strompegel beide Kanäle werden benötigt. der niedrigere Strom von 0 ma wird durch den einen, die restlichen 00 ma Pulsstrom durch den anderen Kanal erzeugt. wie in Bild gezeigt (s. a. Datenblatt Bild ) zu I() = 00 ma einen K-Wert auswählen und das zugehörige V(Cl) bestimmen, z. B. K = und V(Cl) =. V. wiederum wie in Bild gezeigt zu I() = 0 ma und V(Cl) =. V den zugehörigen Wert von K bestimmen: 0 Bild : Bestimmung V(Cl) für Beispiel und Bild : Signalverlauf zu Beispiel Wird bei der in Bild gezeigten Schaltung am Pin eine Spannung von. V angelegt, für K ein 0 und für K ein -Widerstand eingesetzt und auf VDD gelegt, so ergibt sich ein Laserdiodenstrom, der vom Signal an EN zwischen 0 ma und 0 ma umgeschaltet wird. Bild : Beschaltung des für Beispiel

3 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite / Beispiel : Umschalten eines Stromes zwischen 0 ma, 00 ma, 00 ma und 00 ma. mehr als zwei Strompegel beide Kanäle werden benötigt. 00 ma werden durch den einen, 00 ma durch den anderen Kanal und 00 ma durch beide Kanäle zusammen erzeugt. ähnlich wie in Beispiel werden für I() = 00 ma K zu und V(Cl) zu V gewählt. aus Bild des Datenblatts zu I() = 00 ma und V(Cl) = V den zugehörigen Wert von K ablesen: ca. 9 Bild : Signalverlauf zu Beispiel - in vier Stufen überlagerte Pulsströme Wird bei der in Bild gezeigten Schaltung am Pin CL eine Spannung von V angelegt und für K ein Widerstand von, für K ein Widerstand von 9 eingesetzt, so läßt sich u. a. der in Bild gezeigte Stromverlauf erzielen. Bild : Beschaltung des für Beispiel - in vier Stufen überlagerte Pulsströme

4 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite / egelung der Laserleistung in Verbindung mit dem Mit dem läßt sich der Diodenstrom steuern, d. h. das IC arbeitet als spannungsgesteuerte Stromquelle. Einflüsse wie Erwärmung der Laserdiode, Alterung und eflektion durch Aufsatzlinsen können aber das Verhältnis Laserleistung/Laserstrom verändern, so dass die abgegebene Laserleistung vom eingestellten Sollwert abweicht. Um dies zu verhindern, muß die Laserleistung überwacht und der Laserstrom entsprechend nachgeregelt werden. Dies kann durch den Einsatz des Lasertreibers erfolgen, der zudem durch die integrierte Anlaufschaltung die Laserdiode beim Einschalten der Versorgungsspannung schützt. Bei Verwendung von Laserdioden mit integrierten Monitordioden (alle Pin-Konfigurationen sind möglich) kann der die abgegebene Laserleistung überwachen und die Spannung am Pin Cl derart regeln, dass der Mittelwert des Monitorstromes Im av konstant bleibt und somit immer eine annähernd gleiche mittlere optische Laserleistung abgegeben wird. Die Frequenz der Pulsfolge muß dabei über etwa 00 khz liegen, damit eine korrekte Mittelwertregelung durchführen kann und nicht während eines Pulses nachregelt. Es ist unbedingt dafür Sorge zu tragen, dass beim Einschalten der Versorgungsspannung bereits ein Pulssignal an ENx vorliegt! Ansonsten regelt das Potenzial an aufgrund des fehlenden Monitorstromes bis an den Anschlag hoch, was zu einer Zerstörung der Laserdiode führen kann, wenn erst zu diesem Zeitpunkt das Pulsen einsetzt. Beispiel : Schalten eines Stromes von 00 ma mit Mittelwertregelung durch TANSIENTEN SCHUTZ MDK - + VDD D VEF NQ EN ÜBESTOM- ABSCHALTUNG FEEDBACKMONITO ÜBETEMP. A A A Bild 9: Geregelte Laserleistung durch Laserschalter in Verbindung mit Lasertreiber Aus dem Datenblatt der verwendeten Laserdiode wird der typische Monitorstrom (Im hi ) bestimmt, der sich bei der gewünschten Laserleistung ergibt. Da der den Mittelwert des Monitorstromes regelt, muss dieser aus dem Tastverhältnis ermittelt werden: Im av = Im hi t hi / T Der Wert von M errechnet sich aus der internen eferenzspannung des (Kenn-Nr. 0 der -Spezifikation: typisch 00 mv) zu Bild 0: Pulsschema zu Beispiel - geregelte Laserleistung durch M = 00 mv / Im av Der verändert die Spannung V() bis sich ein Monitorstrom entsprechend der Vorgabe von Im av einstellt.

5 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite / Der verfügt über den größten Aussteuerbereich wenn bei einem Strom I() von etwa ma die Spannung an Pin gegen Pin des ungefähr. V beträgt (minimal. V, maximal. V - begrenzt durch Endstufensättigung bzw. Stromabschaltung). Die Spannung zwischen Pin und Pin des muss ausreichend hoch sein, so dass die ma in nicht zur Sättigung der Endstufe führen. Die Spannung von. V an führt bei Kx = 0 zu einem Strom in den Pin des von ca. 0 ma pro Kanal. Für größere Laserströme kann die Spannung an Cl erhöht werden, indem der Pin des virtuell angehoben wird. Dies kann über eine Diode (D) oder einen Widerstand () zwischen des und Systemmasse geschehen. Die Flußspannung der ausgewählten Diode V fw (D) sollte dabei möglichst gut folgender Bedingung genügen: V fw (D) V() -. V Der Widerstand muß so dimensioniert werden, dass gilt: ( V() -. V ) / ma In der egel werden die Widerstände Kx für diesen Fall nicht benötigt. Allerdings kann für Laserdioden, die mit sehr kleinen Strömen arbeiten, wegen der vom gelieferten minimalen Spannung an die Verwendung von Kx-Widerständen notwendig sein. Für die Dimensionierung der Widerstände können analog zu Beispiel die Bilder bis aus dem Datenblatt herangezogen werden. Desweiteren kann der Einsatz der Widerstände Kx sinnvoll sein, um einen Überstromschutz zu implementieren (siehe Seite ff. Überstromabschaltung/Laserstrombegrenzung ). Die Wahl der Kapazität Cl hängt in erster Linie von der Pulsfrequenz ab. Der würde bei zu kleiner Kapazität Cl innerhalb der Taktperiode nachregeln und es könnte keine Mittelwertregelung stattfinden. Da der die Lichtstärke mittels Einstellung des Potenzials am -Pin regelt, könnte dies beim eine Überstrom-Abschaltung oder im schlimmsten Falle einen Laserschaden verursachen, weil die Spannung am Pin bei der Wiedereinschaltung sehr hoch sein könnte. Die Kapazität muß deshalb ausreichend groß sein, damit das Potenzial während der Pulspause annähernd stabil bleibt. Als Anhalt für die Dimensionierung von Cl dient folgende Formel: Bild : estwelligkeit an in Abhängigkeit von Cl (00 µa / f) / V() Im Hierbei steht V(Cl) für die erlaubte estwelligkeit an und f für die Pulsfrequenz. Die zulässige estwelligkeit ist abhängig vom verwendeten Laserdiodentyp. Typischerweise beträgt diese mv. Bei Dioden mit extrem steiler Kennlinie muß die zulässige estwelligkeit verringert werden. Bei niedriger Pulsfrequenz (unter ca. 00 khz), bei hohen Laserströmen oder bei sehr hochohmigem Widerstand M kann es passieren, dass die Spannung an während eines Lichtpulses über etwa 0. V ansteigt, wodurch der Überstromschutz des anspricht und dieser permanent abschaltet. In diesen Fällen ist eine zu M parallele Kapazität CM zu empfehlen. Um beim Anschalten des Systems Oberschwingungen am Pin Cl zu vermeiden, die gefährliche Überströme am Laser verursachen könnten, muß CM so dimensioniert werden, dass die Zeitkonstante des -Knotens etwa /0 der Zeitkonstante der -egelung beträgt: 00mV 00mV V() 00mV 00mV V () Lichtleistung Laser CM / (0 f M) Sollte der Einsatz von CM notwendig sein, muß die Kapazität Cl ebenfalls größer dimensioniert werden, Bild : Spannungsverlauf an mit (V()) und ohne (V ()) Kondensator CM

6 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite / um einer Schwingneigung des Systems entgegen zu wirken. Bei einer mit dem Tastverhältnis t hi /T von :0 mit f = 00 khz zu schaltenden mw-laserleistung ergibt sich für einen bestimmten Diodentyp ein Im hi von 0. ma, d. h. der mittlere Diodenstrom wird zu Im av = 0 µa. Also muß M zu etwa 0 k gewählt werden, Cl zu 0 nf. Bei 00 khz ist die Verwendung von CM sinnvoll. Der Wert ergibt sich zu 0 pf. Das nebenstehende Oszillogramm zeigt einen möglichen Verlauf der optischen Laserleistung in Abhängigkeit der Versorgungsspannung und der Eingänge und EN. Bild : Optische Laserleistung bei Beispiel Beispiel : Umschalten zwischen zwei Lichtpegeln (0 ma und 0 ma) mit Mittelwertregelung durch TANSIENTEN SCHUTZ MDK - + VDD D VEF NQ EN ÜBESTOM- ABSCHALTUNG FEEDBACKMONITO ÜBETEMP. A A A Bild : Umschalten zwischen zwei Lichtpegeln mit Mittelwertregelung durch Wird einer der beiden ENx-Eingänge (hier ) auf VDD gelegt, so ist der entsprechende Kanal dauerhaft eingeschaltet und liefert somit einen DC- bzw. Biasstrom. Über den zweiten ENx-Eingang (hier EN) wird der andere Kanal gepulst. An addieren sich der Bias- und der Pulsstrom. Im Bild ist ein Oszillogramm mit einem möglichen Verlauf der optischen Laserleistung sowie der Spannungen an und in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung sowie den Eingangssignalen an und EN dargestellt. Die Dimensionierung der Widerstände K und K sowie des Sollwertes von V(Cl) erfolgt auf dem gleichen Wege wie in Beispiel gezeigt. Bild : Optische Laserleistung bei Beispiel

7 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite / Der regelt den Mittelwert des Monitorstromes. Deshalb muß dieser aus dem hohen und dem niedrigen Monitorstrom sowie dem Tastverhältnis ermittelt werden: Im av = Im hi t hi / T + Im lo t lo / T Für ein Stromverhältnis k = Im hi / Im lo ergibt dies bzw. Im av = Im lo (t lo + k t hi ) / T Im av = Im hi / k (t lo + k t hi ) / T Bild : Pulsschema für Beispiel - Leistungsregelung für Puls- und Biasstrom Der Widerstand M errechnet sich wiederum aus M = 00 mv / Im av Da der sich in einem optimalen Arbeitspunkt befindet, wenn die Spannung zwischen seinen Pins und bei etwa. V liegt, muß mit Hilfe des Widerstandes oder einer Diode D das Massepotenzial des gegenüber der Systemmasse angehoben werden. Für die Dimensionierung von gilt typisch = ( V() -. V ) / ma Bei Einsatz einer Diode D sollte diese so gewählt werden, dass für ihre Flußspannung V fw (D) gilt: V fw (D) = V() -. V

8 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite / Überstromabschaltung durch permanente Abschaltung des Um die Laserdiode vor Überströmen zu schützen, kann zusätzlich die in Bild aufgezeigte Beschaltung vorgenommen werden. Hierbei wird der permanent abgeschaltet und ein Überstrom dauerhaft verhindert. TANSIENTEN SCHUTZ MDK - + VDD D VEF NQ EN ÜBESTOM- ABSCHALTUNG FEEDBACKMONITO ÜBETEMP. A A A Bild : Überstromschutz durch permanente Abschaltung des Liegt beim Laserstrom Iop die Überstromschwelle Iop max um einen gewissen Prozentsatz über dem gewollten hi-pegel Iop hi, so gilt dies auch für jeden der Teilströme aus den beiden Kanälen. Zur Überwachung des gesamten Laserstromes reicht also die Überwachung eines einzelnen Kanals aus. Aufgrund der geringen Anforderungen an den Schalttransistor Q empfiehlt sich die Überwachung des Kanals mit der geringeren Pulsfrequenz. Die Schwelle, an der die Abschaltung bzw. Begrenzung aktiv werden soll, liegt bei Bild : Pulsschema für Überstromabschaltung Iop lomax = Iop lo Iop max / Iop hi Hieraus läßt sich der notwendige Kx des Biaskanales bestimmen zu Kx = U BE / Iop max Mit Hilfe der Bilder bis aus dem Datenblatt können dann auch die Werte für den anderen Kx und die Spannung V() bestimmt werden. Übersteigt bei zu hohem Laserstrom der Spannungsabfall an Kx den Wert von U BE (Q), wird der Transistor Q durchgeschaltet und senkt dadurch das Potenzial am Pin des und somit auch die Spannung an. Dies versucht der auszugleichen, was zu einer erhöhten Stromaufnahme in den Pin und der Aktivierung der Überstromabschaltung führt, die den permanent abschaltet.

9 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite 9/ Laserstrombegrenzung ohne Abschaltung des Eine andere Möglichkeit, einen Überstromschutz zu realisieren, zeigt Bild 9. Bei steigendem Strom durch K steuert die an diesem Widerstand abfallende Spannung den Transistor Q auf, was die Spannung an verringert und somit den Laserstrom reduziert. wird dabei nicht abgeschaltet. TANSIENTEN SCHUTZ MDK - + VDD D VEF NQ EN ÜBESTOM- ABSCHALTUNG FEEDBACKMONITO ÜBETEMP. A A A Bild 9: Laserstrombegrenzung ohne Abschaltung des Achtung: Durch die direkte ückkopplung des gesteuerten Stroms durch Kx auf die Steuerspannung an besteht eine hohe Schwingungsneigung, der durch experimentelle Einstellung der beteiligten Bauelemente entgegen gewirkt werden muß. Hinweis: Zu beachten ist die starke Abhängigkeit der Laserkennlinie von der Temperatur bei den meisten Laserdioden. Dies gilt insbesondere für den Threshold-Strom (I th ) und den Wirkungsgrad. Um Beschädigungen der Laserdioden zu vermeiden ist für eine geeignete Kühlung der Diode zu sorgen und/oder eine Überstromschutzschaltung wie oben dargestellt einzusetzen. Bild 0: Zusammenhang Laserarbeitspunkt und Temperatur

10 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite 0/ Layout-Hinweise kann in einem sehr breiten Bereich von CW-Anwendungen bis hin zu Anwendungen mit mehr als 0 MHz eingesetzt werden. Hierfür wurden sehr schnelle Schalter integriert, die passend abgeblockt werden müssen, um Schwingungen zu vermeiden. Aus diesem Grunde ist eine kleine Abblockkapazität am zwischen Pin () und (A) erforderlich sowie am Pin () des (s. Bild 9). Eventuell hilft auch eine Vergrößerung der Kapazität C, um einer Schwingungsneigung entgegen zu wirken. Sollte die Verbindung zwischen Laserdiode und ( Pin ) induktiv belastet sein, so ist eine kleine Kapazität CLD parallel zur Laserdiode zu empfehlen, um Stromspikes zu vermeiden. Bei höheren Pulsfrequenzen ist es sinnvoll, getrennte Massen einzuführen, wobei die eine Masse für den - Anschluss des zu verwenden ist, eine für den -Anschluss des und eine für den Kondensator C und die Kanalwiderstände Kx. Bauteil typischer Wert Bemerkung C Abblockkondensator Versorgungsspannung Abblockkondensator Versorgungsspannung C µf Siebkondensator für die Laserdiodenversorgung CLD.nF ESD-Schutz Laserdiode, Siebung bei induktivem Lastkreis nf.. Mittelwertbildung für V()-egelung durch CM Glättungskapazität für Potenzial an, muß berechnet werden C pf Glättungskapazität für Potenzial an V fw < V( WK ) - V( WK ) -V Last und Potenzialeinstellung für Ausgangsstufe des D V fw V() -.V Anhebung der Masse des zur Erhöhung der Steuerspannung V() Anhebung der Masse des zur Erhöhung der Steuerspannung V() M k Vorgabe Monitorstrom (Mittelwert) K 0.. Vorgabe Kanalstrom K 0.. Vorgabe Kanalstrom k Entkoppelung Pin am und Pin am bei Laserstrombegrenzung bzw. Überstromabschaltung

11 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite / SCHALTUNGSBEISPIELE C C J µf J µf 0k M 00 A C +...V 0k M 00 A C P-Typ +...V MDK MDK M-/N-Typ A A A EN A EN Bild : Minimalschaltung für M- oder N-Typ- Laserdiode; Brücke J notwendig bei I() > 0 ma Bild : Minimalschaltung für P-Typ-Laserdiode; Brücke J notwendig bei I() > 0 ma D alternativ C C A 0k M 00 J C µf +...V A 0k M 00 J C µf +...V MDK MDK Puls K A K A K A EN Bias K A EN Bild : Schaltung zum Umschalten des Laserstroms zwischen zwei Stromstärken (z. B. 0 ma und 0 ma) EN Bild : Schaltung zum Umschalten des Laserstroms zwischen verschiedenen Stromstärken, virtuelle -Anhebung für über oder D

12 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite / D D alternativ alternativ k J C µf J C µf 0k M 00 A C +...V 0k M 00 A C +...V MDK MDK Puls C nf Puls A A K K Q A EN Bias Q A EN Bias K K Bild : wie Bild ; Laserstrombegrenzung durch Überwachung im Biasstrompfad und Eingriff in V() Bild : wie Bild ; Überstromabschaltung durch Überwachung im Biasstrompfad und permanente Abschaltung des D alternativ C J µf 0k M A CM C +...V 00 MDK CLD.nF A K K A EN EN Bild : wie Bild ; Beschaltungsmöglichkeiten als Gegenmaßnahmen bei Schwingungen im System (experimentell auf den einzelnen Aufbau abzustimmen)

13 MHz-LASESCHALTE Ausgabe 0.0.0, Seite / D C J µf 0k A C +...V M CM 00 MDK CLD.nF Puls A K Q A EN ½Bias K EN Dither A K.nF A EN ½Bias K Bild : Verwendung von zwei zur Erhöhung des Biasstroms und zum Dithering