ic-wj, ic-wjz CW-LASERDIODENTREIBER-IC

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1 Ausgabe C, Seite / EIGENSCHAFTEN Laserdiodentreiber für Dauer- und Pulsbetrieb (CW...00 khz) bis 50 ma Mittelwertregelung der Laserleistung Einfache Einstellung der Laserleistung über externen Widerstand Einstellbarer Watchdog am Schalteingang zum Schutz der Laserdiode Weicher Anlauf nach Anlegen der Versorgungsspannung Abschaltung des Laserdiodentreibers bei Übertemperatur und Unterspannung Versorgung aus 5 V Einfache Beschaltung ic-wj für Laserdioden mit µa Monitorstrom ic-wjz für Laserdioden mit ma Monitorstrom ANWENDUNGEN Leistungstreiber mit Schutzfunktionen für CW-Laserdioden GEHÄUSE SO8 MSOP8 BLOCKSCHALTBILD ERENZ ANSTEUERUNG 5 +5V C 00uF ISET TEMP. SCHUTZ KLD 8 C nf LD MD RSET 0k Ω 7HCxx 6 IN EINGANG UNTERSPANNUNG 7 R Ω WATCHDOG : ic WJ : ic WJZ 09/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz Copyright 006 ic-haus 00nF..70nF ic WJ/WJZ Mögliche Laserdioden:

2 Ausgabe C, Seite / KURZBESCHREIBUNG Die Bausteine ic-wj und ic-wjz sind Treiber-ICs für Laserdioden im Dauer- und Pulsbetrieb bis 00 khz. Über den Schalteingang IN wird die Laserdiode angesteuert. Eine Regelung auf den Mittelwert der optischen Laserleistung und integrierte Schutzfunktionen sichern einen zerstörungsfreien Betrieb der empfindliche Halbleiterlaser. Das IC beinhaltet Schutzdioden gegen Zerstörung durch ESD, eine Schutzschaltung gegen Übertemperatur und Unterspannung sowie eine Anlaufschaltung für den Laserdiodentreiber, um die Laserdiode beim Einschalten der Versorgungsspannung zu schützen. Mit einem externen Widerstand an ISET wird die Leistungsregelung an die verwendete Laserdiode angepasst. Der Kondensator an bestimmt die Regelzeitkonstante und die Anlaufzeit. Eine Watchdog-Schaltung überwacht den Schalteingang IN. Bleibt IN länger als die durch den Kondensator an vorgegebene Zeit low, wird der Kondensator der Leistungsregelung an Pin entladen. Dadurch wird sichergestellt, dass beim nächsten High-Puls am Eingang IN der Strom durch die Laserdiode nicht unzulässig groß ist. GEHÄUSE SO8, MSOP8 nach JEDEC-Standard ANSCHLUSSBELEGUNG SO8 (von oben) PIN-FUNKTIONEN Nr. Name Funktion ISET Code......yymm WJ KLD IN Masse Kondensator für Watchdog Kondensator für Leistungsregelung ISET Anschluss für RSET 5 5-V-Versorgung 6 IN Schalteingang 7 Anode Monitordiode 8 KLD Kathode Laserdiode ANSCHLUSSBELEGUNG MSOP8 (von oben) ISET ic WJ Code KLD IN 09/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz

3 Ausgabe C, Seite / GRENZWERTE Keine Zerstörung, Funktion nicht garantiert. Kenn- Formel- Benennung Bedingungen Bild Einh. Nr. zeichen Min. Max. G00 Versorgungsspannung 0 6 V G00 I() Strom in - ma G00 V(KLD) Spannung an KLD IN = lo 0 6 V G00 I(KLD) Strom in KLD IN = hi ma G005 I() Strom in ic-wj - ma ic-wjz -6 6 ma G006 I(IN) Strom in IN -0 ma G007 I(ISET) Strom in ISET - ma G008 I() Strom in IN = lo - ma G009 Vd() ESD-Prüfspannung an,, ISET, MIL-STD-88, HBM 00 pf entladen.5 kv IN,, KLD über.5 kω G00 Tj Chip-Temperatur C G0 Ts Lager-Temperatur C THERMISCHE DATEN Betriebsbedingungen: = 5 V ±0 % Kenn- Formel- Benennung Bedingungen Bild Einh. Nr. zeichen Min. Typ Max. T0 Ta Zulässiger Umgebungstemperaturbereich (erweiterter Temperaturbereich auf Anfrage) C T0 Rthja Thermischer Widerstand Chip/Umgebung SMD-Montage, ohne besondere Kühlfläche 0 K/W 09/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz Alle Spannungsangaben beziehen sich auf Masse (Ground), wenn kein anderer Bezugspunkt angegeben ist. In den Baustein hinein fließend Ströme zählen positiv, heraus fließend Ströme negativ.

4 Ausgabe C, Seite / KENNDATEN 09/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz Betriebsbedingungen: = 5 V ±0 %, RSET = kω, ic-wj: I() = µa, ic-wjz: I() = ma, Tj = C, wenn nicht anders angegeben. Kenn- Formel- Benennung Bedingungen Tj Bild Einh. Nr. zeichen C Min. Typ Max. Allgemeines 00 Zulässige Versorgungsspannung V 00 Iav() Versorgungsstrom in (Mittelwert) Iav(KLD) = 00 ma, f(in) = 00 khz ±0 % 5 ma 00 tp(in-kld) Verzögerungszeit der Pulsflan e V(IN) zu I(KLD) IN(hi lo), V(50 %) : I(50 %) 5 ns 00 Vc()lo Clamp Spannung lo an, IN,, KLD,,, ISET I() = - ma, andere Pins offen V 005 Vc()hi Clamp Spannung hi an IN,, KLD,,,, ISET Laseransteuerung Vc()hi = V() ; I() = ma, andere Pins offen 0..5 V 0 Vs(KLD) Sättigungsspannung an KLD IN = hi, I(KLD) = 00 ma. V 0 I0(KLD) Reststrom in KLD IN = lo, V(KLD) = 0 µa 0 I(KLD) Strom in KLD IN = hi, I() = ma 7 50 ma ma 5 50 ma 0 V() Spannung an ic-wj: I() = 500 µa V ic-wjz: I() =.5 ma 0..5 V 05 tr Strom-Anstiegszeit in KLD Imax(KLD) = ma, 00 ns Ip(): 0 % 90 % 06 tf Strom-Abfallzeit in KLD Imax(KLD) = ma, 00 ns Ip(): 90 % 0 % 07 CR() Stromverhältnis I() / I(ISET) I() = 0, geschlossene Regelung ic-wj 0.8. ic-wjz CR() Stromverhältnis I() / I() V() =...5 V, ISET offen ic-wj 0.9. ic-wjz.7. Eingang IN 0 Vt()hi Schaltschwelle hi V 7.87 V V 5.9 V 0 Vt()lo Schaltschwelle lo V 7.78 V V 5.8 V 0 Vt()hys Eingangshysterese 0 90 mv mv 7 90 mv mv 5 00 mv 0 Rin Pull-Down-Widerstand V(IN) = V 6 kω 05 V0() Leerlaufspannung I(IN) = 0 0. V 06 Vtwd() Schaltschwelle für Watchdog -5.. V V V V Referenz und Temperaturschutz 0 V(ISET) Spannung an ISET.7.8 V 7. V 0 CR() Stromverhältnis I() / I(ISET) V() =...5 V, I() = RSET Zulässiger Widerstand an ISET (Einstellbereich für Regeleinsatz).7 50 kω

5 Ausgabe C, Seite 5/ KENNDATEN Betriebsbedingungen: = 5 V ±0 %, RSET = kω, ic-wj: I() = µa, ic-wjz: I() = ma, Tj = C, wenn nicht anders angegeben. Kenn- Formel- Benennung Bedingungen Tj Bild Einh. Nr. zeichen C Min. Typ Max. 0 Toff Abschalttemperatur 5 50 C 05 Thys Temperaturhysterese 0 0 C Anlauf und Watchdog 0 on Einschaltschwelle.5. V 7.8 V 0 off Abschaltschwelle..8 V 0 hys Hysterese hys = on off mv 7 00 mv 0 Vs()off Sättigungsspannung an bei Unterspannung 05 Vs()wd Sättigungsspannung an für IN = lo I() = 00 µa, < off.6 V I() = 00 µa, t(in = lo) > tp (*).5 V 06 Ipu() Pull-Up-Strom an V() = 0, IN = lo -5 - µa 07 tpmin Mindestansprechzeit Watchdog IN = lo, offen 0 5 µs 08 Kwd (*) Konstante zur Berechnung der Ansprechzeit Watchdog (*) tp = (C() Kwd ) + tpmin (siehe auch Applikationshinweise) IN = lo µs/pf 509/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz

6 Ausgabe C, Seite 6/ APPLIKATIONSHINWEISE Einstellung der Laserleistung Die Bausteine ic-wj und ic-wjz lassen sich an CW- Laserdioden von ca. bis 0 mw anpassen. Es können in gleicher Weise Ausführungen verwendet werden, bei denen die Kathode der Monitordiode mit der Anode oder der Kathode der Laserdiode verbunden ist. Für die Anpassung an die Empfindlich eit der Monitordiode und zur Einstellung der gewünschten optischen Laserleistung dient der Pin ISET. An diesem Pin wird der Sollwert für die Mittelwertregelung des Monitordiodenstromes vorgegeben. ERENZ ANSTEUERUNG 5 +5 V C 00 uf ISET TEMP. SCHUTZ KLD 8 C nf LD MD RSET R Ω 6 I N EINGANG UNTERSPANNUNG 7 7HCxx WATCHDOG : ic WJ : ic WJZ ic WJ/WJZ 70 nf Bild : Betrieb einer Laserdiode gemäß Beispiel Zur Berechnung des benötigten Stroms an ISET wird die mittlere optische Laserleistung bestimmt: Beispiel ic-wj Laserdiode mit 5 mw maximaler optischer Ausgangsleistung, Monitordiode mit 0. ma/mw, Tastverhältnis t whi /T = 0 % mit P peak = 5 mw: 609/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz P av = P peak t whi T mit Spitzenwert P peak und Puls-/Periodendauer t whi /T. twhi twlo T Bild : Tastverhältnis Ppeak Es ergibt sich eine mittlere optische Leistung von mw und ein mittlerer Monitordiodenstrom von 0. ma. Der Widerstand RSET berechnet sich zu: RSET = CR V (ISET ) I av () =.V 0.mA = 9.kΩ mit den Kenndaten Nr. 0 für V(ISET) und mit Nr. 07 für das Übersetzungsverhältnis CR. Beispiel ic-wjz Laserdiode mit 5 mw maximaler optischer Ausgangsleistung, Monitordiode mit 0.75 ma bei mw, CW-Betrieb (Tastverhältnis 00 %) mit P cw = mw:

7 Für den Monitordiodenstrom von 0.5 ma errechnet sich der Widerstand RSET zu: 5. V(IN) Ausgabe C, Seite 7/ RSET = CR V (ISET ) I av () =.V 0.5mA =.6kΩ.55 V V().55 mit den Kenndaten Nr. 0 für V(ISET) und Nr. 07 (ic-wjz) für das Übersetzungsverhältnis CR. 50 ua I() Mittelwertregelung Die Regelung der mittleren optischen Laserleistung erfordert einen Kondensator an Pin. Dieser Kondensator dient der Mittelwertbildung und muss der gewählten Pulsfrequenz sowie dem an ISET vorgegebenen Ladestrom angepasst werden. Die Zusammenhänge sind in beiden Fällen linear, d. h. mit kleiner werdender Pulsfrequenz oder mit zunehmendem Strom aus ISET muss der Kondensator proportional vergrößert werden: Bild : Eingeschwungene Mittelwertregelung, f(in) = 00 khz (:), = 70 nf, RSET = 0 kω 5.. V() V(IN) Time 0 I(ISET ) f V (ISET ) = 0 f RSET.8 V 600 ua I() Beispiel Pulsfrequenz 00 khz, RSET = 0 kω: = 0 nf, gewählt 70 nf. Anderenfalls wird durch das Auflade des Kondensators während der Pulspausen (mit I(ISET) =. V / RSET) das Mittelwertpotential überhöht und die Laserdiode beim nächsten Puls eventuell zerstört. Der Kondensator ist richtig dimensioniert, wenn der Strom durch die Laserdiode und das optische Ausgangssignal keine Überhöhung nach der Einschaltflan e aufweisen. Im eingeschwungenen Zustand und für ein Tastverhältnis von 50 % (Puls/Pause = :) zeigen sich an den IC-Pins Signale wie in Bild. Bild : Eingeschwungene Mittelwertregelung, f(in) = 00 khz (:), = 70 nf, RSET = 0 kω... V() I(KLD) 0 s ms ms 6 ms 8 ms 0 ms ms Time 709/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz Die entsprechenden Signale für ein Tastverhältnis von 0 % zeigt Bild. Deutlich wird der Einflus des Tastverhältnisses auf den Spitzenwert des zum Laserstrom proportionalen Monitorstroms. Der durch die Regelung konstant gehaltene Mittelwert (RSET unverändert) bedeutet einen um den Faktor.5 erhöhten Spitzenwert. Das Tastverhältnis, für das RSET dimensioniert wurde, sollte daher möglichst konstant sein. Bild 5: Einschaltverhalten, f(in) = 00 khz (:), = 70 nf, RSET = 0 kω Ein- und Ausschaltverhalten Der Kondensator bestimmt auch die Anlaufzeit bis zum eingeschwungenen Laserpulsbetrieb nach Einschalten der Versorgungsspannung oder nach einer Entladung von durch den Watchdog.

8 Ausgabe C, Seite 8/ Zur Abschätzung der Anlaufzeit (Bild 5) gilt: T on =.5V I(ISET ) =.5V RSET.V Beispiel = 70 nf, RSET = 0 kω: T on = 9.6 ms Den Beginn des Laserbetriebs zeigt aufgelöst Bild 6, das Ausschaltverhalten Bild 7. Der Einsatz der Unterspannungserkennung zeigt sich am Abnehmen der Spannung an und dem Ausbleiben der Laserpulse. Das Entladen des Kondensators durch den Watchdog stellt sicher, dass die Laserdiode beim nächsten Puls nicht durch einen zu großen Einschaltstrom zerstört wird. Der Kondensator sollte so dimensioniert werden, dass die Ansprechzeit t p des Watchdogs etwas größer ist, als die Pulspausendauer t wlo des Eingangssignals. Dadurch spricht der Watchdog gerade noch nicht an. Für Ansprechzeiten t p größer als t pmin gilt:.55 V.5 V I(KLD) V() = t p t pmin K wd mit t pmin und K wd aus den Kenndaten Nr. 07, 08. Time Bild 6: Einschaltverhalten aufgelöst, f(in) = 00 khz (:), = 70 nf, RSET = 0 kω 5. Bild 8 zeigt die Signalverläufe im Normalbetrieb, ohne Ansprechen des Watchdogs. Das Potenzial an steigt während der Pulspausen an, erreicht jedoch nicht die Ansprechschwelle des Watchdogs. 5. V(IN). V() 5 V V() I(KLD) V V() Time V 00 ua I() Bild 7: Ausschaltverhalten, f(in) = 00 khz (:), = 70 nf, RSET = 0 kω Time 809/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz Watchdog Für eine einwandfreie Funktion des Watchdogs muss der Eingang IN mit einem CMOS-Ausgang angesteuert werden (z. B. mit einem HCMOS-Gatter, siehe Bild ). Der Watchdog sorgt dafür, dass bei längeren Pulspausen an IN der Kondensator entladen wird. Während der Pulspausen steigt das Potential an um V an (Bild ): V = I(ISET ) t wlo Bild 8: Watchdog, offen, f(in) = 00 khz (:), = 70 nf, RSET = 0 kω Bild 9 zeigt die Verhältnisse, wenn die Eingangsfrequenz von 00 khz auf 0 khz reduziert wird. Die Pulspausen sind länger als die Ansprechzeit des Watchdogs. Der Watchdog beginnt den Kondensator strombegrenzt zu entladen. Die verbleibende Ladezeit in den Pulspausen vor Eingriff des Watchdogs genügt jedoch nicht, um das ursprüngliche Potential an zu erhalten. Das Potential sinkt deshalb in Schritten bis zur Sättigungsspannung Vs() wd (Kenndaten Nr. 05).

9 Ausgabe C, Seite 9/ V() V(IN) V() Der Watchdog bewahrt also die Laserdiode vor Zerstörung, wenn sich die Eingangssignale so ändern, dass der Kondensator für die Mittelwertbildung nicht mehr ausreicht. Weiterhin erlaubt das Eingreifen des Watchdogs große Pulspausen sowie eine Ansteuerung der Laserdiode mit Pulspaketen.. 00 ua I() Time Bild 9: Watchdog, offen, f(in) = 00 khz 0 khz (:), = 70 nf, RSET = 0 kω C 0 uf 00 nf WDOG C I KLD 8 7 IN 6 R Ω C 5 nf LD MD RSET 0 kω ISET ic WJ/WJZ 5 C 00 nf +5 V Bild 0: CW-Betrieb und Ansteuerung der Laserdiode über Kabel 909/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz CW-Betrieb Für CW-Betrieb kann der Pulsfrequenzeingang mit verbunden werden. Der Pin bleibt offen, denn der Kondensator für die Watchdog-Schaltung wird nicht benötigt. Für den Kondensator der Mittelwertregelung empfiehl sich ein Wert um 00 nf. Anschluss der Laserdiode über Kabel Als Schutzmaßnahme für die Laserdiode gegen Beschädigung durch ESD oder Einschwingvorgänge empfiehl sich ein Kondensator von ca. bis 0 nf parallel zur Laserdiode. Dieser Kondensator sollte unmittelbar an der Laserdiode angebracht sein, keinesfalls am Beginn der Zuleitung. Ein Serienwiderstand von ca. Ω am Pin KLD verringert die IC-Verlustleistung und dämpft eventuelle Resonanzen im Lastkreis, verursacht durch die induktiv wirkende Zuleitung. Dieser Widerstand ist grundsätzlich sinnvoll, auch wenn kein Kabel verwendet wird. Wird die Zuführung zur Laserdiode über eine Platine geführt, sollte, auch bei nur wenigen Zentimetern Länge, die Hinleitung und die Rückleitung nach KLD parallel verlaufen, d. h. dicht nebeneinander liegen.

10 Ausgabe C, Seite 0/ +5 V C nf LD MD C 00 uf KLD 8 R Ω VMOD V R 0 kω nf RSET 0 kω WDOG IN ISET ic WJ/WJZ V C 00 nf Bild : Analog-Modulation im CW-Betrieb Analog-Modulation im CW-Betrieb Die Modulations-Eckfrequenz wird vom Kondensator sowie vom Arbeitspunkt bestimmt, der mit dem Widerstand RSET eingestellt ist. Mit = 00 nf und RSET = R = 0 kω liegt die Eckfrequenz bei etwa 0 khz, mit = nf und gleichem Widerstand bei etwa 0 khz. Auch durch Beschaltung mit einer Stromquelle, z. B. als Operationsverstärker mit Stromausgang (OTA), kann die Laserleistung moduliert werden. Damit beim Einschalten der Versorgungsspannung der OTA-Beschaltung der Strom für den Pin ISET begrenzt ist, sollte der OTA-Ausgang am Fußpunkt von RSET angeschlossen werden (anstelle von ). Für die Dimensionierung des Kondensators muss der an ISET maximal auftretende Strom berücksichtigt werden. Platinenlayout Die Masse-Anschlüsse der externen Komponenten, und RSET müssen direkt am IC mit dem Anschluss verbunden werden. DEMO-BOARD 09/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz Die Bausteine ic-wj/wjz/wjb werden mit einem Demo-Board zu Testzwecken bemustert. Die folgenden Bilder zeigen die Schaltung sowie die Oberseite der Testplatine. 0

11 Ausgabe C, Seite / J ALD LD IN C 00 uf C nf MONITOR LASER IC KLD 8 R Ω KLD 7 WDOG I N 6 I II IMOD RMOD 0 kω (5 kω ) ISET 5 A nf ic WJ/WJZ/WJB RSET 0 kω (5 kω ) C 00 nf Bild : Schaltplan des Demo-Boards 09/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz Bild : Demo-Board (Bestückungsseite) Die vorliegende Spezifikatio betrifft ein neu entwickeltes Produkt. ic-haus behält sich daher das Recht vor, Daten ohne weitere Ankündigung zu ändern. Die aktuellen Daten können bei ic-haus abgefragt werden. Ein Nachdruck dieser Spezifikatio auch auszugsweise ist nur mit unserer schriftlichen Zustimmung und unter genauer Quellenangabe zulässig. Die angegebenen Daten dienen ausschließlich der Produktbeschreibung. Dies gilt insbesondere auch für die angegebenen Verwendungsmöglichkeiten/Einsatzbereiche des Produktes. Eine Garantie hinsichtlich der Eignung des Produktes für die konkret vorgesehene Verwendung wird von ic-haus nicht übernommen. ic-haus überträgt an dem Produkt kein Patent, Copyright oder sonstiges Schutzrecht. Für die Verletzung etwaiger Patent- und/oder sonstiger Schutzrechte Dritter, die aus der Ver- oder Bearbeitung des Produktes und/oder der sonstigen konkreten Verwendung des Produktes resultieren, übernimmt ic-haus keine Haftung.

12 Ausgabe C, Seite / BESTELLINFORMATION Typ Gehäuse Bestellbezeichnung ic-wj SO8 ic-wj SO8 MSOP8 ic-wj MSOP8 WJ-Evaluation-Board ic-wj EVAL WJD ic-wjz SO8 ic-wjz SO8 MSOP8 ic-wjz MSOP8 WJZ-Evaluation-Board ic-wjz EVAL WJD 09/6 / V0 / HW / ichaus/wj_wjz