CN1838021A - 用于生成跟踪光源的温度系数的输出信号的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于生成跟踪光源的温度系数的输出信号的装置和方法。提供了光源温度系数跟踪机制(例如电流源电路)，其生成跟踪光源的温度系数(例如发光二极管(LED)的温度系数)的输出信号。绝对温度比例电流源电路(PTAT电流源电路)生成第一信号。绝对温度相补电流源电路(CTAT电流源电路)生成第二信号。基于第一信号和第二信号来生成跟踪光源的温度系数的输出信号。

Description

用于生成跟踪光源的温度系数的输出信号的装置和方法
技术领域
本发明涉及光耦合器系统，具体而言涉及光耦合器系统中的用于生成跟踪光源的温度系数的输出信号的装置和方法。
背景技术
光耦合器系统包括彼此电隔离的第一电路和第二电路。第一电路包括耦合到LED电流源的发光二极管(LED)。第一电路光耦合到第二电路。第二电路包括光电二极管(PD)。例如，LED发出的光照射到光电二极管上，从而产生通过光电二极管的电流(例如光电二极管电流)。第二电路还包括互阻抗放大器电路，其耦合到光电二极管以生成基于光电二极管电流的输出电压信号。第二电路还包括生成参考电流的电流源。一般地，光电二极管电流被与参考信号比较，该比较被用来生成输出电压信号。
虽然参考电流一般不依赖于温度(即在不同温度下相对恒定)，但是光电二极管电流随温度改变或变化。这种温度依赖性导致输出电压信号有以下有害的和不希望的特点或属性：1)脉宽在不同温度下有变化，和2)脉宽随温度变化而失真。
图6示出了代表由现有技术光耦合器系统生成的各个信号的几个波形图，其中输出电压信号的脉宽在不同温度下有所变化。注意，第一波形610代表在不同温度下相对固定的参考电流。
第二波形620、第三波形630和第四波形640代表不同温度(例如低温、室温和高温)下的光电二极管电流。示例性温度范围是从-40摄氏度到+125摄氏度。例如，第二波形620代表低温(例如-40摄氏度)下的光电二极管电流信号。第三波形630代表室温下的光电二极管电流信号。第四波形640代表高温(例如+125摄氏度)下的光电二极管电流信号。
第五波形650、第六波形660和第七波形670代表在不同工作温度下，现有技术的光耦合器系统生成的输出电压信号。例如，第五波形650代表室温下的输出电压信号。第六波形660代表低温(例如-40摄氏度)下的输出电压信号。第七波形670代表高温(例如+125摄氏度)下的输出电压信号。
可以理解，输出电压信号波形650、660、670中每一个的脉宽都是不同的，并且是依赖于温度的。注意，由于在低温和高温下的不对称触发，从关断状态到导通状态和从导通状态到关断状态的传播延迟可能会有所不同。不同的传播延迟进一步导致整个温度范围上的脉宽失真。
基于上述原因，需要克服了上述缺点的用于生成跟踪光源的温度系数的输出信号的装置和方法。
发明内容
本发明描述了用于跟踪光源的温度系数的装置和方法。提供了光源温度系数跟踪机制(例如电流源电路)，其生成跟踪光源的温度系数(例如发光二极管(LED)的温度系数)的输出信号。绝对温度比例电流源电路(PTAT电流源电路)生成第一信号。绝对温度相补电流源电路(CTAT电流源电路)生成第二信号。第一信号和第二信号被用来生成跟踪光源的温度系数的输出信号。
附图说明
在附图中以示例而非限制的方式示出了本发明，其中相同的标号标示相似的元件。
图1根据本发明的一个实施例示出了包括温度跟踪阈值信号生成机制的光耦合器系统。
图2是更详细地示出根据本发明一个实施例的图1的温度跟踪阈值信号生成机制的框图。
图3示出了根据本发明一个实施例的图2的温度跟踪阈值信号生成机制的示例性电路实现。
图4是示出了根据本发明一个实施例的光源温度系数跟踪电流源的输出波形的时序图。
图5是示出了由根据本发明一个实施例的温度跟踪阈值生成机制所执行的方法的流程图。
图6示出了代表现有技术的光耦合器系统所生成的各个信号的几个波形，其中输出电压信号的脉宽在不同温度下有所不同。
具体实施方式
下面描述用于生成跟踪光源的温度系数的输出信号的装置和方法。在下面的描述中，为了便于说明而列举了很多具体细节，以提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域的技术人员来说，很明显本发明可在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情形下，公知的结构和器件没有在框图中示出，以避免不必要地混淆本发明。
光耦合器系统100
图1根据本发明一个实施例，示出了包括温度跟踪阈值信号生成机制150的光耦合器系统100。光耦合器系统100包括光源104(例如发光二极管、激光器或其他光源)和电流源108，该电流源108生成用于驱动光源的电流(例如I-光源或I_LS)。在一个实施例中，光源104是发光二极管(LED)，电流源108生成用于驱动LED的电流(即I_LED)。
注意，光源104和相应的电流源108与系统100的其他部分(后面将会详细描述)相隔离(即电隔离)。这两方通过光106进行耦合。信号信息通过光106从光源104被传送到光探测器114。
光源104生成具有预定光输出功率(LOP)的光106。电流传输率(CTR)是光源电流(I_LS)和光探测器(I_LD)电流之间的比。I_LS和I_LD之间的关系可以由下式表示：I_LD＝I_LS*CTR。在一个实施例中，CTR是LED电流(I_LED)和光电探测器电流(I_PD)之间的比。在此情形下，上述表达式变为：I_PD＝I_LED*CTR。
考虑以下情形，其中I_LED是固定的。CTR具有负温度系数(tempco)，并且随温度而改变，从而导致I_PD随温度变化或改变。在此情形下，I_PD随温度升高而减小。在没有根据本发明的温度跟踪阈值信号生成机制150的情况下，I_PD被与相对于温度恒定的参考信号或阈值信号相比较，从而导致失真的输出信号(例如具有不同斜率的上升沿和下降沿的V_out信号)。在一个实施例中，温度跟踪阈值信号生成机制生成I_ref，该信号在不同温度下约为I_PD的50％，因此V_out信号具有很小的失真和相对恒定的脉宽。
光耦合器系统100还包括光探测器114(例如光电探测器或光电二极管)。光耦合器系统100还包括依赖于光源的状态而生成逻辑高信号(例如逻辑“1”信号)或逻辑低信号(例如逻辑“0”信号)的输出。当LED处于导通状态时，输出信号被断言(例如逻辑高，“1”)。类似地，当LED处于关断状态时，输出信号被解除断言(例如逻辑低，“0”)。
光源(例如LED)的光输出一般具有很大的负温度系数，该负温度系数可以在某个取值范围内，例如在大约3000ppm/摄氏度到大约4000ppm/摄氏度之间。在这一点上，当固定的或预设的光电探测器开关阈值信号(I_ref_constant)被提供时，LED开关阈值电流(I_LS)具有相似的随温度的变化。
好的光耦合器系统设计的一个方面是维持用于驱动光源的电流(I_LS)和系统的输出电流(例如V_out)之间的信号完整性(例如相似的脉宽、占空因数、其他信号特性，等等)。光耦合器系统100使用温度跟踪阈值信号生成机制150来维持用于驱动光源的电流(I_LS)和系统的输出电流(例如V_out)之间的信号完整性。例如，当光源电流具有50ns的脉宽时，光耦合器系统100生成具有大体相似的脉宽(例如大约50ns)的输出信号(V_out)。类似地，当光源电流具有10ns脉宽或100ns脉宽时，光耦合器系统100生成分别具有大体类似于10ns和100ns的脉宽的输出信号(V_out)。
光耦合器系统100还包括比较电路，其将参考信号(例如I_ref)与光电探测器信号(例如I_LD或I_PD)进行比较。根据一个实施例，比较电路包括第一放大器120、第二放大器130和第三放大器140。第一放大器120包括输入电极122和输出电极124。第一电阻器(R1)128包括耦合到输入电极122的第一端子和耦合到输出电极124的第二端子。光探测器114具有耦合到第一放大器的输入电极122的第一端子和耦合到第一预定功率信号(例如地功率信号)的第二端子。
第二放大器130包括第一输入电极132(例如正端子或正相输入)、第二输入电极134(例如负端子或反相输入)，以及输出电极136。第二电阻器(R2)138包括耦合到第二输入电极134的第一端子和耦合到输出电极136的第二端子。
根据本发明的一个实施例，光耦合器系统100包括温度跟踪阈值信号生成机制150，以减少由温度改变所导致的导通阈值信号变化。在一个实施例中，温度跟踪阈值信号生成机制150是利用光源温度系数跟踪电流源(LSTCTCS)来实现的，该LSTCTCS具有耦合到第二放大器130的第二输入电极134的第一电极，以及耦合到第一预定功率信号(例如地功率信号)的第二端子。
在一个实施例中，LSTCTCS 150减小了由于温度改变所导致的导通阈值信号变化。例如，LSTCTCS 150通过采用提供跟踪光源的温度系数的阈值信号的机制，使得互阻抗放大器可生成维持光源电流的信号完整性的输出信号(例如输出电压信号)。温度跟踪阈值信号生成机制150在后面参照图2和3被更详细地描述。
第三放大器140包括第一输入电极142(例如正端子或正相输入)、第二输入电极144(例如负端子或反相输入)，以及输出电极146。第一输入电极142耦合到第一放大器120的输出电极124，第二输入电极144耦合到第二放大器130的输出电极136。
温度跟踪阈值信号生成机制150
图2是更详细地示出根据本发明一个实施例的图1的温度跟踪阈值信号生成机制150的框图。根据一个实施例，温度跟踪阈值信号生成机制150跟踪光源的温度系数(例如发光二极管(LED)的温度系数)，并且利用光源温度系数跟踪电流源来实现。
温度跟踪阈值信号生成机制(例如光源温度系数跟踪电流源)包括：绝对温度相补电流源210，其生成与绝对温度相补(即成反比)的第一信号(例如电流信号，I1)；以及绝对温度比例电流源230，其生成与绝对温度成正比的第二信号(例如第二电流信号，I2)。绝对温度相补电流源210在这里还被称为“CTAT电流源”。绝对温度比例电流源230在这里还被称为“PTAT电流源”。
第一电流镜电路220被选择性地提供，其将CTAT电流源210所生成的电流镜像，以提供第一信号(例如，I1)。类似地，第二电流镜电路240被选择性地耦合到PTAT电流源230，并将PTAT电流源230所生成的电流镜像，以提供第二信号(例如，I2)。第三电流镜电路250选择性地耦合到第一电流镜220和第二电流镜240，以接收第一信号(例如，I1)和第二信号(例如，I2)，以将I3镜像来提供参考信号(例如参考电流信号I_ref)。注意，电流I3是电流I1和I2的和。
CTAT电流源210、第一电流镜220、PTAT电流源230、第二电流镜240和第三电流镜250及其示例性电路实现在后面参照图3详细描述。
根据本发明的一个实施例，温度跟踪阈值信号生成机制引入用于阈值信号(例如参考电流I_ref)的温度系数来匹配光源(例如LED)的LOP温度系数，于是相同的光源(例如LED)电流阈值在温度范围(例如温度变化)上被维持。换言之，温度跟踪阈值信号生成机制允许光源阈值电流(例如I_LS)被设置在幅值的中间范围附近，从而得到对称的导通延迟和关断延迟(例如导通传播延迟和关断传播延迟)。于是，输出信号(例如V_out)的信号完整性被维持，并且信号失真(例如脉宽失真)被最小化或减小。
示例性电路实现
图3示出了根据本发明一个实施例的图2的温度跟踪阈值信号生成机制150的示例性电路实现。CTAT电流源210和第一电流镜220利用晶体管Q1、Q4、Q5和Q6以及电阻器R1和R2来实现。注意，晶体管Q5和Q6形成第一电流镜220。PTAT电流源230和第二电流镜利用晶体管Q2、Q3、Q7、Q8和Q9以及电阻器R2来实现。注意，晶体管Q7、Q8和Q9形成第二电流镜240。对电流I1和I2求和以生成电流I3。由晶体管Q10和Q11所形成的第三电流镜将电流I3镜像，以提供参考信号(I_ref)。“m1”标示晶体管Q5的射极大小；“n1”标示晶体管Q6的射极大小；“n2”标示晶体管Q7的射极大小；“m2”标示晶体管Q8和Q9的射极大小；“a”标示晶体管Q2的射极大小；“b”标示晶体管Q3的射极大小。电流镜将电流I3镜像，以生成温度依赖参考信号(例如I_ref)。注意，晶体管大小之间的关系(例如晶体管大小之间的比)可以根据光源温度系数(tempco)、电流源温度系数(tempco)和特定应用的具体需要来确定。
根据一个实施例，电流I1由晶体管Q1的基极到射极电压(V_be)和电阻器R1决定，电流I2由晶体管Q3和晶体管Q4之间的基极到射极电压(V_be)的差和电阻器R2决定。在一个实施例中，输出电流I3的温度系数可以由下式描述：
(1/I3)(I3/T)＝(I1/I3)(1/I1)(I1/T)+(I2/I3)(1/I2)(I2/T)。
通过使用上式，可以相应地设计晶体管的大小，以获得预定的输出电流温度系数(tempco)。附录I示出了通过生成电流I1和I2来生成温度依赖参考电流(I_ref)的示例性设计过程。
图4是示出了根据本发明一个实施例的温度跟踪阈值信号生成机制的输出波形的时序图。第一波形410、第二波形420和第三波形430代表不同温度下(例如低温、室温和高温)的光电二极管电流。示例性温度范围是从-40摄氏度到+125摄氏度。例如，第一波形410代表低温(例如-40摄氏度)下的光电二极管电流信号。第二波形420代表室温下的光电二极管电流信号。第三波形430代表高温(例如+125摄氏度)下的光电二极管电流信号。
第四波形440、第五波形450和第六波形460代表在不同工作温度下，由根据本发明一个实施例的温度跟踪阈值信号生成机制所生成的参考电流信号。例如，第四波形440代表低温(例如-40摄氏度)下的参考电流信号(I_ref@cold)。第五波形450代表室温下的参考电流信号(I_ref@room)。第六波形460代表高温(例如+125摄氏度)下的参考电流信号(I_ref@hot)。
注意，由于温度跟踪阈值信号生成机制为相应的光探测信号(例如光电二极管电流信号I_PD)提供了不同的参考信号(例如温度依赖参考信号)，因此输出电压信号波形的特性(例如脉宽480、占空因数和其他特性)可由波形470代表，波形470基本不随温度变化(例如@cold/@room或@hot)而改变。还要注意，输出电压信号的信号完整性相对于输入信号(例如光源信号，I_LED)被基本维持。
温度跟踪阈值生成机制所执行的处理
图5是示出了根据本发明一个实施例的温度跟踪阈值生成机制所执行的方法的流程图。在步骤510，生成随温度变化而变化的温度依赖参考信号。步骤510可包括下列步骤：1)生成与绝对温度成正比的第一信号；2)生成与绝对温度相补的第二信号；以及3)利用第一信号和第二信号生成温度依赖参考信号。在一个实施例中，温度依赖参考信号跟踪光源(例如LED)的温度系数。
在步骤520，光探测信号(例如I_LD)被接收。在步骤530，温度依赖参考信号(例如I_TDREF)和光探测信号(例如I_LD)被比较。基于比较结果，输出信号被生成，其维持与预定输入信号(例如I_LS)的信号完整性。
根据本发明的机制可用于多种应用，例如其中需要两个地电势的应用或系统、其中需要电平位移的应用、需要第一电路和第二电路之间的电隔离的其他应用。例如，根据本发明的光耦合器系统可被实现来提供逻辑电路(例如利用标准5V功率信号)和利用较高的功率信号并可能利用浮动地来工作的模拟控制电路(例如马达控制电路或其他工业应用)之间的隔离。根据本发明的机制还可用于需要高电压信号和人类接口(例如逻辑接口)之间的隔离的应用。
注意，根据本发明的机制并不限于上述实施例和应用，而是可用在其他应用中来减小工作温度改变所导致的导通阈值信号变化(例如参考信号中的变化)。此外，根据本发明的机制可被用在其他应用中，以维持在温度变化时输入信号(例如光源电流)和输出信号(例如V_out)之间的信号完整性。
在以上的说明书中，已参照具体实施例描述了本发明。但是很明显，在不脱离本发明的更大范围的情况下可对其作出多种修改和改变。因此，说明书和附图应被理解为说明性的而非限制性的。

Claims (16)

1.一种用于生成跟踪光源的温度系数的输出信号的装置，包括：
生成第一信号的绝对温度比例电流源电流；以及
生成第二信号的绝对温度相补电流源电路；其中所述跟踪光源的温度系数的输出信号是基于所述第一信号和所述第二信号的。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述光源是发光二极管；其中所述光源的温度系数是发光二极管的温度系数。
3.一种系统，包括：
生成光源信号的光源信号生成器；
耦合到所述光源信号生成器的光源，所述光源响应于所述光源信号发光；
光耦合到所述光源的光探测器，所述光探测器接收所述光并响应于所接收的光生成光探测器信号；
生成温度依赖参考信号的机制；
其中所述温度依赖参考信号被用来生成输出信号，该输出信号基本维持与所述光源信号之间的信号完整性。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述生成温度依赖参考信号的机制包括：
耦合到所述光探测器的比较器，以及将所述温度依赖参考信号和所述光探测信号进行比较的机制。
5.如权利要求3所述的系统，其中所述生成温度依赖参考信号的机制包括：
生成与绝对温度成正比的第一信号的第一电路；
生成与绝对温度相补的第二信号的第二电路；
其中所述第一信号和所述第二信号被用来生成所述温度依赖参考信号。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述第一电路包括绝对温度相补电流源。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述第一电路还包括电流镜。
8.如权利要求5所述的系统，其中所述第二电路包括绝对温度比例电流源。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述第二电路还包括电流镜。
10.如权利要求3所述的系统，其中所述生成温度依赖参考信号的机制还包括电流镜。
11.如权利要求3所述的系统，其中所述系统是光耦合器系统。
12.一种用于将参考信号与光探测信号进行比较的方法，包括：
生成随温度变化的温度依赖参考信号；
接收所述光探测信号；
将所述温度依赖参考信号和所述光探测信号进行比较；
基于所述比较，生成维持了与预定输入信号之间的信号完整性的输出信号。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述生成随温度变化的温度依赖参考信号的步骤包括：
生成与绝对温度成正比的第一信号；
生成与绝对温度相补的第二信号；
使用所述第一信号和所述第二信号来生成所述温度依赖参考信号。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述温度依赖参考信号跟踪光源的温度系数。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述预定输入信号是光源信号；其中所述输出信号是电压输出信号。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述方法被实现在光耦合器系统中。
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