发光元件驱动电路以及便携式电子设备的制作方法

本发明涉及对照射的光反射而返回的时间进行测量，并求出至物体为止的距离的tof方式(timeofflight方式)的接近传感器、测距传感器等所使用的发光元件驱动电路、以及包括发光元件驱动电路的便携式电子设备。

背景技术：

近年来，智能手机等便携式信息终端广泛普及。由于照相机、接近传感器、方位传感器、加速度传感器、角速度传感器、照度传感器等的小型化，而能够在该便携式信息终端搭载各种传感器。内置于便携式信息终端的照相机的自动对焦以往一般使用利用图像的对比度而进行照相机的自动对焦(af)的方法。但是，利用对比度的af具有在暗处等拍摄对象物的对比度低的情况下af速度极端降低，透镜的调焦进展迟缓之类的弱点。因此，有在暗处也能够进行高速的af的小型高速的测距传感器的需求，近年来，tof方式的af用测距传感器开始搭载于便携式信息终端。并且，在安全用途中，对面部识别等二维的距离信息进行输出的传感器的需求也一直在增加。

另外，在无人机等机器人用途中，也谋求小型轻型的测距传感器，与使用三角测量方式的psd受光元件的测距传感器比较而有利于小型化的tof方式的测距传感器较为实用。

图8是表示以往的tof型测距传感器所使用的vcsel驱动电路100的框图。vcsel驱动电路100包括：定电流源io；连接有漏极和栅极且成为电流镜的基准的nmos晶体管nm0；以及漏极连接于vcsel的阴极侧的nmos晶体管nm1～nm4。vcsel驱动电路100通过控制信号adj0～adj3，能够在8io～120io的范围对vcsel的驱动电流进行15级的调整。在该vcsel驱动电路100的情况下，由于电源电压vcc、vcsel的正向电压(vf)的变动，使nmos晶体管nm1～nm4的漏极电压变动，从而存在驱动电流变动这样的问题。

与上述的问题相关，使成为基准的电流镜的晶体管的漏极-源极间电压、与驱动发光元件的晶体管的漏极-源极间电压相同的现有技术公开于专利文献1、2。但是，现有技术是使流过多个电流产生源件的电流均匀的技术，无法应用于发光元件的脉冲发光的情况下的驱动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-237382号公报(2006年9月7日公开)

专利文献2：日本特开2013-187447号公报(2013年9月19日公开)

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题

本发明的一方式目的在于在使发光元件脉冲发光的发光元件驱动电路中抑制驱动电流的变动。

解决问题的手段

为了解决上述的课题，本发明的一方式的发光元件驱动电路是在发光期间使发光元件脉冲发光的发光元件驱动电路，其包括驱动调整部，该驱动调整部在上述发光期间前的预发光期间，以使定电流电路所含的第一晶体管的漏极的电压亦即第一电压、与驱动上述发光元件的第二晶体管的漏极的电压亦即第二电压相同的方式进行调整。

发明效果

根据本发明的一方式，能够在使发光元件脉冲发光的发光元件驱动电路中抑制驱动电流的变动。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的vcsel驱动电路的框图。

图2是本发明的实施方式1的tof方式的测距传感器的剖视图。

图3是本发明的实施方式1的tof方式的测距传感器的框图。

图4是本发明的实施方式1的tof方式的测距传感器的vcsel发光序列图。

图5是本发明的实施方式2的vcsel驱动电路的框图。

图6是本发明的实施方式3的vcsel驱动电路的框图。

图7是本发明的实施方式3的tof方式的测距传感器的剖视图。

图8是以往的vcsel驱动电路的框图。

具体实施方式

〔实施方式1〕

以下，对本发明的一实施方式详细地进行说明。

(vcsel驱动电路)

图1示出本发明的实施方式1的发光元件驱动电路亦即vcsel驱动电路10的框图。vcsel驱动电路10在发光期间使作为发光元件的vcsel12脉冲发光。vcsel驱动电路10例如被用于tof方式的对直至对象物50为止的距离进行测定的测距传感器。

vcsel驱动电路10包括vcsel12以及驱动控制部14。

vcsel12输出脉冲光。

驱动控制部14驱动vcsel12。

驱动控制部14包括定电流电路14＿1、驱动调整部14＿2、发光驱动部14_3。

定电流电路14＿1包括：作为两个第一晶体管的pmos晶体管mp0以及nmos晶体管mb0、及定电流源io。

对于pmos晶体管mp0而言，栅极接地于gnd线，源极与定电流源io、以及后述的nmos晶体管mb1的栅极连接，漏极与nmos晶体管mb0的漏极连接。

对于nmos晶体管mb0而言，栅极与定电流源io、以及nmos晶体管mb1的栅极连接，源极接地于gnd线，漏极与pmos晶体管mp0的漏极连接。

定电流电路14＿1将成为电流镜的基准的电压向发光驱动部14_3输出。

驱动调整部14＿2在发光期间前的预发光期间，以使pmos晶体管mp0以及nmos晶体管mb0的漏极的电压(第一电压)与nmos晶体管mb1的漏极的电压(第二电压)相同的方式调整。驱动调整部14＿2至少包括运算放大器amp1、nmos晶体管ma1、以及开关sw1。

运算放大器amp1在输入端连接有pmos晶体管mp0以及nmos晶体管mb0的漏极和nmos晶体管mb1的漏极。运算放大器amp1是供第一电压和第二电压输入的差分放大器。

nmos晶体管ma1具有：根据运算放大器amp1的输出来调整nmos晶体管mb1的漏极电压的功能。在图4中的预发光(pre发光)期间，在pmos晶体管mp1接通状态下，在开关信号sh为高电平的情况下，开关sw1接通。运算放大器amp1在图4中的预发光的期间施加反馈，以使运算放大器amp1的+输入(pmos晶体管mp0的漏极、以及nmos晶体管mb0的漏极)与-输入(nmos晶体管mb1的漏极)成为相同电压。开关sw1在预发光的期间中接通，在预发光期间的结束之前，开关信号sh成为低电平而断开。将预发光期间的结束时的运算放大器amp1的输出电压作为电容器c1的两端的电压而取样保持。取样保持的电容器c1的电压被缓冲放大器buf1缓冲，施加于nmos晶体管ma1的栅极。由此，在pmos晶体管mp1接通的期间(即，vcsel12的发光期间)，保持nmos晶体管mb0的漏极的电压、与nmos晶体管mb1的漏极的电压相同的状态，流过vcsel12的电流稳定。

vcsel12的发光期间的脉冲宽度为预发光期间的脉冲宽度的1/1000以下，因此vcsel12的发光期间无法进行反馈的控制。因此，在本实施方式中，在预发光期间施加反馈，保持预发光期间的结束时的状态。

发光驱动部14＿3至少包括pmos晶体管mp1、nmos晶体管mb1、偏置电流源ibias＿p、以及偏置电流源ibias＿n。

nmos晶体管mb1是驱动vcsel12的第二晶体管。

pmos晶体管mp1在drv信号为高电平的情况下接通。在开关sw1接通并且pmos晶体管mp1接通的情况下，在vcsel12流动有驱动电流。

与pmos晶体管mp1并列连接的偏置电流源ibias＿p、和与nmos晶体管mb1并列连接的偏置电流源ibias＿n是相同电流的电流源，总是在vcsel12流动dc电流。通过由偏置电流源ibias＿p和偏置电流源ibias＿n产生的dc电流，从而能够降低脉冲发光的情况下的响应延迟。

nmos晶体管mb0的栅极与流动有nmos晶体管mb0的n倍的电流的nmos晶体管mb1的栅极连接。

驱动调整部14＿2以使pmos晶体管mp0以及nmos晶体管mb0的漏极的电压与nmos晶体管mb1的漏极的电压相同的方式调整。由此，驱动控制部14能够正确地将施加于vcsel12的驱动电流控制为n×io。

(测距传感器)

图2表示tof方式的测距传感器1的剖视图。测距传感器1例如能够搭载于智能手机等便携式信息终端。

测距传感器1包括vcsel12、驱动控制部14、参考侧spad阵列16、返回侧spad阵列18、遮光壁20、滤光片22、滤光片23、以及聚光透镜24。

如图2所示，参考侧spad阵列16仅供来自vcsel12的直射光入射。参考侧spad阵列16直接接受vcsel12所输出的脉冲光。

另外，返回侧spad阵列18仅供被检测对象物50反射的脉冲光入射，并受光。

遮光壁20配置于参考侧spad阵列16与返回侧spad阵列18之间。遮光壁20防止来自vcsel12的直射光进入返回侧spad阵列18。

滤光片22是使vcsel12的发光波长附近的波长通过的带通滤波器。

聚光透镜24配置在通过了滤光片22的光的光路上。返回侧spad阵列18的成像位置根据检测对象物50的位置而改变。

图3是表示tof方式的测距传感器1的框图。

测距传感器1除了vcsel12、驱动控制部14、参考侧spad阵列16以及返回侧spad阵列18之外，还包括与参考侧spad阵列16对应的spad前端26、与返回侧spad阵列18对应的spad前端28、delaylockloop(dll)30、时间差测定计时器32、数据寄存器34、spad偏置控制块36、以及hv产生电路38。

参考侧spad阵列16、以及返回侧spad阵列18分别连接有对应的spad前端电路26、28。spad前端电路26、28对所对应的spad阵列16、18输出的脉冲信号进行波形整形。

spad前端电路26、28连接于dll30。spad前端电路26、28将dll30所波形整形的信号输出。

dll30对由spad前端28波形整形过的返回侧的脉冲光、与由spad前端26波形整形过的参考侧的脉冲光的时间差的平均值进行检测。dll30所检测出的时间差相当于测距传感器1与检测对象物50的距离的光的飞行时间tof相当。

时间差测定计时器32通过由计时器测量dll30所检测到的时间差，从而对从测距传感器10直至检测对象物50的距离进行计算。

数据寄存器34储存数据化的距离。

(测距传感器的动作序列)

图4表示tof方式的测距传感器1的动作序列。如图4所示那样，一次测距的动作期间能够分为(1)测定前初始设定期间、(2)距离测定期间1(vcsel发光、dll收敛期间)、以及(3)距离测定期间2(平均化、距离数据寄存器储存)这三个期间。

(1)的测定前初始设定期间包括：(1)-2的主动断开设定期间、(1)-2的预发光期间、以及(1)-3的vhv电压设定期间。

在(1)-1中，spad偏置控制块36进行与在参考侧spad阵列16以及返回侧spad阵列18配设的spad受光元件连接的主动断开电阻的设定。

在(1)-2中，驱动调整部14＿2使开关信号sh成为高电平而使开关sw1成为接通状态，进行vcsel12的预发光。在(1)-2的期间，驱动调整部14＿2以使pmos晶体管mp0以及nmos晶体管mb0的漏极的电压、与nmos晶体管mb1的漏极的电压相同的方式调整。调整后，驱动调整部14＿2使开关信号sh成为低电平而使开关sw1成为断开状态，保持图1所示的电容器c1的电位，以使vcsel12的驱动电流成为恒定值的方式控制。

在(1)-3中，驱动控制部14使vcsel12脉冲发光。另外，在(1)-3中，spad偏置控制块36对施加于参考侧spad阵列16以及返回侧spad阵列18的偏置电压(vhv)进行设定。由此，参考侧spad阵列16以及返回侧spad阵列18在距离测定期间前进行初始设定，以使得以最佳的盖革模式进行动作。

(2)的距离测定期间1包括：(2)-1的预发光期间、以及(2)-2的vcsel发光以及dll收敛期间。

在(2)-1的预发光期间，驱动调整部14＿2再次进行vcsel12的预发光，以使vcsel12的电流成为恒定值的方式控制。

在(2)-2的vcsel发光以及dll收敛期间，驱动控制部14使vcsel12脉冲发光而测定距离，使dll收敛。

在(3)的期间，对收敛的dll的延迟量进行计数而使从测距传感器1直至检测对象物50的距离数据化，储存于数据寄存器34。此处，在(1)的测定前初始设定期间使vcsel12发光而调整vhv电压的情况下，使(1)的测定前初始设定期间的vcsel12的发光量少于(2)的距离测定期间1的距离的测定的vcsel12的发光量。由此，能够抑制消耗电流。在(1)-3的vhv电压设定期间，spad偏置控制块36供来自vcsel12的直射光入射，对参考侧spad阵列16的脉冲数进行计数来调整vhv电压。换句话说，调整为所需要最低限度的光量，因此能够低消耗电流化。

即，发光期间包括：进行(2)-2的距离的测定的距离测定期间、以及设定vcsel12的偏置电压的(1)-3的vhv电压设定期间这两个期间。而且，在两个期间各自之前设置预发光期间((1)-2以及(2)-1)。

〔实施方式2〕

参照图5，以下对本发明的其他实施方式进行说明。此外，为了方便说明，对具有与上述实施方式中说明的部件相同的功能的部件，标注相同的符号，不重复其说明。

图5表示能够被用于本实施方式的tof方式的测距传感器的vcsel驱动电路1a的框图。

本实施方式的vcsel驱动电路1a在多个nmo晶体管对(ma1、mb1)、(ma2、mb2)、(ma3、mb3)、(ma4、mb4)、(ma5、mb5)连接于vcsel12的阴极侧这点上与上述实施方式不同。

发光驱动部14＿3a包括nmos晶体管ma1～ma5、nmos晶体管mb1～mb5。nmos晶体管ma1～ma5漏极连接于vcsel12的阴极侧。

nmos晶体管mb0的栅极与nmos晶体管mb1的栅极连接。nmos晶体管mb0的栅极经由作为变更部的开关部swa0而与流动有nmos晶体管mb0的8倍的电流的nmos晶体管mb2的栅极连接。nmos晶体管mb0的栅极经由开关部swa1而与流动有nmos晶体管mb0的16倍的电流的nmos晶体管mb3的栅极连接。nmos晶体管mb0的栅极经由开关部swa2而与流动有nmos晶体管mb0的32倍的电流的nmos晶体管mb4的栅极连接。nmos晶体管mb0的栅极经由开关部swa3而与流动有nmos晶体管mb0的64倍的电流的nmos晶体管mb5的栅极连接。

开关部swa0～swa3通过选择信号sel0～sel3来切换接通断开。通过各个开关部swa0～swa3的切换，能够变更上述两个期间(图4所示的(1)-3以及(2)-2)的各自的vcsel12的驱动电流。

通过由选择信号sel0～sel3进行的各个开关部swa0～swa3的切换，能够将vcsel12的驱动电流进行io、9×io、17×io、25×io、33×io、41×io、49×io、57×io、65×io、73×io、81×io、89×io、97×io、105×io、113×io、121×io的16级的调整。

在nmos晶体管ma1～ma5各自的栅极施加有相同的电压，因此即使vcsel12的正向电压变动，也能够使驱动电流恒定。

〔实施方式3〕

参照图6、图7，以下对本发明的其他实施方式进行说明。此外，为了方便说明，对具有与上述实施方式中说明的部件相同的功能的部件标注相同的符号，不重复其说明。

图6表示能够被用于本实施方式的tof方式的测距传感器的vcsel驱动电路10b的框图。图7表示使用集成多个vcsel1～5的vcsel阵列12b的测距传感器1b的剖视图。测距传感器1b采用2d-tof方式，能够生成距离图像。

本实施方式的vcsel驱动电路10b在以时分割的方式驱动多个vcsel这点上，与上述实施方式不同。

vcsel驱动电路10b包括多个vcsel1(12b＿1)～vcseln(12b＿n)。

与vcsel1(12b＿1)对应设置有nmos晶体管ma1、nmos晶体管mb1、根据选择信号sel1切换的三处开关部swb1、swc1、swd1。

nmos晶体管mb1的漏极经由开关部swc1而与运算放大器amp1的-输入连接。开关部swc1通过选择信号sel1来切换接通断开。若根据选择信号sel1而开关部swc1成为连接状态，则nmos晶体管mb1的漏极与运算放大器amp1的-输入连接。

另外，vcsel1(12b＿1)经由开关部swd1而与偏置电流源ibias_n连接。开关部swd1通过选择信号sel1来切换接通断开。若根据选择信号sel1而开关部swd1成为连接状态，则vcsel1(12b＿1)与偏置电流源ibias＿n连接。

另外，nmos晶体管mb1的栅极经由开关部swb1而与nmos晶体管mb0的栅极连接。开关部swb1通过选择信号sel1来切换接通断开。

此外，切换三处开关部swb1、swc1、swd1的选择信号sel1相同。

针对vcsel2(12b＿2)～vcseln(12b＿n)，也构成为与vcsel1(12b＿1)相同。

驱动控制部14b在驱动vcsel阵列12b的情况下，通过选择信号sel1～seln，能够选择任意的vcsel1(12b＿1)～vcseln(12b＿n)而以时分割的方式发光。例如，在使vcsel1(12b＿1)发光的情况下，使选择信号sel1成为高电平而使由nmos晶体管ma1和nmos晶体管mb1构成的电流镜活性化。

在nmos晶体管ma1～man各自的栅极施加有相同的电压，因此在vcsel阵列12b的各vcsel的正向电压变动的情况下，也能够使驱动电流成为恒定。

在本实施方式中，以与图4所示的动作序列相同的动作序列驱动，因此能够高精度地控制vcsel的驱动电流。

〔总结〕

本发明的方式1的发光元件驱动电路(vcsel驱动电路10)是在发光期间使发光元件(vcsel12)脉冲发光的发光元件驱动电路(vcsel驱动电路10)，其包括驱动调整部14＿2，该驱动调整部14＿2在上述发光期间前的预发光期间，以使定电流电路14＿1所含的第一晶体管(pmos晶体管mp0以及nmos晶体管mb0)的漏极的电压亦即第一电压、与驱动上述发光元件(vcsel12)的第二晶体管(nmos晶体管mb1)的漏极的电压亦即第二电压相同的方式进行调整。

根据上述的结构，在使发光元件脉冲发光的发光元件驱动电路，能够抑制驱动电流的变动。

对于本发明的方式2的发光元件驱动电路(vcsel驱动电路10)而言，在上述方式1中，也可以上述驱动调整部14＿2包括：差分放大器(运算放大器amp1)，其供上述第一电压和上述第二电压输入；以及电容器c1，其保持上述预发光期间的结束时的上述差分放大器(运算放大器amp1)的输出电压，上述差分放大器(运算放大器amp1)在上述预发光期间施加反馈，以使得输入上述差分放大器(运算放大器amp1)的上述第一电压与上述第二电压成为相同电压。

根据上述的结构，能够以使第一电压与第二电压相同的方式进行调整。

对于本发明的方式3的发光元件驱动电路(vcsel驱动电路10a)而言，在上述方式1或者2中，也可以该发光元件驱动电路(vcsel驱动电路10a)被用于从该发光元件驱动电路(vcsel驱动电路10a)直至对象物(检测对象物50)的tof方式的距离的测定，上述发光期间包括：进行上述距离的测定的距离测定期间、以及设定上述发光元件(vcsel12)的偏置电压的设定期间这两个期间，在上述两个期间的各自前设置上述预发光期间，包括变更部(开关部swa0～swa3)，该变更部(开关部swa0～swa3)对上述两个期间各自的上述发光元件的驱动电流进行变更。

根据上述的结构，能够多级变更vcsel的驱动电流。

对于本发明的方式4的发光元件驱动电路(vcsel驱动电路10)而言，在上述方式1～3中，也可以上述定电流电路14＿1包括两个上述第一晶体管(pmos晶体管mp0以及nmos晶体管mb0)、以及定电流源io，对于上述第一晶体管的一方(pmos晶体管mp0)而言，栅极与上述定电流源连接，源极接地，漏极与上述第一晶体管的另一方(nmos晶体管mb0)的漏极连接，对于上述第一晶体管的另一方(nmos晶体管mb0)而言，栅极接地，源极与上述定电流源连接，漏极与上述第一晶体管的一方(pmos晶体管mp0)的漏极连接。

根据上述的结构，能够输出成为电流镜的基准的电压。

对于本发明的方式5的发光元件驱动电路(vcsel驱动电路10b)而言，在上述方式1～4中，也可以该发光元件驱动电路(vcsel驱动电路10a)以时分割的方式驱动多个上述发光元件(vcsel1(12b＿1)～vcseln(12b＿n))。

根据上述的结构，采用2d-tof方式，能够生成距离图像。

本发明不限定于上述的各实施方式，能够在权利要求所示的范围内能够进行各种变更，将不同实施方式多分别公开的技术手段适当地组合而得到的实施方式也包含于本发明的技术的范围。并且，通过将各实施方式所分别公开的技术手段组合，能够形成新的技术特征。

附图标记说明

10、10a、10bvcsel驱动电路(发光元件驱动电路)

14＿1、14＿1a、14＿1b定电流电路

14＿2、14＿2a、14＿2b驱动调整部

io定电流源

mp0pmos晶体管(第一晶体管)

mb0nmos晶体管(第一晶体管)

mb1nmos晶体管(第二晶体管)

amp1运算放大器(差分放大器)

ma1nmos晶体管(开关元件)

swa0、swa1、swa2、swa3开关部(变更部)