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高速SFF/SFP激光驱动器MAX3738的应用

Application of High Speed SFF/SFP Laser Driver MAX3738

武警工程学院 彭月平


摘 要:本文介绍了MAX3738的主要特点、内部结构及工作原理,并结合典型应用电路,介绍了其应用设计过程。

关键词:MAX3738;ERC;APC;激光二极管


概述

MAX3738是美国MAXIM公司生产的带有消光比控制的高速激光驱动器,工作速率为1Gbps~2.7Gbps,可用作千兆以太光纤网络系统中的收发器。该产品与以往同类产品相比,不仅具有传输速率高、供电电流小、输出平均功率恒定和安全稳定等特点,而且在激光管的使用寿命期间和温度变化范围内,能始终保持消光比恒定,此外,与外接激光管可采用直流耦合方式,在减少元件数的同时,使多速率工作模式变得简易。


内部结构及工作原理

MAX3738内部结构如图1所示,内部电路主要包括高速调制驱动电路、消光比控制电路和安全逻辑控制电路。高速调制驱动电路包括输入级和输出级两部分,主要由输入缓冲、数据通道和高速差分对组成,其功能是对输入信号进行调制,并为外部激光管提供所需的激励信号。消光比控制电路主要包括两部分:自动功率控制(APC)电路和自动调制控制(AMC)电路,其中AMC电路包括固定调制电流设置电路、温度补偿电路和偏置电流对调制电流补偿电路,其主要作用是与监控光二极管形成反馈控制电路,通过对偏置电流和调制电流的动态控制调节,维持消光比恒定。安全逻辑控制电路主要包括传输控制电路、锁存失效输出电路和失效指示电路,主要功能是为驱动器正常工作提供安全保障,对驱动器工作状态进行监控,同时提供驱动器工作状态和失效信息。

工作过程:MAX3738采用APC工作模式,当MAX3738正常工作时,数据从IN 端和IN+端输入,经输入缓冲电路和数据通道处理后,控制差分对调制器输出以实现调制,调制后的信号从OUT 端和OUT+端输出,去驱动外接激光管;当输出功率变化时,反馈信号从MD端输入,消光比控制电路通过调节调制电流和偏置电流变化,来自动维持平均输出功率和光幅度功率的稳定;当温度变化超过阀值时,温度补偿电路起作用,通过调节调制电流以维持功率稳定;当电路发生故障和其它意外情况发生时,安全电路起作用,SHUTDOWN端输出控制信号关闭激光管输出,同时TX_FAULT端输出警告信号。

图1 MAX3738内部结构示意图(略)


应用设计

MAX3738集成度高,应用时要求用户设计的外围电路非常少,主要设计工作是选择合适的激光管和各种相关电流的设计。

激光管的选择

用户在利用MAX3738设计光收发器时,在充分了解MAX3738的电气特性后,首要工作是根据应用实际需求选择合适的激光管。一般情况下,光输出功率用平均光功率和消光比描述,用户首先根据所需光输出功率来确定所需激光管的输出平均功率和消光比,而且在满足输出功率的前提下,应尽量使消光比大一些;在输出功率和消光比确定后,可根据表1中功率关系来确定激光管的其它参数,根据这些参数来选择满足条件的激光管。

表1:光功率关系表(略)

相关电流的设计

MAX3738最大优点是能维持消光比稳定,由表1可知:消光比(re)由最大光功率(P1)和最小光功率(P0)的比值所确定,而由表1可推出:

P_{1}=2P_{AVG}+P_{P P};P_{0}=2P_{AVG} P_{P-P} ,式中各参数物理意义见表1。

因此,只要保持平均光功率(PAVG)和光幅度功率(PP-P)稳定,即可维持消光比(re)的稳定。在MAX3738中, APC电路通过调节偏置电流变化以维持平均光功率(PAVG)的稳定,而AMC电路通过调节调制电流变化以维持光幅度功率(PP-P)的稳定。下面具体分析与该电路有关的电流的设计。

监控光二极管反馈电流IMD的设计

在APC电路中,偏置电流的调节是通过监控光二极管反馈电流(IMD)的变化来实现的,APC内部电路与外接监控光二极管形成一闭环反馈控制回路,当输出光平均功率变化时,通过监控光二极管的反馈电流(IMD)也发生变化,APC内部电路就根据这种变化相应调整偏置电流变化,以维持光平均功率的稳定。因此,反馈电流(IMD)的大小直接决定着APC电路作用效果。
当激光管选定后,转移系数 MON即可确定,如表1所示。当用户确定平均光功率后,即可根据公式: P_{AVG}=\frac{I_{MD}}{ _{MON}}来确定IMD理论值。

在MAX3738中,反馈电流IMD由APCSET端外接电阻设定,因此IMD设计的实质是确定APCSET端外接电阻RAPCSET值。用户根据下式可确定RAPCSET值:

I_{MD}=\frac{1}{2} \frac{V_{REF}}{R_{APCSET}},式中:VREF为MAX3738内部参考电压,典型值为1.3V。
RAPCSET确定后,实际提供的反馈电流IMD就确定,APC电路会根据IMD变化自动调整偏置电流IBIAS,以维持平均光功率的稳定。

调制电流IMOD的设计

光幅度功率(PP-P)变化与调制电流IMOD的有直接关系,MAX3738就是通过调节调制电流IMOD以维持光幅度功率稳定。

当激光管选定后,用户可根据表1关系式推出调制电流IMOD的计算公式,如下所示:

I_{MOD}=2 \frac{P_{AVG}}{ } \frac{r_{e} 1}{r_{e}+1},式中各参数物理意义见表1 。

调制电流由三部分组成:固定调制电流(IMODS)、偏置补偿调制电流((K I_{BIAS}) )和温度补偿调制电流(IMODT)。

(1)固定调制电流(IMODS)

固定调制电流是在理想工作条件下(温度不变和输出功率恒定),驱动器所需的调制电流由MAX3738内部电路和MODSET端外接电阻所确定。通常用户首先根据实际要求,确定所需要的固定调制电流(IMODS),然后根据下式来确定MODSET端外接电阻(RMODSET)值。

I_{MODS}=268 \frac{V_{REF}}{R_{MODSET}} ,其中,VREF为MAX3738内部参考电压,典型值为1.3V。

(2)偏置补偿调制电流 (K I_{BIAS})

偏置补偿调制电流是偏置电流变化所引起的,其作用大小由补偿因子K值确定,K值大小由MODBCOMP端外接电阻所确定。在应用中,用户首先应根据偏置电流和调制电流变化确定合适的补偿因子K,然后根据K值确定MODBCOMP端外接电阻(RMODBCOMP)值。

确定补偿因子K计算公式为:K=\frac{ I_{MOD}}{ I_{BIAS}}=\frac{I_{MOD2} I_{MOD1}}{I_{BIAS2} I_{BIAS1}} ;

确定RMODBCOMP的计算公式为: K=\frac{1700}{1000+R_{MODBCOMP}}\phantom{1.5}10%。

(3)温度补偿调制电流(IMODT)

温度补偿调制电流是温度超过阀值温度所引起的,其作用是补偿温度变化对调制电流的影响,温度补偿调制电流(IMODT)的计算公式为:

当T≤T_{TH}时:I_{MODT}=0 ;

当T>T_{TH}时: I_{MODT}=TC (T T_{TH});其中,TTH为温度阀值,其值由TH_TEMP端外接电阻(RTH_TEMP)所确定;TC为温度补偿系数,其值由MODTCOMP端外接电阻(RMODTCOMP)所确定。

应用时,用户应根据实际情况确定合适的温度阀值和温度补偿系数,然后根据下列公式确定RTH_TEMP和RMODTCOMP:

公式(略)

APC环路滤波电容的设计

在APC电路中,滤波电容CAPC的作用是延迟APC电路作用时间,减少低频信号干扰。滤波电容CAPC值由低频截止频率 _{3DB}确定,通常用户根据要求确定低频截止频率 _{3DB},然后根据下式确定CAPC的值:

C_{APC}( F)≈\frac{68}{∫_{3DB}(KH_{Z})} _{MON} ,式中参数如表1所示。

为滤除高频噪声,在MD端需接一下拉电容CMD接地,一般情况下,CMD近似为CAPC值的四分之一。

应注意的问题

在设计过程中,为使电路正常工作,各种电流有一定的条件限制。若所需调制电流不大于60mA,MAX3738和外接激光管可采用直流耦合方式;若调制电流大于60mA,则应采用交流耦合方式。不管采用哪种耦合方式,在输出端OUT+ ,各种电流应满足如下要求:

对于直流耦合:V_{OUT+}=V_{CC} V_{DIODE} I_{MOD} (R_{D+R_{L}}) I_{BIAS} R_{L}≥0.7V ,式中:VDIODE:激光二极管偏置端电压,典型值为1.2V;RL:激光二极管偏置端电阻,典型值为5 ;RD:串行匹配电阻,典型值为20 。

对于交流耦合:V_{OUT+}=V_{CC} \frac{I_{MOD}}{2} (R_{d}+R_{l})≥0.75V ,式中参数同上。

此外,由于MAX3738是高频产品,电路布局对其影响很大。在电路设计时,应采用性能优越的高频布局技术,用户应采用具有公共接地层的多层电路板,以降低电磁干扰和交调失真;电路板应采用低损耗的介质材料,以减少能量损耗;数据输入端引线和调制输出端引线应采用阻抗可控的传输线,便于调整电路,减少能量损耗和降低干扰。

典型应用电路

MAX3738典型应用电路如图2所示,图中所标元器件值为典型值,未标元器件需要用户在具体设计中确定,激光管采用直流耦合方式。

图2 MAXZ3738典主型应用电路(略)

结束语

MAX3738激光驱动器具有同类产品无法比拟的优点,主要在于它带有APC电路和AMC电路,从而能保持消光比恒定,同时适合多种高速传输速率,因此该产品在光纤通信中有一定的应用前景。

         
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