帶調(diào)制補(bǔ)償?shù)募す怛?qū)動(dòng)器MAX3863及其應(yīng)用

關(guān)鍵詞：MAX3863 APC 調(diào)制補(bǔ)償 激光 驅(qū)動(dòng)器

1 概述

MAX3863是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的帶有調(diào)制補(bǔ)償的激光驅(qū)動(dòng)器，適用于在傳輸速率為2.7Gbps的光纖網(wǎng)絡(luò)中，可用作WDM和SONET/SDH傳輸系統(tǒng)中的光發(fā)射機(jī)。該產(chǎn)品的輸出光平均功率和消光比不隨溫度變化，而且在激光管的使用壽命期間能始終保持消光比恒定。MAX3863的主要特性如下：

*采用3.3V的單電源工作；

*僅需58mA的供給電流；

*具有高達(dá)2.7Gbps的傳輸速率；

*內(nèi)含帶調(diào)制補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)功率控制（APC）電路；

*偏置電流帶有設(shè)置（可達(dá)100mA）端和電流調(diào)制（可達(dá)80mA）端；

*僅有低至50ps的上升沿時(shí)間/下降沿時(shí)間；

*具有電路工作失效警告和ESD保護(hù)功能。

圖1 MAX3863內(nèi)部原理框圖

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MAX3863的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由高速調(diào)制電路、電流監(jiān)視電路和帶調(diào)制補(bǔ)償?shù)腁PC電路組成。其中高速調(diào)制電路包括輸入級(jí)電路和輸出級(jí)電路，主要功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并為外部激光管提供所需的激勵(lì)電流信號(hào)；電流監(jiān)視電路主要是為用戶提供驅(qū)動(dòng)器的工作失效信息；APC電路能自動(dòng)調(diào)整激光管的偏置電流和調(diào)制電流，以維持光輸出平均功率穩(wěn)定和激光管的消光比恒定。

當(dāng)MAX3863正常工作時(shí)，數(shù)據(jù)從DATA-端和DATA+端輸入并經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器重新定時(shí)同步后，控制高速差分調(diào)制器輸出以實(shí)現(xiàn)調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)將從MOD端和MODN端輸出，云驅(qū)動(dòng)外接激光管；當(dāng)電路發(fā)生故障或其它意外情況發(fā)生時(shí)，輸出關(guān)閉，同時(shí)FAIL端輸出低電平以示警告；當(dāng)輸出功率變化或激光管的消光比發(fā)生變化時(shí)，APC電路使監(jiān)控反饋電流信號(hào)從MD端輸入，并經(jīng)比較器比較放大后控制外接激光器的偏置電流和內(nèi)部差分調(diào)制器的調(diào)制電流，從而達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)定輸出功率和消光比之目的。

2.2 引腳功能

MAX3863的引腳排列圖如圖2所示，現(xiàn)將各引腳的功能描述如下：

Vcc(1,4,5,8,14,19,22,27)：電源供給端；

DATA-(2)、DATA+（3）：分別為數(shù)據(jù)反、正向輸入端；

CLK+（6），CLK-(7)：分別為用于數(shù)據(jù)重定時(shí)的時(shí)鐘正向、反向輸入端；

APCSET(9)：監(jiān)控二極管反饋電流參考設(shè)置端；

APCFILT1(10),APCFILT2(11)：外接APC環(huán)路濾波電容端。凈APCFILT1短路接地時(shí)可使通過監(jiān)控二極管的調(diào)整電路失效。在設(shè)計(jì)時(shí)，APCFILT1和APCFILT2通過電容相連（電容典型值為0.01μF）可延長(zhǎng)監(jiān)控反饋電流的作用時(shí)間；

PWC+(12),PWC-(13)：輸入調(diào)制脈沖信號(hào)寬度調(diào)整端，應(yīng)用時(shí)可通過調(diào)整電阻（RPWC）接地；

MK+（15），MK-(16)：監(jiān)視輸入脈沖信號(hào)強(qiáng)度正向、反向輸出端；

FALL(17):驅(qū)動(dòng)器電路失效警告端，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器電路失效時(shí)，該腳輸出低電平；

BIAS(18)：偏置電流輸出入端，一般通過電感線圈與激光管連接；

MOD(20)，MODE(21)：調(diào)制信號(hào)輸出端；

MD(23)：監(jiān)控光二極管反饋輸入端；

MDMON(24):監(jiān)控反饋電流監(jiān)視輸出端；

MODMON(25):調(diào)制電流監(jiān)視輸出端；

BIASMON(26)：偏置電流監(jiān)控輸出端；

MODCOMP(28)：偏置電流與調(diào)制電流的耦合量設(shè)置端；

MODSET(29)：固定調(diào)制電流設(shè)置端；

BIASMAX(30)：激光管偏置電流設(shè)置端，可通過外接電阻來設(shè)置激光管偏置電流的最大值；

EN(31)：輸出控制端，低電平有效；

RTEN(32)：數(shù)據(jù)重定時(shí)控制端，低電平有效。

3 應(yīng)用設(shè)計(jì)

MAX3863是MAXIM公司的第二代激光驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，由于集成度高，因此應(yīng)用時(shí)需要用戶設(shè)計(jì)的電路比較少。但由于MAX3863傳輸速率高達(dá)2.7Gbps，電路布局對(duì)性能影響很大，因此設(shè)計(jì)時(shí)也具有一定的難度。設(shè)計(jì)工作主要是選擇激光管和設(shè)計(jì)各種相關(guān)電流。MAX3863在應(yīng)用時(shí)，外接激光管一般應(yīng)采用交流耦合方式，圖3所示是MAX3863的交流耦合典型應(yīng)用電路，圖中，激光管與MAX3863采用交流耦合方式；MAX3892是串行數(shù)據(jù)生成器，主要作用是將多路數(shù)據(jù)合并，并使之串行化，圖中未標(biāo)注的外圍元器件參數(shù)可由用戶在實(shí)際應(yīng)用中確定。下面介紹MAX3863作為光發(fā)射機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)過程。

3.1 激光管的選擇

在利用MAX3863設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)時(shí)，第一步工作是根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的激光管。一般情況下，用戶首先應(yīng)根據(jù)所需光輸出平均功率來確定所需激光管的輸出平均功率和消光化，而且在滿足輸出功率的前提下盡量使消光比大一些；輸出功率和消光比確定后，可根據(jù)表1中功率與調(diào)制電流的關(guān)系來確定激光管的其它參數(shù)，然后再根據(jù)這些參數(shù)來選擇滿足條件的激光管；此外，在選擇激光管時(shí)，激光管的偏置電流不應(yīng)超過MAX3863的偏置電流設(shè)定范圍。

表1 光功率關(guān)系表

3.2 相關(guān)電流的設(shè)計(jì)

MAX3863的相關(guān)電流可由外接元器件來確定，因此，相關(guān)電流設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確定MAX3863的外接電阻值。

a. 調(diào)制電流IMOD的設(shè)計(jì)

當(dāng)激光管選定后，可按下式確定調(diào)制電流IMOD：

IMOD=2Pavg(rs-1)/η（re+1）

式中，各參數(shù)的物理意義見表1所列。此外，調(diào)制電流IMOD除應(yīng)滿足MAX3863的調(diào)制電流設(shè)定范圍外，還應(yīng)滿足以下條件：

Vcc-IMOD(RD+RL)/2≥1.8V

式中，RL為激光二極管偏置端電阻（典型值為5Ω）；RD為串聯(lián)匹配電阻（典型值為20Ω）.若上述關(guān)系式不能滿足，可適當(dāng)調(diào)整RL和RD的值；一般情況下，RL和RD用典型值即可。

由于耦合電容和輸出上拉電感可能會(huì)引起系統(tǒng)性抖動(dòng)，從而造成信號(hào)低頻成分的丟失，因此，耦合電容CD應(yīng)滿足下列條件：

CD(RD+RL)>Lp/(RD+RL)

式中，Lp為輸出端上拉電感值;C為輸出耦合電容值。實(shí)際上，對(duì)于連續(xù)數(shù)字流（CID），為了保證周期內(nèi)的信號(hào)峰-峰值下降度不大于3％，對(duì)延時(shí)常數(shù)（τ=35t）應(yīng)有一定的要求。對(duì)于本實(shí)際電路，可根據(jù)τ=Lp/25Ω和上述各關(guān)系來確定Lp和CD的值。

一般情況下，IMOD設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確定RD、RL、Lp和Cd的值，用戶可根據(jù)實(shí)際情況，在兼顧各項(xiàng)性能指標(biāo)的同時(shí)，利用上述關(guān)系式合理選擇。

b. 固定調(diào)制電流IMODS和補(bǔ)償調(diào)制電流IMODC的設(shè)計(jì)

MAX3863內(nèi)有一調(diào)制補(bǔ)償電路，其作用是根據(jù)偏置電流變化來改變調(diào)制電流，以維持輸出功率和消光比的恒定。由圖1可知，調(diào)制電流（IMOD）由固定調(diào)制電流（IMODS）和補(bǔ)償調(diào)制電流（IMODC）組成，其中，固定調(diào)制電流（IMODS）由IMODC端的外接電阻（RMODSET）確定；而補(bǔ)償調(diào)制電流（IMODC）則由補(bǔ)償因子K和偏置電流（IBIAS）之積所決定。因此，對(duì)于本電路，有：

IMODS=2001.2V/RMODSET

IMODC=KIBIAS=2005IBIAS/(500+RMODCOMP)

式中，RMODSET是MODSET端的外接電阻，RMODCOMP是MODCOMP端的外接電阻。

c. 最大偏置電流IBIASMAX的設(shè)計(jì)

圖3 MAX3863的交流耦合典型應(yīng)用電路

當(dāng)APC電路正常工作時(shí)，激光管的偏置電流IBIAS將隨監(jiān)控反饋電流的影響而變化，從而維持輸出功率的穩(wěn)定。當(dāng)APC電路失效時(shí)，激光管的偏置電流尖能防止電流過大而燒壞芯片和激光管，因此，必須對(duì)激光管的偏置電流的最大值加以限制。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶可利用BIAXMAX端，并通過外接電阻來設(shè)置IBIASMAX。當(dāng)激光管選定后，實(shí)際的領(lǐng)導(dǎo)置電流已確定，因此，設(shè)置IBIASMAX的實(shí)質(zhì)是確定BIAXMAX端的外接電阻值。設(shè)置公式為：

IBIASMAX=2001.2V/RBIASMAX

式中，RBIASMAX為BIASMAX端的外接電阻值。

需要指出的是，在選擇BIAXMAX端的外接電阻時(shí)，為使電路能正常工作，一定要使IBIASMAX比正常工作時(shí)的IBIAS稍大一秒。

d. 監(jiān)控二極管反饋電流參考值IMD的設(shè)計(jì)

監(jiān)控二極管反饋電流通常從MD端進(jìn)入APC電路，并與正常工作時(shí)的監(jiān)控二極管反饋電流參考值IMD進(jìn)行比較。若存在誤差，則需調(diào)整偏置電流，以保證輸出功率穩(wěn)定。而監(jiān)控二極管的反饋電流參考值是通過APCSET端外接電阻來設(shè)置的。當(dāng)電路工作狀態(tài)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，在誤差容許范圍內(nèi)，監(jiān)控二極管的反饋電流應(yīng)與IMD相等。當(dāng)激光管選定后，根據(jù)所需輸出光功率和激光管的參數(shù)就能確定電路穩(wěn)態(tài)時(shí)的IMD值，因此，設(shè)置IMD的實(shí)質(zhì)是確定APCSET端的外接電阻值。

由于通過APCSET端外接電阻的禁帶電壓始終保持在1.2V，因此，用戶可利用下面的公式來計(jì)算APCSET端的外接電阻值。

IMD=51.2V/RAPCSET

式中，RAPCSET為APCSET端的外接電阻值。

與IBIASMAX設(shè)計(jì)不同的是在選擇APCSET端的外接電阻值時(shí)，應(yīng)使IMD與電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的監(jiān)控二極管的反饋電流相等。

3.3 應(yīng)注意的問題

由于MAX3863是高頻產(chǎn)品，電路布局對(duì)其影響很大。因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用性能優(yōu)越的高頻布局技術(shù)，并應(yīng)采用具有公共接地層的多層電路板，以降低電磁干擾和交越失真。電路板應(yīng)用采用低損耗的介質(zhì)材料，以減少能量損耗；激光管與MAX3863之間的連接線應(yīng)盡量短一些，以減少能量消耗和交越失真；此外，數(shù)據(jù)輸入端、時(shí)鐘輸入端和調(diào)制輸出端的引線均應(yīng)采用阻抗可控的傳輸線，以便于電路調(diào)整，減少能量損耗和降低干擾。

4 結(jié)束語

MAX3863激光驅(qū)動(dòng)器與第一代同類產(chǎn)品相比，具有傳輸速率高，帶有調(diào)制補(bǔ)償APC電路等優(yōu)點(diǎn)。它不僅能維持輸出功率的恒定，而且能保持消光比的恒定。此外，其應(yīng)用電路設(shè)計(jì)也相對(duì)比較容易，因而在光纖通信中將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。