高速SFF/SFP激光驅(qū)動(dòng)器MAX3738的應(yīng)用

概述
　　
　　MAX3738是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的帶有消光比控制的高速激光驅(qū)動(dòng)器，工作速率為1Gbps~2.7Gbps，可用作千兆以太光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的收發(fā)器。該產(chǎn)品與以往同類(lèi)產(chǎn)品相比，不僅具有傳輸速率高、供電電流小、輸出平均功率恒定和安全穩(wěn)定等特點(diǎn)，而且在激光管的使用壽命期間和溫度變化范圍內(nèi)，能始終保持消光比恒定，此外，與外接激光管可采用直流耦合方式，在減少元件數(shù)的同時(shí)，使多速率工作模式變得簡(jiǎn)易。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
　　MAX3738內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部電路主要包括高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、消光比控制電路和安全邏輯控制電路。高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路包括輸入級(jí)和輸出級(jí)兩部分，主要由輸入緩沖、數(shù)據(jù)通道和高速差分對(duì)組成，其功能是對(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)信號(hào)。消光比控制電路主要包括兩部分：自動(dòng)功率控制(APC)電路和自動(dòng)調(diào)制控制(AMC)電路，其中AMC電路包括固定調(diào)制電流設(shè)置電路、溫度補(bǔ)償電路和偏置電流對(duì)調(diào)制電流補(bǔ)償電路，其主要作用是與監(jiān)控光二極管形成反饋控制電路，通過(guò)對(duì)偏置電流和調(diào)制電流的動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)，維持消光比恒定。安全邏輯控制電路主要包括傳輸控制電路、鎖存失效輸出電路和失效指示電路，主要功能是為驅(qū)動(dòng)器正常工作提供安全保障，對(duì)驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)提供驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)和失效信息。 工作過(guò)程：MAX3738采用APC工作模式，當(dāng)MAX3738正常工作時(shí)，數(shù)據(jù)從IN 端和IN+端輸入，經(jīng)輸入緩沖電路和數(shù)據(jù)通道處理后，控制差分對(duì)調(diào)制器輸出以實(shí)現(xiàn)調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)從OUT 端和OUT+端輸出，去驅(qū)動(dòng)外接激光管；當(dāng)輸出功率變化時(shí)，反饋信號(hào)從MD端輸入，消光比控制電路通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制電流和偏置電流變化，來(lái)自動(dòng)維持平均輸出功率和光幅度功率的穩(wěn)定；當(dāng)溫度變化超過(guò)閥值時(shí)，溫度補(bǔ)償電路起作用，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制電流以維持功率穩(wěn)定；當(dāng)電路發(fā)生故障和其它意外情況發(fā)生時(shí)，安全電路起作用，SHUTDOWN端輸出控制信號(hào)關(guān)閉激光管輸出，同時(shí)TX_FAULT端輸出警告信號(hào)。

max3738內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

  應(yīng)用設(shè)計(jì)
　　MAX3738集成度高，應(yīng)用時(shí)要求用戶(hù)設(shè)計(jì)的外圍電路非常少，主要設(shè)計(jì)工作是選擇合適的激光管和各種相關(guān)電流的設(shè)計(jì)。

激光管的選擇
　　用戶(hù)在利用MAX3738設(shè)計(jì)光收發(fā)器時(shí)，在充分了解MAX3738的電氣特性后，首要工作是根據(jù)應(yīng)用實(shí)際需求選擇合適的激光管。一般情況下，光輸出功率用平均光功率和消光比描述，用戶(hù)首先根據(jù)所需光輸出功率來(lái)確定所需激光管的輸出平均功率和消光比，而且在滿(mǎn)足輸出功率的前提下，應(yīng)盡量使消光比大一些；在輸出功率和消光比確定后，可根據(jù)表1中功率關(guān)系來(lái)確定激光管的其它參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)來(lái)選擇滿(mǎn)足條件的激光管。

 相關(guān)電流的設(shè)計(jì)

　　MAX3738最大優(yōu)點(diǎn)是能維持消光比穩(wěn)定，由表1可知：消光比(re)由最大光功率(P1)和最小光功率(P0)的比值所確定，而由表1可推出：
P_{1}=2P_{AVG}+P_{P P}；P_{0}=2P_{AVG} P_{P-P} ，式中各參數(shù)物理意義見(jiàn)表1。
　　因此，只要保持平均光功率(PAVG)和光幅度功率(PP-P)穩(wěn)定，即可維持消光比(re)的穩(wěn)定。在MAX3738中， APC電路通過(guò)調(diào)節(jié)偏置電流變化以維持平均光功率(PAVG)的穩(wěn)定，而AMC電路通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制電流變化以維持光幅度功率(PP-P)的穩(wěn)定。下面具體分析與該電路有關(guān)的電流的設(shè)計(jì)。

監(jiān)控光二極管反饋電流IMD的設(shè)計(jì)
　　在APC電路中，偏置電流的調(diào)節(jié)是通過(guò)監(jiān)控光二極管反饋電流(IMD)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，APC內(nèi)部電路與外接監(jiān)控光二極管形成一閉環(huán)反饋控制回路，當(dāng)輸出光平均功率變化時(shí)，通過(guò)監(jiān)控光二極管的反饋電流(IMD)也發(fā)生變化，APC內(nèi)部電路就根據(jù)這種變化相應(yīng)調(diào)整偏置電流變化，以維持光平均功率的穩(wěn)定。因此，反饋電流(IMD)的大小直接決定著APC電路作用效果。

　　當(dāng)激光管選定后，轉(zhuǎn)移系數(shù) MON即可確定，如表1所示。當(dāng)用戶(hù)確定平均光功率后，即可根據(jù)公式： P_{AVG}=frac{I_{MD}}{ _{MON}}來(lái)確定IMD理論值。

　　在MAX3738中，反饋電流IMD由APCSET端外接電阻設(shè)定，因此IMD設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確定APCSET端外接電阻RAPCSET值。用戶(hù)根據(jù)下式可確定RAPCSET值：
　　I_{MD}=frac{1}{2} frac{V_{REF}}{R_{APCSET}}，式中：VREF為MAX3738內(nèi)部參考電壓，典型值為1.3V。
　　RAPCSET確定后，實(shí)際提供的反饋電流IMD就確定，APC電路會(huì)根據(jù)IMD變化自動(dòng)調(diào)整偏置電流IBIAS，以維持平均光功率的穩(wěn)定。

調(diào)制電流IMOD的設(shè)計(jì)
　　光幅度功率(PP-P)變化與調(diào)制電流IMOD的有直接關(guān)系，MAX3738就是通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制電流IMOD以維持光幅度功率穩(wěn)定。
　　當(dāng)激光管選定后，用戶(hù)可根據(jù)表1關(guān)系式推出調(diào)制電流IMOD的計(jì)算公式，如下所示：
　　I_{MOD}=2 frac{P_{AVG}}{ } frac{r_{e} 1}{r_{e}+1}，式中各參數(shù)物理意義見(jiàn)表1 。
　　調(diào)制電流由三部分組成：固定調(diào)制電流(IMODS)、偏置補(bǔ)償調(diào)制電流((K I_{BIAS}) )和溫度補(bǔ)償調(diào)制電流(IMODT)。
(1)固定調(diào)制電流(IMODS)
　　固定調(diào)制電流是在理想工作條件下(溫度不變和輸出功率恒定)，驅(qū)動(dòng)器所需的調(diào)制電流由MAX3738內(nèi)部電路和MODSET端外接電阻所確定。通常用戶(hù)首先根據(jù)實(shí)際要求，確定所需要的固定調(diào)制電流(IMODS)，然后根據(jù)下式來(lái)確定MODSET端外接電阻(RMODSET)值。
I_{MODS}=268 frac{V_{REF}}{R_{MODSET}} ，其中，VREF為MAX3738內(nèi)部參考電壓，典型值為1.3V。
(2)偏置補(bǔ)償調(diào)制電流 (K I_{BIAS})
　　偏置補(bǔ)償調(diào)制電流是偏置電流變化所引起的，其作用大小由補(bǔ)償因子K值確定，K值大小由MODBCOMP端外接電阻所確定。在應(yīng)用中，用戶(hù)首先應(yīng)根據(jù)偏置電流和調(diào)制電流變化確定合適的補(bǔ)償因子K，然后根據(jù)K值確定MODBCOMP端外接電阻(RMODBCOMP)值。
　　確定補(bǔ)償因子K計(jì)算公式為：K=frac{ I_{MOD}}{ I_{BIAS}}=frac{I_{MOD2} I_{MOD1}}{I_{BIAS2} I_{BIAS1}} ；
　　確定RMODBCOMP的計(jì)算公式為： K=frac{1700}{1000+R_{MODBCOMP}}phantom{1.5}10%。
(3)溫度補(bǔ)償調(diào)制電流(IMODT)
　　溫度補(bǔ)償調(diào)制電流是溫度超過(guò)閥值溫度所引起的，其作用是補(bǔ)償溫度變化對(duì)調(diào)制電流的影響，溫度補(bǔ)償調(diào)制電流(IMODT)的計(jì)算公式為：
當(dāng)T≤T_{TH}時(shí)：I_{MODT}=0 ；
當(dāng)T>T_{TH}時(shí)： I_{MODT}=TC (T T_{TH})；其中，TTH為溫度閥值，其值由TH_TEMP端外接電阻(RTH_TEMP)所確定；TC為溫度補(bǔ)償系數(shù)，其值由MODTCOMP端外接電阻(RMODTCOMP)所確定。
應(yīng)用時(shí)，用戶(hù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定合適的溫度閥值和溫度補(bǔ)償系數(shù)，然后根據(jù)下列公式確定RTH_TEMP和RMODTCOMP：

APC環(huán)路濾波電容的設(shè)計(jì)
　　在APC電路中，濾波電容CAPC的作用是延遲APC電路作用時(shí)間，減少低頻信號(hào)干擾。濾波電容CAPC值由低頻截止頻率 _{3DB}確定，通常用戶(hù)根據(jù)要求確定低頻截止頻率 _{3DB}，然后根據(jù)下式確定CAPC的值：
C_{APC}( F)≈frac{68}{∫_{3DB}(KH_{Z})} _{MON} ，式中參數(shù)如表1所示。
為濾除高頻噪聲，在MD端需接一下拉電容CMD接地，一般情況下，CMD近似為CAPC值的四分之一。

應(yīng)注意的問(wèn)題
　　在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為使電路正常工作，各種電流有一定的條件限制。若所需調(diào)制電流不大于60mA，MAX3738和外接激光管可采用直流耦合方式；若調(diào)制電流大于60mA，則應(yīng)采用交流耦合方式。不管采用哪種耦合方式，在輸出端OUT+ ，各種電流應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：
　　對(duì)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：激光二極管偏置端電壓，典型值為1.2V；RL：激光二極管偏置端電阻，典型值為5 ；RD：串行匹配電阻，典型值為20 。
　　對(duì)于交流耦合：V_{OUT+}=V_{CC} frac{I_{MOD}}{2} (R_mskklik+R_{l})≥0.75V ，式中參數(shù)同上。
　　此外，由于MAX3738是高頻產(chǎn)品，電路布局對(duì)其影響很大。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)，用戶(hù)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調(diào)失真；電路板應(yīng)采用低損耗的介質(zhì)材料，以減少能量損耗；數(shù)據(jù)輸入端引線(xiàn)和調(diào)制輸出端引線(xiàn)應(yīng)采用阻抗可控的傳輸線(xiàn)，便于調(diào)整電路，減少能量損耗和降低干擾。
典型應(yīng)用電路
　　MAX3738典型應(yīng)用電路如圖2所示，圖中所標(biāo)元器件值為典型值，未標(biāo)元器件需要用戶(hù)在具體設(shè)計(jì)中確定，激光管采用直流耦合方式。

結(jié)束語(yǔ)

　　MAX3738激光驅(qū)動(dòng)器具有同類(lèi)產(chǎn)品無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要在于它帶有APC電路和AMC電路，從而能保持消光比恒定，同時(shí)適合多種高速傳輸速率，因此該產(chǎn)品在光纖通信中有一定的應(yīng)用前景。