德州儀器 (TI) 光學(xué)模塊10G SFP+整體解決方案

摘要

TI 10G光學(xué)模塊SFP+整體解決方案是一套完整的解調(diào)演示工作光學(xué)收發(fā)器解決方案，主要應(yīng)用于小型插頭(SFP+)。

這種解決方案縮短了客戶設(shè)計(jì)時(shí)間，從而節(jié)省客戶成本，并且沒有犧牲性能。通過把TI的激光驅(qū)動(dòng)器ONET1101、限幅放大器ONET8501和強(qiáng)大的MCU MSP430組合到一個(gè)SFP+多源協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)包中，實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。另外，文章將為您展示令人信服的設(shè)計(jì)文檔和測試結(jié)果。

本應(yīng)用說明為您介紹原理圖、PC板布局、Gerber文件、材料清單(BOM)、固件以及圖形化用戶界面(GUI);不僅僅為了實(shí)現(xiàn)模塊化，同時(shí)也用于評估板。本解決方案還介紹了組裝電路板的測試裝置、測試數(shù)據(jù)和典型性能。

1、 引言

增強(qiáng)型小型插頭(SFP+)是一種緊湊型、可熱插拔收發(fā)器，用于10G電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用。這是一種流行的工業(yè)格式，由許多系統(tǒng)組件廠商聯(lián)合開發(fā)并提供良好支持。外形尺寸和電氣接口均由一個(gè)多源協(xié)議(MSA)規(guī)定。

由于擁有完整的激光驅(qū)動(dòng)器、限幅放大器光學(xué)收發(fā)器應(yīng)用產(chǎn)品線，并結(jié)合TI強(qiáng)大的MCU，因此TI能夠?yàn)榭蛻籼峁┮徽譙FP+設(shè)計(jì)解決方案。我們?yōu)檫@種10G SFP+選擇ONET1101 11.3G激光驅(qū)動(dòng)器、ONET8501、限幅放大器、MSP430、MCU。

本應(yīng)用說明涉及10km 10G DML基礎(chǔ)SFP+設(shè)計(jì)詳細(xì)內(nèi)容和測試解決方案：包括模塊端原理圖、PCB布局、固件、BOM、調(diào)試技巧;另外還包括評估板原理圖、PCB布局、GUI、BOM和測試結(jié)果。

2、 SFP+模塊圖

SFP+包括一個(gè)收發(fā)器(激光驅(qū)動(dòng)器ONET1101+DML NEC NX8341)、一個(gè)接收機(jī)(ROSA+限幅放大器ONET8501)和一個(gè)控制模塊(MCU MSP430FR5738)。

3、 發(fā)送器

發(fā)送器把電信號轉(zhuǎn)換為光信號。

激光驅(qū)動(dòng)器ONET1101放大輸入信號為調(diào)制信號，并向DML提供偏置DC電流。

ONET1101L是一種高速、3.3V激光驅(qū)動(dòng)器，用于以2到11.3Gbps數(shù)據(jù)速率直接調(diào)制激光器。

3.1 發(fā)送器原理圖：

ONET1101L擁有一個(gè)雙線串行接口，幫助數(shù)字控制調(diào)制，并且具有偏流和交叉點(diǎn)，從而無需外部組件。ONET1101L也有一個(gè)集成自動(dòng)功率控制(APC)環(huán)路，以及支持激光器安全和收發(fā)器管理系統(tǒng)的電路。

利用數(shù)字控制接口功能，ONET1101L讓設(shè)計(jì)人員將精力集中于高速路徑和阻抗匹配，以獲得最佳性能。

下列原理圖顯示了典型DML的最佳阻抗結(jié)構(gòu)。

3.2 PCB布局

l 分布式反饋(DFB)激光器是一種低電阻組件，其一般為7Ω到10Ω。

l 靈活的PCB線纜常常為一個(gè)25Ω單端線路

l 靈活線纜與TOSA之間互聯(lián)存在反射。

l 精心布局和阻抗匹配的電路，對獲得更高的性能至關(guān)重要。

這種解決方案有一個(gè)演示工作布局，如下所示：

3.3 計(jì)算方法

ONET1101L激光二極管驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過優(yōu)化，以驅(qū)動(dòng)50Ω差動(dòng)輸出傳輸阻抗。

低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，它擁有一個(gè)500Ω差動(dòng)后端接。由于LR DFB TOSA僅有10Ω阻抗(近似值)，因此如果沒有添加傳輸電路反射情況更糟糕。傳輸電路的作用是驅(qū)動(dòng)負(fù)載阻抗從驅(qū)動(dòng)器端靠近50Ω。[!--empirenews.page--]

輸出阻抗：MOD±輸出的差動(dòng)電阻為：

3.4 測試結(jié)果

l TOSA：NEC NX8431

l VCC=3.12V

l ICC=150mA

l 室溫

l 10.3G PRBS31

l 眼圖模板裕量裕量30%

4 接收機(jī)

接收機(jī)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

限幅放大器ONET8501PB把轉(zhuǎn)換后的電信號放大為接收機(jī)輸出。

ONET8501PB是一種高速、3.3V限幅放大器，用于2到11.3Gbps數(shù)據(jù)速率的多光纖和銅線纜應(yīng)用。

4.1 接收機(jī)原理圖

ONET8501PB擁有一個(gè)雙線串行接口，允許數(shù)字控制帶寬、輸出振幅、輸出預(yù)加強(qiáng)、輸入閾值電壓(限制電平)和信號置位電平損耗。

也可以利用外部速率選擇引腳，選擇預(yù)定帶寬和LOS聲明電平設(shè)置。

ONET8501PB也擁有約34dB的增益，確保輸入信號的全差動(dòng)輸出擺動(dòng)低至20mVp-p。

輸出振幅可調(diào)節(jié)至350mVpp、650mVpp或者850mVpp。

為了對連接至器件輸出的微波傳輸帶或者帶狀線的頻率相關(guān)損耗進(jìn)行補(bǔ)償，輸出級擁有可編程預(yù)加強(qiáng)。

另外，還有信號檢測和輸出關(guān)閉可設(shè)置損耗。

利用ONET8501PB的數(shù)字控制與高增益特性，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)高靈敏性能。

4.2 PCB布局

4.3 BER曲線

兩個(gè)模塊的測試結(jié)果：

5 固件

MSP430FR5738中運(yùn)行的固件主要完成如下任務(wù)：

l 監(jiān)測ADC：溫度、輸入電壓、TX偏置、TX功率、RX功率

l 監(jiān)測仿真值以確定其是否超出設(shè)置;設(shè)置告警和警告標(biāo)記。

l 計(jì)算補(bǔ)償值和自動(dòng)運(yùn)行消光比例均衡。

l 作為IIC主機(jī)，讀出和控制激光驅(qū)動(dòng)器，并限制放大器。

l 作為IIC從機(jī)，通過IIC總線與上級控制中心通信，發(fā)送監(jiān)測值、告警與警告值、引腳狀態(tài)、廠商信息以及其它SFP+模塊實(shí)時(shí)信息，并接收指令和執(zhí)行指令。

5.1 固件主流程圖

5.2 編譯環(huán)境

在IAR IDE環(huán)境下編譯和調(diào)試固件。

5.3 仿真與調(diào)試

使用與目標(biāo)電路板連接的TI MSP430FR57xx仿真器，運(yùn)行仿真，并調(diào)試固件。

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6 測試配置

為了評估組裝電路板的性能，本應(yīng)用說明還描述了一個(gè)完整的測試配置，包括裝置、固件(評估板)和軟件(GUI)。

6.1 測試裝置

6.2 評估板

這種高速、SFP+主電路板，用于對最高11.3Gbps數(shù)據(jù)速率下工作的SFP+模塊進(jìn)行評估。

這種主電路板可用于測試SPF+和演示附加功能，以對TI SFP+整體解決方案進(jìn)行測試、監(jiān)測和編程。

該評估板擁有微帶傳輸線路和SMA連接器，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

通過硬件(以及GUI)提供電源電流監(jiān)測、電壓監(jiān)測和一定的數(shù)字I/O控制/監(jiān)測。

6.3 原理圖

6.4 PCB布局

該評估板的設(shè)計(jì)目的是使用單端傳輸線路。

修改PCB層信息，會(huì)影響這些傳輸線路的阻抗，從而影響性能。

6.5 GUI

GUI軟件在VC++環(huán)境下開發(fā)，由VC++6.0編譯。

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7 參考文獻(xiàn)

1、《光學(xué)模塊PCB布局和阻抗匹配設(shè)計(jì)的TI SLLA311考慮》，作者：Daniel Long

2、《各種TOSA的TI ONET1101》，作者：Alex Davidson