帶消光比控制的多速率激光驅動(dòng)器MAX3737

關(guān)鍵詞：MAX3737；ERC；APC；激光二極管

１　引言

ＭＡＸ３７３７是美國ＭＡＸＩＭ公司生產(chǎn)的帶有消光比控制的激光驅動(dòng)器，它的工作速率為１５５Ｍｂｐｓ～２．７Ｇｂｐｓ，可用作多速率ＯＣ－３至ＯＣ－４８ ＦＥＣ等光纖系統中的光發(fā)射機。該產(chǎn)品與以往同類(lèi)產(chǎn)品相比，不僅具有傳輸速率高、供電電流小和輸出平均功率恒定等特點(diǎn)，而且在激光管的使用壽命和溫度變化范圍內能始終保持消光比恒定。ＭＡＸ３７３７的主要特性如下：

● 采用＋３．３Ｖ單電源工作模式；

● 僅需４７ｍＡ的電源供給電流；

● 能提供高達８５ｍＡ的調制電流和高達１００ｍＡ的偏置電流；

● 內含自動(dòng)功率控制(ＡＰＣ)、自動(dòng)調制控制（ＡＭＣ)和溫度補償電路；

● 帶有以地為參考點(diǎn)的電流監控設置端；

● 具有安全控制和失效警告指示電路。

２　引腳功能、內部結構及工作原理

２．１ 引腳功能

ＭＡＸ３７３７采用３２－ｐｉｎ ＱＦＮ封裝形式，它的引腳排列如圖１所示。各引腳功能如下：

ＧＮＤ（１，１０,１５，１６）：接地端；

ＴＸ ＤＩＳＡＢＬＥ(２）：激光管輸出控制端電壓輸入，低電平有效；

ＶＣＣ(３,６，１１,１８，２３）：＋３．３Ｖ電源端口；

ＩＮ＋(４），ＩＮ－(５）：分別為數據信號的正、反向輸入端；

ＰＣ ＭＯＮ(７）：監控?反饋?光二極管電流監控端。該端通過(guò)外接電阻可產(chǎn)生與反饋光二極管電流成正比、并以地為參考點(diǎn)的參考電壓；

ＢＣ ＭＯＮ(８）：激光管偏置電流監控端，可通過(guò)外接電阻產(chǎn)生與偏置電流成正比、并以地為參考點(diǎn)的參考電壓；

ＭＣ ＭＯＮ（９)：調制電流監控端，可通過(guò)外接電阻產(chǎn)生與調制電流成正比、并以地為參考點(diǎn)的參考電壓；

ＴＸ ＦＡＵＬＴ(１２)：傳輸失效指示端；

ＳＨＵＴＤＯＷＮ(１３）：關(guān)閉驅動(dòng)器輸出端；

ＶＢＳ（１４)：激光管偏置電壓指示端；

ＢＩＡＳ（１７)：激光管偏置電流輸出端；

ＯＵＴ－（１９，２０）：反向輸出端，應用時(shí)應將這兩腳互連；

ＯＵＴ＋ (２１,２２)：正向輸出端，應用時(shí)應將這兩腳互連；

ＭＤ（２４)：監控?反饋?光二極管電流輸入端，應用時(shí)與監控(反饋）光二極管的正極連接；

ＶＭＤ(２５）：監控?反饋?光二極管電壓指示端；

ＡＰＣＦＩＬＴ１(２６）, ＡＰＣＦＩＬＴ２(２７）：ＡＰＣ環(huán)路主極點(diǎn)設置端，應用時(shí)應在這兩腳之間接一個(gè)電容器(ＣＡＰＣ）；

ＡＰＣＳＥＴ(２８）：平均光功率設置端；

ＭＯＤＳＥＴ（２９)：調制電流部分設置端；

ＭＯＤＢＣＯＭＰ(３０）：偏置電流對調制電流補償系數設置端；

ＴＨ ＴＥＭＰ(３１）：溫度補償電路閾值設置端；

ＭＯＤＴＣＯＭＰ(３２）：溫度補償系數設置端。

圖2

２．２ 內部結構及工作過(guò)程

ＭＡＸ３７３７內部結構如圖２所示，內部電路主要包括高速調制電路、消光比控制電路及安全邏輯控制和指示電路。其中，高速調制電路包括輸入級和輸出級兩部分，主要由輸入緩沖、數據通道和高速差分對電路組成，其功能是對輸入信號進(jìn)行調制，并為外部激光管提供所需的激勵信號。消光比控制電路包括三部分：自動(dòng)功率控制?ＡＰＣ?電路、自動(dòng)調制控制?ＡＭＣ?電路和溫度補償電路，其主要作用是與監控光二極管形成反饋控制電路，同時(shí)通過(guò)對偏置電流和調制電流的動(dòng)態(tài)控制調節來(lái)維持消光比恒定；安全邏輯控制和指示電路主要是為驅動(dòng)器正常工作提供安全保障，對驅動(dòng)器工作狀態(tài)進(jìn)行監控，同時(shí)提供驅動(dòng)器的各種工作狀態(tài)和失效信息。

ＭＡＸ３７３７采用ＡＰＣ工作模式，當ＭＡＸ３７３７正常工作時(shí)，數據從ＩＮ－端和ＩＮ＋端輸入，經(jīng)輸入緩沖電路和數據通道處理，然后通過(guò)控制差分對調制器輸出以實(shí)現調制，調制后的信號從ＯＵＴ－端和ＯＵＴ＋端輸出以驅動(dòng)外接激光管；當輸出功率變化時(shí)，反饋信號將從ＭＤ端輸入，然后通過(guò)消光比控制電路來(lái)調節調制電流和偏置電流的變化以自動(dòng)維持輸出功率的穩定；當溫度變化超過(guò)閾值時(shí)，溫度補償電路會(huì )自動(dòng)調節調制電流以維持功率穩定；當電路發(fā)生故障和其它意外情況發(fā)生時(shí)，安全邏輯控制和指示電路將通過(guò)ＳＨＵＴＤＯＷＮ端輸出控制信號以關(guān)閉激光管輸出，同時(shí)由ＴＸ ＦＡＵＬＴ端輸出警告信號。

３　應用設計

ＭＡＸ３７３７在應用時(shí)要求用戶(hù)自行設計的電路非常少，用戶(hù)的主要設計工作是選擇合適的激光管以及各種相關(guān)電流的設計。ＭＡＸ３７３７典型應用電路如圖３所示，圖中所標元器件參數值為典型值，未標元器件需要在具體設計中確定，激光管采用直流耦合方式。下面結合典型應用電路來(lái)介紹ＭＡＸ３７３７的應用設計過(guò)程。

３．１ 激光管的選擇

用戶(hù)在利用ＭＡＸ３７３７設計光發(fā)射機時(shí)，首選是根據實(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)可根據光輸出功率來(lái)確定所需激光管的輸出平均功率和消光比，并應在滿(mǎn)足輸出功率的前提下，盡量使消光比大一些。在輸出功率和消光比確定后，同時(shí)根據這些參數來(lái)選擇滿(mǎn)足條件的激光管。

３．２ 調制電流ＩＭＯＤ的設計

激光管選定后，用戶(hù)可根據表１中的關(guān)系式推導出調制電流ＩＭＯＤ的計算公式。具體如下：

ＩＭＯＤ＝２ＰＡＶＧ（ｒｅ－１）／η（ｒｅ＋１）；

式中，各參數的物理意義見(jiàn)表１所列。實(shí)際上，調制電流是由固定調制電流（ＩＭＯＤＳ)、偏置補償調制電流（ＫＩＢＩＡＳ)和溫度補償調制電流（ＩＭＯＤＴ)三部分組成的。

（１)固定調制電流（ＩＭＯＤＳ)

固定調制電流是在理想工作條件（溫度不變和輸出功率恒定)下驅動(dòng)器所需的調制電流。該電流可由ＭＡＸ３７３７內部電路和ＭＯＤＳＥＴ端的外接電阻所確定。因此，應首先根據實(shí)際要求確定所需的固定調制電流（ＩＭＯＤＳ)，然后再確定ＭＯＤＳＥＴ端的外接電阻（ＲＭＯＤＳＥＴ)值?具體為：

ＩＭＯＤＳ＝２６８ＶＲＥＦ／ＲＭＯＤＳＥＴ

其中，ＶＲＥＦ為ＭＡＸ３７３７內部的參考電壓，一般情況下的典型值為１．３Ｖ。

（２)偏置補償調制電流（Ｋ ＩＢＩＡＳ）

偏置補償調制電流是由偏置電流變化所引起的，其作用大小由補償因子Ｋ所確定，而Ｋ值大小則由ＭＯＤＢＣＯＭＰ端的外接電阻所確定。在應用中，可根據偏置電流和調制電流變化來(lái)確定合適的補償因子Ｋ，然后根據Ｋ值再確定ＭＯＤＢＣＯＭＰ端的外接電阻(ＲＭＯＤＢＣＯＭＰ）值。

確定補償因子Ｋ的計算公式為：

Ｋ＝△ＩＭＯＤ／△ＩＢＩＡＳ＝(ＩＭＯＤ２－ＩＭＯＤ１）／（ＩＢＩＡＳ２－ＩＢＩＡＳ１）；

而Ｋ值與ＲＭＯＤＢＣＯＭＰ的關(guān)系為：

Ｋ＝[１７００／(１０００＋ＲＭＯＤＢＣＯＭＰ）] １０％

(３）溫度補償調制電流(ＩＭＯＤＴ）

溫度補償調制電流一般是由溫度超過(guò)閾值溫度所引起的，其作用是補償溫度變化對調制電流的影響，當Ｔ＞ＴＴＨ時(shí)，溫度補償調制電流(ＩＭＯＤＴ）的計算公式為：

ＩＭＯＤＴ＝ＴＣ(Ｔ－ＴＴＨ）；

其中，ＴＴＨ為溫度閾值，其值可由ＴＨ＿ＴＥＭＰ端的外接電阻(ＲＴＨ＿ＴＥＭＰ）來(lái)確定；ＴＣ為溫度補償系數，其值由ＭＯＤＴＣＯＭＰ端的外接電阻（ＲＭＯＤＴＣＯＭＰ)確定。

應用時(shí)，應根據實(shí)際情況確定合適的溫度閾值和溫度補償系數，然后根據下列公式來(lái)確定ＲＴＨ＿ＴＥＭＰ和ＲＭＯＤＴＣＯＭＰ：。

ＴＴＨ＝－７０℃＋[１．４５ＭΩ／(９．２ｋΩ＋ＲＴＨ－ＴＥＭＰ）] ℃１０％；

３．３ 監控光二極管反饋電流ＩＭＤ的設計

當激光管選定后，轉移系數ＰＭＯＮ即可確定，設計時(shí)可以參見(jiàn)表１中的參數設置公式。當用戶(hù)確定平均光功率后，即可根據公式ＰＡＶＧ＝ＩＭＤ／ＰＭＯＮ來(lái)確定ＩＭＤ的理論值。

在ＭＡＸ３７３７中，反饋電流ＩＭＤ可以由ＡＰＣＳＥＴ端外接電阻設定，因此ＩＭＤ設計的實(shí)質(zhì)是確定ＡＰＣＳＥＴ端的外接電阻ＲＡＰＣＳＥＴ。用戶(hù)根據下式可確定ＲＡＰＣＳＥＴ值。

ＩＭＤ＝ＶＲＥＦ／（２ＲＡＰＣＳＥＴ）

ＲＡＰＣＳＥＴ確定后，實(shí)際提供的反饋電流ＩＭＤ就確定了，這樣，ＡＰＣ電路就會(huì )根據ＩＭＤ的變化來(lái)自動(dòng)調整偏置電流ＩＢＩＡＳ，從而維持平均光功率的穩定。

圖3

３．４ ＡＰＣ環(huán)路濾波電容的設計

在ＡＰＣ電路中，濾波電容ＣＡＰＣ的作用是延遲ＡＰＣ電路的作用時(shí)間，減少低頻信號干擾。濾波電容ＣＡＰＣ的值可由低頻截止頻率ｆ３ＤＢ來(lái)確定，用戶(hù)可以首先根據要求確定低頻截止頻率ｆ３ＤＢ，然后根據下式確定ＣＡＰＣ的值。

ＣＡＰＣ（μＦ）≈η６８ρＭＯＮ／ｆ３ＤＢ(ｋＨｚ）

為濾除高頻噪聲，在ＭＤ端需接一下拉電容ＣＭＤ到地，一般情況下，下拉電容ＣＭＤ的值約為濾波電容ＣＡＰＣ值的四分之一。

３．５ 注意事項

在設計過(guò)程中，為使電路正常工作，對各種電流要有一定的條件限制。若所需調制電流不大于６０ｍＡ，ＭＡＸ３７３７和外接激光管可采用直流耦合方式；若調制電流大于６０ｍＡ，則應采用交流耦合方式。不管采用哪種耦合方式，在輸出端ＯＵＴ＋，各種電流都應滿(mǎn)足如下要求：

(１） 對于直流耦合

ＶＯＵＴ＋＝ＶＣＣ－ＶＤＩＯＤＥ－ＩＭＯＤ(ＲＤ＋ＲＬ）－ＩＢＩＡＳＲＬ≥０．７Ｖ

式中，ＶＤＩＯＤＥ為激光二極管的偏置端電壓，典型值為１．２Ｖ；ＲＬ是激光二極管的偏置端電阻，典型值為５Ω；ＲＤ為串行匹配電阻，典型值為２０Ω。

(２) 對于交流耦合

ＶＯＵＴ＋＝ＶＣＣ－ＩＭＯＤ（ＲＤ＋ＲＬ)／２≥０．７５Ｖ

此外，由于ＭＡＸ３７３７是高頻產(chǎn)品，電路布局對其影響很大，在電路設計時(shí)，應當采用性能比較優(yōu)越的高頻布局技術(shù)，同時(shí)，用戶(hù)應采用具有公共接地層的多層電路板來(lái)降低電磁干擾和交調失真；電路板應采用低損耗的介質(zhì)材料，以減少能量損耗；數據輸入端引線(xiàn)和調制輸出端引線(xiàn)應采用阻抗可控的傳輸線(xiàn)，這樣?可以方便電路調整，減少能量損耗和降低干擾。

４　結束語(yǔ)

ＭＡＸ３７３７激光驅動(dòng)器具有同類(lèi)產(chǎn)品無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要在于它帶有三個(gè)控制電路(ＡＰＣ電路、ＡＭＣ電路和溫度補償電路），因而能始終保持消光比的恒定?同時(shí)也適合多種傳輸速率，因此?該產(chǎn)品在光纖通信中具有廣泛的應用前景。