帶調制補償的激光驅動(dòng)器MAX3863及其應用

關(guān)鍵詞：MAX3863 APC 調制補償 激光 驅動(dòng)器

1 概述

MAX3863是美國MAXIM公司生產(chǎn)的帶有調制補償的激光驅動(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傳輸系統中的光發(fā)射機。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2.7Gbps的傳輸速率；

*內含帶調制補償的自動(dòng)功率控制（APC）電路；

*偏置電流帶有設置（可達100mA）端和電流調制（可達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保護功能。

圖1 MAX3863內部原理框圖

2 內部結構及引腳功能

2.1 內部結構

MAX3863的內部結構如圖1所示，它主要由高速調制電路、電流監視電路和帶調制補償的APC電路組成。其中高速調制電路包括輸入級電路和輸出級電路，主要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電流信號；電流監視電路主要是為用戶(hù)提供驅動(dòng)器的工作失效信息；APC電路能自動(dòng)調整激光管的偏置電流和調制電流，以維持光輸出平均功率穩定和激光管的消光比恒定。

當MAX3863正常工作時(shí)，數據從DATA-端和DATA+端輸入并經(jīng)數據轉換器重新定時(shí)同步后，控制高速差分調制器輸出以實(shí)現調制，調制后的信號將從MOD端和MODN端輸出，云驅動(dòng)外接激光管；當電路發(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電路使監控反饋電流信號從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部差分調制器的調制電流，從而達到自動(dòng)穩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）：分別為數據反、正向輸入端；

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

APCSET(9)：監控二極管反饋電流參考設置端；

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(guò)監控二極管的調整電路失效。在設計時(shí)，APCFILT1和APCFILT2通過(guò)電容相連（電容典型值為0.01μF）可延長(cháng)監控反饋電流的作用時(shí)間；

PWC+(12),PWC-(13)：輸入調制脈沖信號寬度調整端，應用時(shí)可通過(guò)調整電阻（RPWC）接地；

MK+（15），MK-(16)：監視輸入脈沖信號強度正向、反向輸出端；

FALL(17):驅動(dòng)器電路失效警告端，當驅動(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(guò)電感線(xiàn)圈與激光管連接；

MOD(20)，MODE(21)：調制信號輸出端；

MD(23)：監控光二極管反饋輸入端；

MDMON(24):監控反饋電流監視輸出端；

MODMON(25):調制電流監視輸出端；

BIASMON(26)：偏置電流監控輸出端；

MODCOMP(28)：偏置電流與調制電流的耦合量設置端；

MODSET(29)：固定調制電流設置端；

BIASMAX(30)：激光管偏置電流設置端，可通過(guò)外接電阻來(lái)設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)：數據重定時(shí)控制端，低電平有效。

3 應用設計

MAX3863是MAXIM公司的第二代激光驅動(dòng)器產(chǎn)品，由于集成度高，因此應用時(shí)需要用戶(hù)設計的電路比較少。但由于MAX3863傳輸速率高達2.7Gbps，電路布局對性能影響很大，因此設計時(shí)也具有一定的難度。設計工作主要是選擇激光管和設計各種相關(guān)電流。MAX3863在應用時(shí)，外接激光管一般應采用交流耦合方式，圖3所示是MAX3863的交流耦合典型應用電路，圖中，激光管與MAX3863采用交流耦合方式；MAX3892是串行數據生成器，主要作用是將多路數據合并，并使之串行化，圖中未標注的外圍元器件參數可由用戶(hù)在實(shí)際應用中確定。下面介紹MAX3863作為光發(fā)射機的應用設計過(guò)程。

3.1 激光管的選擇

在利用MAX3863設計發(fā)射機時(shí)，第一步工作是根據實(shí)際需求選擇合適的激光管。一般情況下，用戶(hù)首先應根據所需光輸出平均功率來(lái)確定所需激光管的輸出平均功率和消光化，而且在滿(mǎn)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，可根據表1中功率與調制電流的關(guān)系來(lái)確定激光管的其它參數，然后再根據這些參數來(lái)選擇滿(mǎn)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超過(guò)MAX3863的偏置電流設定范圍。

表1 光功率關(guān)系表

3.2 相關(guān)電流的設計

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

a. 調制電流IMOD的設計

當激光管選定后，可按下式確定調制電流IMOD：

IMOD=2Pavg(rs-1)/η（re+1）

式中，各參數的物理意義見(jiàn)表1所列。此外，調制電流IMOD除應滿(mǎn)足MAX3863的調制電流設定范圍外，還應滿(mǎn)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(mǎn)足，可適當調整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 )引起系統性抖動(dòng)，從而造成信號低頻成分的丟失，因此，耦合電容CD應滿(mǎn)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，對于連續數字流（CID），為了保證周期內的信號峰-峰值下降度不大于3％，對延時(shí)常數（τ=35t）應有一定的要求。對于本實(shí)際電路，可根據τ=Lp/25Ω和上述各關(guān)系來(lái)確定Lp和CD的值。

一般情況下，IMOD設計的實(shí)質(zhì)是確定RD、RL、Lp和Cd的值，用戶(hù)可根據實(shí)際情況，在兼顧各項性能指標的同時(shí)，利用上述關(guān)系式合理選擇。

b. 固定調制電流IMODS和補償調制電流IMODC的設計

MAX3863內有一調制補償電路，其作用是根據偏置電流變化來(lái)改變調制電流，以維持輸出功率和消光比的恒定。由圖1可知，調制電流（IMOD）由固定調制電流（IMODS）和補償調制電流（IMODC）組成，其中，固定調制電流（IMODS）由IMODC端的外接電阻（RMODSET）確定；而補償調制電流（IMODC）則由補償因子K和偏置電流（IBIAS）之積所決定。因此，對于本電路，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的設計

圖3 MAX3863的交流耦合典型應用電路

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

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. 監控二極管反饋電流參考值IMD的設計

監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，則需調整偏置電流，以保證輸出功率穩定。而監控二極管的反饋電流參考值是通過(guò)APCSET端外接電阻來(lái)設置的。當電路工作狀態(tài)處于穩態(tài)時(shí)，在誤差容許范圍內，監控二極管的反饋電流應與IMD相等。當激光管選定后，根據所需輸出光功率和激光管的參數就能確定電路穩態(tài)時(shí)的IMD值，因此，設置IMD的實(shí)質(zhì)是確定APCSET端的外接電阻值。

由于通過(guò)APCSET端外接電阻的禁帶電壓始終保持在1.2V，因此，用戶(hù)可利用下面的公式來(lái)計算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設計不同的是在選擇APCSET端的外接電阻值時(shí)，應使IMD與電路穩態(tài)工作時(shí)的監控二極管的反饋電流相等。

3.3 應注意的問(wèn)題

由于MAX3863是高頻產(chǎn)品，電路布局對其影響很大。因此，在電路設計時(shí)，應采用性能優(yōu)越的高頻布局技術(shù)，并應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(xiàn)應盡量短一些，以減少能量消耗和交越失真；此外，數據輸入端、時(shí)鐘輸入端和調制輸出端的引線(xiàn)均應采用阻抗可控的傳輸線(xiàn)，以便于電路調整，減少能量損耗和降低干擾。

4 結束語(yǔ)

MAX3863激光驅動(dòng)器與第一代同類(lèi)產(chǎn)品相比，具有傳輸速率高，帶有調制補償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，其應用電路設計也相對比較容易，因而在光纖通信中將會(huì )得到廣泛的應用。