用MAX3861 AGC放大器構成SFP限幅放大器

關(guān)鍵詞： 光收發(fā)模塊；SFF；SFP；MAX3861；限幅放大器

引言
隨著(zhù)光收發(fā)模塊尺寸的減小，對帶有接收信號強度指示(RSSI)、結構緊湊的限幅放大器的需求也迅速增長(cháng)。限幅放大器可提供低抖動(dòng)數據輸出，而RSSI則可反映出互阻放大器(TIA)增益的變化和激光管的變化，監視光輸入功率。這兩種性能都是可熱插拔的小型化結構(SFP)多源協(xié)議及其它應用所必需的。
采用4mm x 4mm QFN微型封裝、內置RSSI的MAX3861適合作SFP模塊的后置放大。它與限幅放大器不同、是一款具有自動(dòng)增益控制(AGC)功能的后置放大器。在SFP模塊中，AGC放大器并不象限幅放大器那樣具有吸引力。本文討論通過(guò)修正MAX3861后置放大器，使其成為一個(gè)具有RSSI的限幅放大器。

MAX3861和AGC放大器的應用
通常，AGC放大器在保持固定輸出幅度的前提下，通過(guò)反饋環(huán)路放大或衰減輸入信號。功率檢測器用來(lái)監視放大器輸出、調節可變增益放大器的增益，保持固定的輸出電壓。通過(guò)連續反饋方式保證信號不被限幅，輸出電壓與輸入電壓保持線(xiàn)性關(guān)系。
線(xiàn)性放大對于引入了光放大器的長(cháng)距離DWDM系統很實(shí)用，這些光放大器，特別是摻鉺光纖放大器(EDFA)會(huì )在高電平數據上引入更多的噪聲。AGC對于這種應用非常有用，而限幅放大器則不然。這一點(diǎn)可以從下面的范例中找到答案：通過(guò)光二極管-互阻放大器-限幅放大器檢測光信號時(shí)，限幅放大器通過(guò)限制信號的高、低電平確定數據是“1”還是“0”。如果信號為“1”、而且信噪比相當低，受噪聲的影響，信號有可能跌落到高電平的判決門(mén)限以下，使限幅放大器輸出為“0”。如果利用AGC和工作在線(xiàn)性區域的TIA保持一條從光二極管到后置放大器的線(xiàn)性信號通路，可由下一級電路(通常是時(shí)鐘和數據恢復單元)做出高、低電平的判決。帶有縱向門(mén)限調節的時(shí)鐘與數據恢復(CDR)電路可以將電平判決門(mén)限調節到噪聲電平以下，以獲得最低誤碼率(BER)。
線(xiàn)性放大器并非對所有系統都是最優(yōu)的。在沒(méi)有光放大器的光纖系統中，假設作用到“1”和“0”電平的噪聲相同，選用限幅放大器比較合適，因為它可以提供快速的輸出瞬態(tài)響應，有利于減小輸出抖動(dòng)。另一方面，由于A(yíng)GC是線(xiàn)性的，其輸出瞬態(tài)響應時(shí)間取決于輸入瞬態(tài)響應。在一個(gè)2.7Gbps模塊內，后置放大器的輸入瞬態(tài)響應時(shí)間一般在130ps~140ps(20%~80%)范圍內，具體與接收器帶寬、FR4帶狀線(xiàn)的限制以及其它因素有關(guān)。這時(shí)，AGC放大器的輸出瞬態(tài)響應大約為：140ps~150ps。較低的邊沿速度將會(huì )導致抖動(dòng)增大、提高系統的誤碼率。

開(kāi)環(huán)增益控制
為了使MAX3861限制輸入信號的幅度，需要打開(kāi)AGC環(huán)路、增益設置為最大。圖1是MAX3861的AGC環(huán)路增益隨VCG的變化關(guān)系曲線(xiàn)。當CG+和CG-之間的差分電壓VCG約為80mV時(shí)，放大器達到其最大增益：43.5dB，此時(shí)，如果輸入為6mVp-p，輸出為920mVp-p。
增益設置方式
從圖1所示MAX3861的增益曲線(xiàn)可以看出：當VCG高于80mV時(shí)增益達到飽和，所以，只要(VCG+-VCG-)大于80mV，MAX3861即提供其最大增益。最簡(jiǎn)單的設置最大增益的方法是將CG+引腳接Vcc、CG-引腳接地，但這種方式并不切實(shí)可行，因為VCG電壓很接近其臨界值：(Vcc-3.5V)至(Vcc+0.5V)，為保證可靠性必須尋求其它解決方案。
CG+引腳利用適當的自偏置電路設置在Vcc-1V，用一個(gè)外部電阻RCG將CG-引腳接地可建立一個(gè)內部分壓電路，只要CG-引腳的電壓拉得足夠低(至少比CG+引腳的電位低80mV)，放大器將處于限幅狀態(tài)。從圖2所示曲線(xiàn)可知：RCG阻值越大、CG-引腳的電位越接近其內部自偏置的狀態(tài)，放大器就越接近于A(yíng)GC模式，輸入信號的邊沿速度直接影響著(zhù)輸出信號的邊沿速度。如果在芯片的整個(gè)供電電壓范圍內(3.0V~3.6V)保持138ps以?xún)鹊妮斎肷仙龝r(shí)間(20%~80%)，RCG可選擇800kW左右的電阻，阻值也可以低至100kW，最好不要選用100 kW以下的電阻。圖3為具體的檢測電路。當VCG在限定的范圍內、輸入信號幅度高于靈敏度的要求，MAX3861的壓擺率保持固定值，這意味著(zhù)對于較大的輸出幅度將對應較長(cháng)的傳輸時(shí)間。圖2中的曲線(xiàn)是在Vsc=0伏下測試得到的。
元件數量
限幅模式下MAX3861所需要的元件數量與AGC模式下的元件數相同。AGC模式下需要在CG-和CG+引腳直接連接一個(gè)電容CCG，該電容構成AGC的閉環(huán)控制回路。限幅模式下，用RCG_連接在CG-與地之間，替代了CCG，MAX3861的外部元件數不變。

開(kāi)環(huán)增益控制環(huán)路的影響
從圖4、圖5可以看出，輸出數據的邊沿速率越高、在輸入端產(chǎn)生的反射就越強，MAX3861工作在限幅模式時(shí)需要考慮一些額外因素。
輸出抖動(dòng)
當MAX3861置于限幅模式時(shí)能夠減小抖動(dòng)，從AGC模式轉換到限幅模式確定性抖動(dòng)(DJ)基本保持不變，圖6表示VIN=6mVp-p和VIN = 20mVp-p時(shí)DJ隨CG-外接電阻的變化關(guān)系。VIN=6mVp-p時(shí)，AGC模式下DJ為29ps p-p，與限幅模式下(RCG->700kW)的DJ基本相同；VIN= 20mVp-p時(shí)，AGC模式下DJ為21.1ps p-p，與限幅模式下的DJ相同。
限幅模式和AGC模式下的最大差異在于隨機抖動(dòng)(RJ)輸出，對于低速的輸入邊沿，線(xiàn)性放大器產(chǎn)生較大的隨機抖動(dòng)，而限幅放大器的輸出邊沿非常陡、使隨機抖動(dòng)大大減小。圖7所示曲線(xiàn)表明：RJ隨著(zhù)RCG-的增大而增大，因為當RCG-增大時(shí)，放大器更接近于A(yíng)GC模式。限幅模式下隨機抖動(dòng)明顯降低，從而使總輸出抖動(dòng)大大減小。
輸出幅度
由于增益被設定在最大值，內部放大器處于過(guò)驅動(dòng)，輸出幅度增大約25%，輸出幅度范圍是：500~ 1150mVp-p，而不是400~920mVp-p。
靈敏度
與AGC模式相同，SC引腳能夠控制輸出幅度。所不同的是：由于始終保持最大增益，靈敏度在輸出幅度較低的情況下得到改善。對于920mVp-p的輸出，靈敏度仍為6mVp-p，隨著(zhù)輸出幅度的降低，靈敏度相應得到改善。實(shí)際應用中很難將靈敏度做到4mVp-p以下，因為此時(shí)的信號已接近噪聲基底。
不受限幅模式影響的因素
信號檢測、RSSI以及輸出信號監視器不受限幅模式或AGC模式的影響。實(shí)驗數據表明：室溫下(25℃)，VRSSI在A(yíng)GC模式和限幅模式下的相差的最大值為10mV。通常，MAX3861在限幅模式下的性能指標不會(huì )低于A(yíng)GC模式下的性能指標。

結語(yǔ)
MAX3861自動(dòng)增益控制放大器可以很容易地配置成限幅放大器，而且不會(huì )降低系統的性能指標，也沒(méi)有增多外部元件的數量。只需簡(jiǎn)單的電路修改，MAX3861即可提供一種理想的SFP應用方案。

圖1 放大器增益隨增益控制電壓的變化曲線(xiàn)(左)

圖2 數據上升時(shí)間隨CG-引腳外接電阻的變化關(guān)系(右)

圖3 MAX3861測試電路

圖4 AGC模式下，MAX3861輸出眼圖(Vcc=3.3V，輸入邊沿速率138ps)

圖5 限幅模式下，MAX3861輸出眼圖(RCG- =1MW，Vcc=3.3V，輸入邊沿速度138ps)

圖6 確定性抖動(dòng)與CG-外接電阻的關(guān)系(輸入上升時(shí)間為138ps)

圖7 隨機抖動(dòng)與CG-外接電阻的關(guān)系