高速SFF/SFP激光驅動器MAX3738的應用

武警工程學院 彭月平

概述

MAX3738是美國MAXIM公司生產的帶有消光比控制的高速激光驅動器，工作速率為1Gbps~2.7Gbps，可用作千兆以太光纖網絡系統(tǒng)中的收發(fā)器。該產品與以往同類產品相比，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，而且在激光管的使用壽命期間和溫度變化范圍內，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，在減少元件數的同時，使多速率工作模式變得簡易。

內部結構及工作原理

MAX3738內部結構如圖1所示，內部電路主要包括高速調制驅動電路、消光比控制電路和安全邏輯控制電路。高速調制驅動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組成，其功能是對輸入信號進行調制，并為外部激光管提供所需的激勵信號。消光比控制電路主要包括兩部分：自動功率控制(APC)電路和自動調制控制(AMC)電路，其中AMC電路包括固定調制電流設置電路、溫度補償電路和偏置電流對調制電流補償電路，其主要作用是與監(jiān)控光二極管形成反饋控制電路，通過對偏置電流和調制電流的動態(tài)控制調節(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，主要功能是為驅動器正常工作提供安全保障，對驅動器工作狀態(tài)進行監(jiān)控，同時提供驅動器工作狀態(tài)和失效信息。 工作過程：MAX3738采用APC工作模式，當MAX3738正常工作時，數據從IN 端和IN+端輸入，經輸入緩沖電路和數據通道處理后，控制差分對調制器輸出以實現調制，調制后的信號從OUT 端和OUT+端輸出，去驅動外接激光管；當輸出功率變化時，反饋信號從MD端輸入，消光比控制電路通過調節(jié)調制電流和偏置電流變化，來自動維持平均輸出功率和光幅度功率的穩(wěn)定；當溫度變化超過閥值時，溫度補償電路起作用，通過調節(jié)調制電流以維持功率穩(wěn)定；當電路發(fā)生故障和其它意外情況發(fā)生時，安全電路起作用，SHUTDOWN端輸出控制信號關閉激光管輸出，同時TX_FAULT端輸出警告信號。

應用設計

MAX3738集成度高，應用時要求用戶設計的外圍電路非常少，主要設計工作是選擇合適的激光管和各種相關電流的設計。

激光管的選擇

用戶在利用MAX3738設計光收發(fā)器時，在充分了解MAX3738的電氣特性后，首要工作是根據應用實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，用戶首先根據所需光輸出功率來確定所需激光管的輸出平均功率和消光比，而且在滿足輸出功率的前提下，應盡量使消光比大一些；在輸出功率和消光比確定后，可根據表1中功率關系來確定激光管的其它參數，根據這些參數來選擇滿足條件的激光管。

相關電流的設計

MAX3738優(yōu)點是能維持消光比穩(wěn)定，由表1可知：消光比(re)由光功率(P1)和光功率(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} ，式中各參數物理意義見表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電路通過調節(jié)偏置電流變化以維持平均光功率(PAVG)的穩(wěn)定，而AMC電路通過調節(jié)調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的電流的設計。

監(jiān)控光二極管反饋電流IMD的設計

在APC電路中，偏置電流的調節(jié)是通過監(jiān)控光二極管反饋電流(IMD)的變化來實現的，APC內部電路與外接監(jiān)控光二極管形成一閉環(huán)反饋控制回路，當輸出光平均功率變化時，通過監(jiān)控光二極管的反饋電流(IMD)也發(fā)生變化，APC內部電路就根據這種變化相應調整偏置電流變化，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。
當激光管選定后，轉移系數 MON即可確定，如表1所示。當用戶確定平均光功率后，即可根據公式： P_{AVG}=\frac{I_{MD}}{ _{MON}}來確定IMD理論值。

在MAX3738中，反饋電流IMD由APCSET端外接電阻設定，因此IMD設計的實質是確定APCSET端外接電阻RAPCSET值。用戶根據下式可確定RAPCSET值：

I_{MD}=\frac{1}{2} \frac{V_{REF}}{R_{APCSET}}，式中：VREF為MAX3738內部參考電壓，典型值為1.3V。
RAPCSET確定后，實際提供的反饋電流IMD就確定，APC電路會根據IMD變化自動調整偏置電流IBIAS，以維持平均光功率的穩(wěn)定。

調制電流IMOD的設計

光幅度功率(PP-P)變化與調制電流IMOD的有直接關系，MAX3738就是通過調節(jié)調制電流IMOD以維持光幅度功率穩(wěn)定。

當激光管選定后，用戶可根據表1關系式推出調制電流IMOD的計算公式，如下所示：

I_{MOD}=2 \frac{P_{AVG}}{ } \frac{r_{e} 1}{r_{e}+1}，式中各參數物理意義見表1 。

調制電流由三部分組成：固定調制電流(IMODS)、偏置補償調制電流((K I_{BIAS}) )和溫度補償調制電流(IMODT)。

(1)固定調制電流(IMODS)

固定調制電流是在理想工作條件下(溫度不變和輸出功率恒定)，驅動器所需的調制電流由MAX3738內部電路和MODSET端外接電阻所確定。通常用戶首先根據實際要求，確定所需要的固定調制電流(IMODS)，然后根據下式來確定MODSET端外接電阻(RMODSET)值。

I_{MODS}=268 \frac{V_{REF}}{R_{MODSET}} ，其中，VREF為MAX3738內部參考電壓，典型值為1.3V。

(2)偏置補償調制電流 (K I_{BIAS})

偏置補償調制電流是偏置電流變化所引起的，其作用大小由補償因子K值確定，K值大小由MODBCOMP端外接電阻所確定。在應用中，用戶首先應根據偏置電流和調制電流變化確定合適的補償因子K，然后根據K值確定MODBCOMP端外接電阻(RMODBCOMP)值。

確定補償因子K計算公式為：K=\frac{ I_{MOD}}{ I_{BIAS}}=\frac{I_{MOD2} I_{MOD1}}{I_{BIAS2} I_{BIAS1}} ；

確定RMODBCOMP的計算公式為： K=\frac{1700}{1000+R_{MODBCOMP}}\phantom{1.5}10%。

(3)溫度補償調制電流(IMODT)

溫度補償調制電流是溫度超過閥值溫度所引起的，其作用是補償溫度變化對調制電流的影響，溫度補償調制電流(IMODT)的計算公式為：

當T≤T_{TH}時：I_{MODT}=0 ；

當T>T_{TH}時： 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為溫度補償系數，其值由MODTCOMP端外接電阻(RMODTCOMP)所確定。

應用時，用戶應根據實際情況確定合適的溫度閥值和溫度補償系數，然后根據下列公式確定RTH_TEMP和RMODTCOMP：

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電路作用時間，減少低頻信號干擾。濾波電容CAPC值由低頻截止頻率 _{3DB}確定，通常用戶根據要求確定低頻截止頻率 _{3DB}，然后根據下式確定CAPC的值：

C_{APC}( F)≈\frac{68}{∫_{3DB}(KH_{Z})} _{MON} ，式中參數如表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。

應注意的問題

在設計過程中，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+ ，各種電流應滿足如下要求：

對于直流耦合：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 。

對于交流耦合：V_{OUT+}=V_{CC} \frac{I_{MOD}}{2} (R_6ughii6+R_{l})≥0.75V ，式中參數同上。

此外，由于MAX3738是高頻產品，電路布局對其影響很大。在電路設計時，應采用性能優(yōu)越的高頻布局技術，用戶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調失真；電路板應采用低損耗的介質材料，以減少能量損耗；數據輸入端引線和調制輸出端引線應采用阻抗可控的傳輸線，便于調整電路，減少能量損耗和降低干擾。

典型應用電路

MAX3738典型應用電路如圖2所示，圖中所標元器件值為典型值，未標元器件需要用戶在具體設計中確定，激光管采用直流耦合方式。

結束語

MAX3738激光驅動器具有同類產品無法比擬的優(yōu)點，主要在于它帶有APC電路和AMC電路，從而能保持消光比恒定，同時適合多種高速傳輸速率，因此該產品在光纖通信中有一定的應用前景。