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帶調制補償的激光驅動器MAX3863及其應用
摘要：MAX3863是MAXIM公司推出的一種帶有調制補償的激光驅動器，適用于傳輸速率為2.7Gbps的光纖網絡中，可用作WDM和SONET/SDH傳輸系統(tǒng)中的光發(fā)射機。該產品上為傳輸速率高、功耗低和輸出功率恒定等特點。文中介紹了MAX3863的引腳定義、內部結構和工作原理以及應用設計過程，給出了典型應用電路。關鍵詞：MAX3863 APC 調制補償 激光 驅動器
1 概述
MAX3863是美國MAXIM公司生產的帶有調制補償的激光驅動器，適用于在傳輸速率為2.7Gbps的光纖網絡中，可用作WDM和SONET/SDH傳輸系統(tǒng)中的光發(fā)射機。該產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的上升沿時間/下降沿時間；
*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(jiān)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行調制，并為外部激光管提供所需的激勵電流信號；電流監(jiān)視電路主要是為用戶提供驅動器的工作失效信息；APC電路能自動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(wěn)定和激光管的消光比恒定。
當MAX3863正常工作時，數據從DATA-端和DATA+端輸入并經數據轉換器重新定時同步后，控制高速差分調制器輸出以實現調制，調制后的信號將從MOD端和MODN端輸出，云驅動外接激光管；當電路發(fā)生故障或其它意外情況發(fā)生時，輸出關閉，同時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，APC電路使監(jiān)控反饋電流信號從MD端輸入，并經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，從而達到自動穩(wěn)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的時鐘正向、反向輸入端；
APCSET(9)：監(jiān)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短路接地時可使通過監(jiān)控二極管的調整電路失效。在設計時，APCFILT1和APCFILT2通過電容相連（電容典型值為0.01μF）可延長監(jiān)控反饋電流的作用時間；
PWC+(12),PWC-(13)：輸入調制脈沖信號寬度調整端，應用時可通過調整電阻（RPWC）接地；
MK+（15），MK-(16)：監(jiān)視輸入脈沖信號強度正向、反向輸出端；
FALL(17):驅動器電路失效警告端，當驅動器電路失效時，該腳輸出低電平；
BIAS(18)：偏置電流輸出入端，一般通過電感線圈與激光管連接；
MOD(20)，MODE(21)：調制信號輸出端；(范文先生網www.gymyzhishaji.com收集整理)
MD(23)：監(jiān)控光二極管反饋輸入端；
MDMON(24):監(jiān)控反饋電流監(jiān)視輸出端；
MODMON(25):調制電流監(jiān)視輸出端；
BIASMON(26)：偏置電流監(jiān)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，可通過外接電阻來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器產品，由于集成度高，因此應用時需要用戶設計的電路比較少。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電流。MAX3863在應用時，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在實際應用中確定。下面介紹MAX3863作為光發(fā)射機的應用設計過程。
3.1 激光管的選擇
在利用MAX3863設計發(fā)射機時，第一步工作是根據實際需求選擇合適的激光管。一般情況下，用戶首先應根據所需光輸出平均功率來確定所需激光管的輸出平均功率和消光化，而且在滿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系來確定激光管的其它參數，然后再根據這些參數來選擇滿足條件的激光管；此外，在選擇激光管時，激光管的偏置電流不應超過MAX3863的偏置電流設定范圍。
表1 光功率關系表
3.2 相關電流的設計
MAX3863的相關電流可由外接元器件來確定，因此，相關電流設計的實質是確定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表1所列。此外，調制電流IMOD除應滿足MAX3863的調制電流設定范圍外，還應滿足以下條件：
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）.若上述關系式不能滿足，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引起系統(tǒng)性抖動，從而造成信號低頻成分的丟失，因此，耦合電容CD應滿足下列條件：
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。實際上，對于連續(xù)數字流（CID），為了保證周期內的信號峰-峰值下降度不大于3％，對延時常數（τ=35×t）應有一定的要求。對于本實際電路，可根據τ=Lp/25Ω和上述各關系來確定Lp和CD的值。
一般情況下，IMOD設計的實質是確定RD、RL、Lp和Cd的值，用戶可根據實際情況，在兼顧各項性能指標的同時，利用上述關系式合理選擇。
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=200×1.2V/RMODSET
IMODC=KIBIAS=200×5IBIAS/(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，激光管的偏置電流IBIAS將隨監(jiān)控反饋電流的影響而變化，從而維持輸出功率的穩(wěn)定。當APC電路失效時，激光管的偏置電流尖能防止電流過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。在實際應用中，用戶可利用BIAXMAX端，并通過外接電阻來設置IBIASMAX。當激光管選定后，實際的領導置電流已確定，因此，設置IBIASMAX的實質是確定BIAXMAX端的外接電阻值。設置公式為：
IBIASMAX=200×1.2V/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，為使電路能正常工作，一定要使IBIASMAX比正常工作時的IBIAS稍大一秒。
d. 監(jiān)控二極管反饋電流參考值IMD的設計
監(jiān)控二極管反饋電流通常從MD端進入APC電路，并與正常工作時的監(jiān)控二極管反饋電流參考值IMD進行比較。若存在誤差，則需調整偏置電流，以保證輸出功率穩(wěn)定。而監(jiān)控二極管的反饋電流參考值是通過APCSET端外接電阻來設置的。當電路工作狀態(tài)處于穩(wěn)態(tài)時，在誤差容許范圍內，監(jiān)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(wěn)態(tài)時的IMD值，因此，設置IMD的實質是確定APCSET端的外接電阻值。
由于通過APCSET端外接電阻的禁帶電壓始終保持在1.2V，因此，用戶可利用下面的公式來計算APCSET端的外接電阻值。
IMD=5×1.2V/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，應使IMD與電路穩(wěn)態(tài)工作時的監(jiān)控二極管的反饋電流相等。
3.3 應注意的問題
由于MAX3863是高頻產品，電路布局對其影響很大。因此，在電路設計時，應采用性能優(yōu)越的高頻布局技術，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材料，以減少能量損耗；激光管與MAX3863之間的連接線應盡量短一些，以減少能量消耗和交越失真；此外，數據輸入端、時鐘輸入端和調制輸出端的引線均應采用阻抗可控的傳輸線，以便于電路調整，減少能量損耗和降低干擾。
4 結束語
MAX3863激光驅動器與第一代同類產品相比，具有傳輸速率高，帶有調制補償APC電路等優(yōu)點。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得到廣泛的應用。
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