帶消光比控制的多速率激光驅(qū)動器MAX3737

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(qū)動器，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(tǒng)中的光發(fā)射機(jī)。該產(chǎn)品與以往同類產(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(nèi)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(dá)８５ｍＡ的調(diào)制電流和高達(dá)１００ｍＡ的偏置電流；

● 內(nèi)含自動功率控制(ＡＰＣ)、自動調(diào)制控制（ＡＭＣ)和溫度補(bǔ)償電路；

● 帶有以地為參考點(diǎn)的電流監(jiān)控設(shè)置端；

● 具有安全控制和失效警告指示電路。

２　引腳功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)信號的正、反向輸入端；

ＰＣ ＭＯＮ(７）：監(jiān)控?反饋?光二極管電流監(jiān)控端。該端通過外接電阻可產(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(jiān)控端，可通過外接電阻產(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(diào)制電流監(jiān)控端，可通過外接電阻產(chǎn)生與調(diào)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(qū)動器輸出端；

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(yīng)用時應(yīng)將這兩腳互連；

ＯＵＴ＋ (２１,２２)：正向輸出端，應(yīng)用時應(yīng)將這兩腳互連；

ＭＤ（２４)：監(jiān)控?反饋?光二極管電流輸入端，應(yīng)用時與監(jiān)控(反饋）光二極管的正極連接；

ＶＭＤ(２５）：監(jiān)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(shè)置端，應(yīng)用時應(yīng)在這兩腳之間接一個電容器(ＣＡＰＣ）；

ＡＰＣＳＥＴ(２８）：平均光功率設(shè)置端；

ＭＯＤＳＥＴ（２９)：調(diào)制電流部分設(shè)置端；

ＭＯＤＢＣＯＭＰ(３０）：偏置電流對調(diào)制電流補(bǔ)償系數(shù)設(shè)置端；

ＴＨ ＴＥＭＰ(３１）：溫度補(bǔ)償電路閾值設(shè)置端；

ＭＯＤＴＣＯＭＰ(３２）：溫度補(bǔ)償系數(shù)設(shè)置端。

圖2

    ２．２ 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過程

ＭＡＸ３７３７內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖２所示，內(nèi)部電路主要包括高速調(diào)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(diào)制電路包括輸入級和輸出級兩部分，主要由輸入緩沖、數(shù)據(jù)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(diào)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：自動功率控制?ＡＰＣ?電路、自動調(diào)制控制?ＡＭＣ?電路和溫度補(bǔ)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，同時通過對偏置電流和調(diào)制電流的動態(tài)控制調(diào)節(jié)來維持消光比恒定；安全邏輯控制和指示電路主要是為驅(qū)動器正常工作提供安全保障，對驅(qū)動器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時提供驅(qū)動器的各種工作狀態(tài)和失效信息。

ＭＡＸ３７３７采用ＡＰＣ工作模式，當(dāng)ＭＡＸ３７３７正常工作時，數(shù)據(jù)從ＩＮ－端和ＩＮ＋端輸入，經(jīng)輸入緩沖電路和數(shù)據(jù)通道處理，然后通過控制差分對調(diào)制器輸出以實(shí)現(xiàn)調(diào)制，調(diào)制后的信號從ＯＵＴ－端和ＯＵＴ＋端輸出以驅(qū)動外接激光管；當(dāng)輸出功率變化時，反饋信號將從ＭＤ端輸入，然后通過消光比控制電路來調(diào)節(jié)調(diào)制電流和偏置電流的變化以自動維持輸出功率的穩(wěn)定；當(dāng)溫度變化超過閾值時，溫度補(bǔ)償電路會自動調(diào)節(jié)調(diào)制電流以維持功率穩(wěn)定；當(dāng)電路發(fā)生故障和其它意外情況發(fā)生時，安全邏輯控制和指示電路將通過ＳＨＵＴＤＯＷＮ端輸出控制信號以關(guān)閉激光管輸出，同時由ＴＸ ＦＡＵＬＴ端輸出警告信號。

３　應(yīng)用設(shè)計(jì)

ＭＡＸ３７３７在應(yīng)用時要求用戶自行設(shè)計(jì)的電路非常少，用戶的主要設(shè)計(jì)工作是選擇合適的激光管以及各種相關(guān)電流的設(shè)計(jì)。ＭＡＸ３７３７典型應(yīng)用電路如圖３所示，圖中所標(biāo)元器件參數(shù)值為典型值，未標(biāo)元器件需要在具體設(shè)計(jì)中確定，激光管采用直流耦合方式。下面結(jié)合典型應(yīng)用電路來介紹ＭＡＸ３７３７的應(yīng)用設(shè)計(jì)過程。

３．１ 激光管的選擇

用戶在利用ＭＡＸ３７３７設(shè)計(jì)光發(fā)射機(jī)時，首選是根據(jù)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，用戶可根據(jù)光輸出功率來確定所需激光管的輸出平均功率和消光比，并應(yīng)在滿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，同時根據(jù)這些參數(shù)來選擇滿足條件的激光管。

３．２ 調(diào)制電流ＩＭＯＤ的設(shè)計(jì)

激光管選定后，用戶可根據(jù)表１中的關(guān)系式推導(dǎo)出調(diào)制電流ＩＭＯＤ的計(jì)算公式。具體如下：

ＩＭＯＤ＝２ＰＡＶＧ（ｒｅ－１）／η（ｒｅ＋１）；

式中，各參數(shù)的物理意義見表１所列。實(shí)際上，調(diào)制電流是由固定調(diào)制電流（ＩＭＯＤＳ)、偏置補(bǔ)償調(diào)制電流（ＫＩＢＩＡＳ)和溫度補(bǔ)償調(diào)制電流（ＩＭＯＤＴ)三部分組成的。

（１)固定調(diào)制電流（ＩＭＯＤＳ)

固定調(diào)制電流是在理想工作條件（溫度不變和輸出功率恒定)下驅(qū)動器所需的調(diào)制電流。該電流可由ＭＡＸ３７３７內(nèi)部電路和ＭＯＤＳＥＴ端的外接電阻所確定。因此，應(yīng)首先根據(jù)實(shí)際要求確定所需的固定調(diào)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(nèi)部的參考電壓，一般情況下的典型值為１．３Ｖ。

（２)偏置補(bǔ)償調(diào)制電流（Ｋ ＩＢＩＡＳ）

偏置補(bǔ)償調(diào)制電流是由偏置電流變化所引起的，其作用大小由補(bǔ)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(yīng)用中，可根據(jù)偏置電流和調(diào)制電流變化來確定合適的補(bǔ)償因子Ｋ，然后根據(jù)Ｋ值再確定ＭＯＤＢＣＯＭＰ端的外接電阻(ＲＭＯＤＢＣＯＭＰ）值。

確定補(bǔ)償因子Ｋ的計(jì)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(bǔ)償調(diào)制電流(ＩＭＯＤＴ）

溫度補(bǔ)償調(diào)制電流一般是由溫度超過閾值溫度所引起的，其作用是補(bǔ)償溫度變化對調(diào)制電流的影響，當(dāng)Ｔ＞ＴＴＨ時，溫度補(bǔ)償調(diào)制電流(ＩＭＯＤＴ）的計(jì)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）來確定；ＴＣ為溫度補(bǔ)償系數(shù)，其值由ＭＯＤＴＣＯＭＰ端的外接電阻（ＲＭＯＤＴＣＯＭＰ)確定。

應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定合適的溫度閾值和溫度補(bǔ)償系數(shù)，然后根據(jù)下列公式來確定ＲＴＨ＿ＴＥＭＰ和ＲＭＯＤＴＣＯＭＰ：。

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

３．３ 監(jiān)控光二極管反饋電流ＩＭＤ的設(shè)計(jì)

當(dāng)激光管選定后，轉(zhuǎn)移系數(shù)ＰＭＯＮ即可確定，設(shè)計(jì)時可以參見表１中的參數(shù)設(shè)置公式。當(dāng)用戶確定平均光功率后，即可根據(jù)公式ＰＡＶＧ＝ＩＭＤ／ＰＭＯＮ來確定ＩＭＤ的理論值。

在ＭＡＸ３７３７中，反饋電流ＩＭＤ可以由ＡＰＣＳＥＴ端外接電阻設(shè)定，因此ＩＭＤ設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確定ＡＰＣＳＥＴ端的外接電阻ＲＡＰＣＳＥＴ。用戶根據(jù)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電路就會根據(jù)ＩＭＤ的變化來自動調(diào)整偏置電流ＩＢＩＡＳ，從而維持平均光功率的穩(wěn)定。

圖3

    ３．４ ＡＰＣ環(huán)路濾波電容的設(shè)計(jì)

在ＡＰＣ電路中，濾波電容ＣＡＰＣ的作用是延遲ＡＰＣ電路的作用時間，減少低頻信號干擾。濾波電容ＣＡＰＣ的值可由低頻截止頻率ｆ３ＤＢ來確定，用戶可以首先根據(jù)要求確定低頻截止頻率ｆ３ＤＢ，然后根據(jù)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(xiàng)

在設(shè)計(jì)過程中，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(diào)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(diào)制電流大于６０ｍＡ，則應(yīng)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(yīng)滿足如下要求：

(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(shè)計(jì)時，應(yīng)當(dāng)采用性能比較優(yōu)越的高頻布局技術(shù)，同時，用戶應(yīng)采用具有公共接地層的多層電路板來降低電磁干擾和交調(diào)失真；電路板應(yīng)采用低損耗的介質(zhì)材料，以減少能量損耗；數(shù)據(jù)輸入端引線和調(diào)制輸出端引線應(yīng)采用阻抗可控的傳輸線，這樣?可以方便電路調(diào)整，減少能量損耗和降低干擾。

４　結(jié)束語

ＭＡＸ３７３７激光驅(qū)動器具有同類產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要在于它帶有三個控制電路(ＡＰＣ電路、ＡＭＣ電路和溫度補(bǔ)償電路），因而能始終保持消光比的恒定?同時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(yīng)用前景。