带消光比控制的多速率激光驱动器MAX3737

摘要：MAX3737是MAXIM公司生产的一种带有消光比控制的激光驱动器。该器件的传输速率为155Mbps～２.７Gbps，可用作光纤网络中的光发射机。该产品具有功耗低、工作电流小和消光比恒定等特点。文中介绍了MAX3737的主要性能、引脚功能、内部结构及工作原理；同时结合其典型应用电路介绍了MAX3737的应用设计过程。 关键词：MAX3737；ERC；APC；激光二极管 １　引言 ＭＡＸ３７３７是美国ＭＡＸＩＭ公司生产的带有消光比控制的激光驱动器，它的工作速率为１５５Ｍｂｐｓ～２．７Ｇｂｐｓ，可用作多速率ＯＣ－３至ＯＣ－４８ ＦＥＣ等光纤系统中的光发射机。该产品与以往同类产品相比，不仅具有传输速率高、供电电流小和输出平均功率恒定等特点，而且在激光管的使用寿命和温度变化范围内能始终保持消光比恒定。ＭＡＸ３７３７的主要特性如下： ● 采用＋３．３Ｖ单电源工作模式； ● 仅需４７ｍＡ的电源供给电流； ● 能提供高达８５ｍＡ的调制电流和高达１００ｍＡ的偏置电流； ● 内含自动功率控制(ＡＰＣ)、自动调制控制（ＡＭＣ)和温度补偿电路； ● 带有以地为参考点的电流监控设置端； ● 具有安全控制和失效警告指示电路。 ２　引脚功能、内部结构及工作原理 ２．１ 引脚功能 ＭＡＸ３７３７采用３２－ｐｉｎ ＱＦＮ封装形式，它的引脚排列如图１所示。各引脚功能如下： ＧＮＤ（１，１０,１５，１６）：接地端； ＴＸ ＤＩＳＡＢＬＥ(２）：激光管输出控制端电压输入，低电平有效； ＶＣＣ(３,６，１１,１８，２３）：＋３．３Ｖ电源端口； ＩＮ＋(４），ＩＮ－(５）：分别为数据信号的正、反向输入端； ＰＣ ＭＯＮ(７）：监控反馈光二极管电流监控端。该端通过外接电阻可产生与反馈光二极管电流成正比、并以地为参考点的参考电压； ＢＣ ＭＯＮ(８）：激光管偏置电流监控端，可通过外接电阻产生与偏置电流成正比、并以地为参考点的参考电压； ＭＣ ＭＯＮ（９)：调制电流监控端，可通过外接电阻产生与调制电流成正比、并以地为参考点的参考电压； ＴＸ ＦＡＵＬＴ(１２)：传输失效指示端； ＳＨＵＴＤＯＷＮ(１３）：关闭驱动器输出端； ＶＢＳ（１４)：激光管偏置电压指示端； ＢＩＡＳ（１７)：激光管偏置电流输出端； ＯＵＴ－（１９，２０）：反向输出端，应用时应将这两脚互连； ＯＵＴ＋ (２１,２２)：正向输出端，应用时应将这两脚互连； ＭＤ（２４)：监控反馈光二极管电流输入端，应用时与监控(反馈）光二极管的正极连接； ＶＭＤ(２５）：监控反馈光二极管电压指示端； ＡＰＣＦＩＬＴ１(２６）, ＡＰＣＦＩＬＴ２(２７）：ＡＰＣ环路主极点设置端，应用时应在这两脚之间接一个电容器(ＣＡＰＣ）； ＡＰＣＳＥＴ(２８）：平均光功率设置端； ＭＯＤＳＥＴ（２９)：调制电流部分设置端； ＭＯＤＢＣＯＭＰ(３０）：偏置电流对调制电流补偿系数设置端； ＴＨ ＴＥＭＰ(３１）：温度补偿电路阈值设置端； ＭＯＤＴＣＯＭＰ(３２）：温度补偿系数设置端。 图2 ２．２ 内部结构及工作过程 ＭＡＸ３７３７内部结构如图２所示，内部电路主要包括高速调制电路、消光比控制电路及安全逻辑控制和指示电路。其中，高速调制电路包括输入级和输出级两部分，主要由输入缓冲、数据通道和高速差分对电路组成，其功能是对输入信号进行调制，并为外部激光管提供所需的激励信号。消光比控制电路包括三部分：自动功率控制ＡＰＣ电路、自动调制控制ＡＭＣ电路和温度补偿电路，其主要作用是与监控光二极管形成反馈控制电路，同时通过对偏置电流和调制电流的动态控制调节来维持消光比恒定；安全逻辑控制和指示电路主要是为驱动器正常工作提供安全保障，对驱动器工作状态进行监控，同时提供驱动器的各种工作状态和失效信息。 ＭＡＸ３７３７采用ＡＰＣ工作模式，当ＭＡＸ３７３７正常工作时，数据从ＩＮ－端和ＩＮ＋端输入，经输入缓冲电路和数据通道处理，然后通过控制差分对调制器输出以实现调制，调制后的信号从ＯＵＴ－端和ＯＵＴ＋端输出以驱动外接激光管；当输出功率变化时，反馈信号将从ＭＤ端输入，然后通过消光比控制电路来调节调制电流和偏置电流的变化以自动维持输出功率的稳定；当温度变化超过阈值时，温度补偿电路会自动调节调制电流以维持功率稳定；当电路发生故障和其它意外情况发生时，安全逻辑控制和指示电路将通过ＳＨＵＴＤＯＷＮ端输出控制信号以关闭激光管输出，同时由ＴＸ ＦＡＵＬＴ端输出警告信号。 ３　应用设计 ＭＡＸ３７３７在应用时要求用户自行设计的电路非常少，用户的主要设计工作是选择合适的激光管以及各种相关电流的设计。ＭＡＸ３７３７典型应用电路如图３所示，图中所标元器件参数值为典型值，未标元器件需要在具体设计中确定，激光管采用直流耦合方式。下面结合典型应用电路来介绍ＭＡＸ３７３７的应用设计过程。 ３．１ 激光管的选择 用户在利用ＭＡＸ３７３７设计光发射机时，首选是根据实际需求选择合适的激光管。一般情况下，光输出功率用平均光功率和消光比描述，用户可根据光输出功率来确定所需激光管的输出平均功率和消光比，并应在满足输出功率的前提下，尽量使消光比大一些。在输出功率和消光比确定后，同时根据这些参数来选择满足条件的激光管。 ３．２ 调制电流ＩＭＯＤ的设计 激光管选定后，用户可根据表１中的关系式推导出调制电流ＩＭＯＤ的计算公式。具体如下： ＩＭＯＤ＝２ＰＡＶＧ（ｒｅ－１）／η（ｒｅ＋１）； 式中，各参数的物理意义见表１所列。实际上，调制电流是由固定调制电流（ＩＭＯＤＳ)、偏置补偿调制电流（ＫＩＢＩＡＳ)和温度补偿调制电流（ＩＭＯＤＴ)三部分组成的。 （１)固定调制电流（ＩＭＯＤＳ) 固定调制电流是在理想工作条件（温度不变和输出功率恒定)下驱动器所需的调制电流。该电流可由ＭＡＸ３７３７内部电路和ＭＯＤＳＥＴ端的外接电阻所确定。因此，应首先根据实际要求确定所需的固定调制电流（ＩＭＯＤＳ)，然后再确定ＭＯＤＳＥＴ端的外接电阻（ＲＭＯＤＳＥＴ)值具体为： ＩＭＯＤＳ＝２６８ＶＲＥＦ／ＲＭＯＤＳＥＴ 其中，ＶＲＥＦ为ＭＡＸ３７３７内部的参考电压，一般情况下的典型值为１．３Ｖ。 （２)偏置补偿调制电流（Ｋ ＩＢＩＡＳ） 偏置补偿调制电流是由偏置电流变化所引起的，其作用大小由补偿因子Ｋ所确定，而Ｋ值大小则由ＭＯＤＢＣＯＭＰ端的外接电阻所确定。在应用中，可根据偏置电流和调制电流变化来确定合适的补偿因子Ｋ，然后根据Ｋ值再确定ＭＯＤＢＣＯＭＰ端的外接电阻(ＲＭＯＤＢＣＯＭＰ）值。 确定补偿因子Ｋ的计算公式为： Ｋ＝△ＩＭＯＤ／△ＩＢＩＡＳ＝(ＩＭＯＤ２－ＩＭＯＤ１）／（ＩＢＩＡＳ２－ＩＢＩＡＳ１）； 而Ｋ值与ＲＭＯＤＢＣＯＭＰ的关系为： Ｋ＝[１７００／(１０００＋ＲＭＯＤＢＣＯＭＰ）] %26;#177;１０％ (３）温度补偿调制电流(ＩＭＯＤＴ） 温度补偿调制电流一般是由温度超过阈值温度所引起的，其作用是补偿温度变化对调制电流的影响，当Ｔ＞ＴＴＨ时，温度补偿调制电流(ＩＭＯＤＴ）的计算公式为： ＩＭＯＤＴ＝ＴＣ(Ｔ－ＴＴＨ）； 其中，ＴＴＨ为温度阈值，其值可由ＴＨ＿ＴＥＭＰ端的外接电阻(ＲＴＨ＿ＴＥＭＰ）来确定；ＴＣ为温度补偿系数，其值由ＭＯＤＴＣＯＭＰ端的外接电阻（ＲＭＯＤＴＣＯＭＰ)确定。 应用时，应根据实际情况确定合适的温度阈值和温度补偿系数，然后根据下列公式来确定ＲＴＨ＿ＴＥＭＰ和ＲＭＯＤＴＣＯＭＰ：。 ＴＴＨ＝－７０℃＋[１．４５ＭΩ／(９．２ｋΩ＋ＲＴＨ－ＴＥＭＰ）] ℃%26;#177;１０％； ３．３ 监控光二极管反馈电流ＩＭＤ的设计 当激光管选定后，转移系数ＰＭＯＮ即可确定，设计时可以参见表１中的参数设置公式。当用户确定平均光功率后，即可根据公式ＰＡＶＧ＝ＩＭＤ／ＰＭＯＮ来确定ＩＭＤ的理论值。 在ＭＡＸ３７３７中，反馈电流ＩＭＤ可以由ＡＰＣＳＥＴ端外接电阻设定，因此ＩＭＤ设计的实质是确定ＡＰＣＳＥＴ端的外接电阻ＲＡＰＣＳＥＴ。用户根据下式可确定ＲＡＰＣＳＥＴ值。 ＩＭＤ＝ＶＲＥＦ／（２ＲＡＰＣＳＥＴ） ＲＡＰＣＳＥＴ确定后，实际提供的反馈电流ＩＭＤ就确定了，这样，ＡＰＣ电路就会根据ＩＭＤ的变化来自动调整偏置电流ＩＢＩＡＳ，从而维持平均光功率的稳定。 图3 ３．４ ＡＰＣ环路滤波电容的设计 在ＡＰＣ电路中，滤波电容ＣＡＰＣ的作用是延迟ＡＰＣ电路的作用时间，减少低频信号干扰。滤波电容ＣＡＰＣ的值可由低频截止频率ｆ３ＤＢ来确定，用户可以首先根据要求确定低频截止频率ｆ３ＤＢ，然后根据下式确定ＣＡＰＣ的值。 ＣＡＰＣ（μＦ）≈η６８ρＭＯＮ／ｆ３ＤＢ(ｋＨｚ） 为滤除高频噪声，在ＭＤ端需接一下拉电容ＣＭＤ到地，一般情况下，下拉电容ＣＭＤ的值约为滤波电容ＣＡＰＣ值的四分之一。 ３．５ 注意事项 在设计过程中，为使电路正常工作，对各种电流要有一定的条件限制。若所需调制电流不大于６０ｍＡ，ＭＡＸ３７３７和外接激光管可采用直流耦合方式；若调制电流大于６０ｍＡ，则应采用交流耦合方式。不管采用哪种耦合方式，在输出端ＯＵＴ＋，各种电流都应满足如下要求： (１） 对于直流耦合 ＶＯＵＴ＋＝ＶＣＣ－ＶＤＩＯＤＥ－ＩＭＯＤ(ＲＤ＋ＲＬ）－ＩＢＩＡＳＲＬ≥０．７Ｖ 式中，ＶＤＩＯＤＥ为激光二极管的偏置端电压，典型值为１．２Ｖ；ＲＬ是激光二极管的偏置端电阻，典型值为５Ω；ＲＤ为串行匹配电阻，典型值为２０Ω。 (２) 对于交流耦合 ＶＯＵＴ＋＝ＶＣＣ－ＩＭＯＤ（ＲＤ＋ＲＬ)／２≥０．７５Ｖ 此外，由于ＭＡＸ３７３７是高频产品，电路布局对其影响很大，在电路设计时，应当采用性能比较优越的高频布局技术，同时，用户应采用具有公共接地层的多层电路板来降低电磁干扰和交调失真；电路板应采用低损耗的介质材料，以减少能量损耗；数据输入端引线和调制输出端引线应采用阻抗可控的传输线，这样可以方便电路调整，减少能量损耗和降低干扰。 ４　结束语 ＭＡＸ３７３７激光驱动器具有同类产品无法比拟的优点，主要在于它带有三个控制电路(ＡＰＣ电路、ＡＭＣ电路和温度补偿电路），因而能始终保持消光比的恒定同时也适合多种传输速率，因此该产品在光纤通信中具有广泛的应用前景。