帶消光比控制的多速率激光驅動器MAX3737

１　引言

ＭＡＸ３７３７是美國ＭＡＸＩＭ公司生產的帶有消光比控制的激光驅動器，它的工作速率為１５５Ｍｂｐｓ～２．７Ｇｂｐｓ，可用作多速率ＯＣ－３至ＯＣ－４８ ＦＥＣ等光纖系統中的光發射機。該產品與以往同類產品相比，不僅具有傳輸速率高、供電電流小和輸出平均功率恒定等特點，而且在激光管的使用壽命和溫度變化范圍內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８５ｍＡ的調制電流和高達１００ｍＡ的偏置電流；

● 內含自動功率控制(ＡＰＣ)、自動調制控制（ＡＭＣ)和溫度補償電路；

● 帶有以地為參考點的電流監控設置端；

● 具有安全控制和失效警告指示電路。

２　引腳功能、內部結構及工作原理

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）：分別為數據信號的正、反向輸入端；

ＰＣ ＭＯＮ(７）：監控?反饋?光二極管電流監控端。該端通過外接電阻可產生與反饋光二極管電流成正比、并以地為參考點的參考電壓；

ＢＣ ＭＯＮ(８）：激光管偏置電流監控端，可通過外接電阻產生與偏置電流成正比、并以地為參考點的參考電壓；

ＭＣ ＭＯＮ（９)：調制電流監控端，可通過外接電阻產生與調制電流成正比、并以地為參考點的參考電壓；

ＴＸ ＦＡＵＬＴ(１２)：傳輸失效指示端；

ＳＨＵＴＤＯＷＮ(１３）：關閉驅動器輸出端；

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，應用時應將這兩腳互連；

ＯＵＴ＋ (２１,２２)：正向輸出端，應用時應將這兩腳互連；

ＭＤ（２４)：監控?反饋?光二極管電流輸入端，應用時與監控(反饋）光二極管的正極連接；

ＶＭＤ(２５）：監控?反饋?光二極管電壓指示端；

ＡＰＣＦＩＬＴ１(２６）, ＡＰＣＦＩＬＴ２(２７）：ＡＰＣ環路主極點設置端，應用時應在這兩腳之間接一個電容器(ＣＡＰＣ）；

ＡＰＣＳＥＴ(２８）：平均光功率設置端；

ＭＯＤＳＥＴ（２９)：調制電流部分設置端；

ＭＯＤＢＣＯＭＰ(３０）：偏置電流對調制電流補償系數設置端；

ＴＨ ＴＥＭＰ(３１）：溫度補償電路閾值設置端；

ＭＯＤＴＣＯＭＰ(３２）：溫度補償系數設置端。

圖2

    ２．２ 內部結構及工作過程

ＭＡＸ３７３７內部結構如圖２所示，內部電路主要包括高速調制電路、消光比控制電路及安全邏輯控制和指示電路。其中，高速調制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電路組成，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。消光比控制電路包括三部分：自動功率控制?ＡＰＣ?電路、自動調制控制?ＡＭＣ?電路和溫度補償電路，其主要作用是與監控光二極管形成反饋控制電路，同時通過對偏置電流和調制電流的動態控制調節來維持消光比恒定；安全邏輯控制和指示電路主要是為驅動器正常工作提供安全保障，對驅動器工作狀態進行監控，同時提供驅動器的各種工作狀態和失效信息。

ＭＡＸ３７３７采用ＡＰＣ工作模式，當ＭＡＸ３７３７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，然后通過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＋端輸出以驅動外接激光管；當輸出功率變化時，反饋信號將從ＭＤ端輸入，然后通過消光比控制電路來調節調制電流和偏置電流的變化以自動維持輸出功率的穩定；當溫度變化超過閾值時，溫度補償電路會自動調節調制電流以維持功率穩定；當電路發生故障和其它意外情況發生時，安全邏輯控制和指示電路將通過ＳＨＵＴＤＯＷＮ端輸出控制信號以關閉激光管輸出，同時由ＴＸ ＦＡＵＬＴ端輸出警告信號。

３　應用設計

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

３．１ 激光管的選擇

用戶在利用ＭＡＸ３７３７設計光發射機時，首選是根據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，用戶可根據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，同時根據這些參數來選擇滿足條件的激光管。

３．２ 調制電流ＩＭＯＤ的設計

激光管選定后，用戶可根據表１中的關系式推導出調制電流ＩＭＯＤ的計算公式。具體如下：

ＩＭＯＤ＝２ＰＡＶＧ（ｒｅ－１）／η（ｒｅ＋１）；

式中，各參數的物理意義見表１所列。實際上，調制電流是由固定調制電流（ＩＭＯＤＳ)、偏置補償調制電流（ＫＩＢＩＡＳ)和溫度補償調制電流（ＩＭＯＤＴ)三部分組成的。

（１)固定調制電流（ＩＭＯＤＳ)

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

（２)偏置補償調制電流（Ｋ ＩＢＩＡＳ）

偏置補償調制電流是由偏置電流變化所引起的，其作用大小由補償因子Ｋ所確定，而Ｋ值大小則由ＭＯＤＢＣＯＭＰ端的外接電阻所確定。在應用中，可根據偏置電流和調制電流變化來確定合適的補償因子Ｋ，然后根據Ｋ值再確定ＭＯＤＢＣＯＭＰ端的外接電阻(ＲＭＯＤＢＣＯＭＰ）值。

確定補償因子Ｋ的計算公式為：

Ｋ＝△ＩＭＯＤ／△ＩＢＩＡＳ＝(ＩＭＯＤ２－ＩＭＯＤ１）／（ＩＢＩＡＳ２－ＩＢＩＡＳ１）；

而Ｋ值與ＲＭＯＤＢＣＯＭＰ的關系為：

Ｋ＝[１７００／(１０００＋ＲＭＯＤＢＣＯＭＰ）] ±１０％

(３）溫度補償調制電流(ＩＭＯＤＴ）

溫度補償調制電流一般是由溫度超過閾值溫度所引起的，其作用是補償溫度變化對調制電流的影響，當Ｔ＞ＴＴＨ時，溫度補償調制電流(ＩＭＯＤＴ）的計算公式為：

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為溫度補償系數，其值由ＭＯＤＴＣＯＭＰ端的外接電阻（ＲＭＯＤＴＣＯＭＰ)確定。

應用時，應根據實際情況確定合適的溫度閾值和溫度補償系數，然后根據下列公式來確定ＲＴＨ＿ＴＥＭＰ和ＲＭＯＤＴＣＯＭＰ：。

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

３．３ 監控光二極管反饋電流ＩＭＤ的設計

當激光管選定后，轉移系數ＰＭＯＮ即可確定，設計時可以參見表１中的參數設置公式。當用戶確定平均光功率后，即可根據公式ＰＡＶＧ＝ＩＭＤ／ＰＭＯＮ來確定ＩＭＤ的理論值。

在ＭＡＸ３７３７中，反饋電流ＩＭＤ可以由ＡＰＣＳＥＴ端外接電阻設定，因此ＩＭＤ設計的實質是確定ＡＰＣＳＥＴ端的外接電阻ＲＡＰＣＳＥＴ。用戶根據下式可確定ＲＡＰＣＳＥＴ值。

ＩＭＤ＝ＶＲＥＦ／（２ＲＡＰＣＳＥＴ）

ＲＡＰＣＳＥＴ確定后，實際提供的反饋電流ＩＭＤ就確定了，這樣，ＡＰＣ電路就會根據ＩＭＤ的變化來自動調整偏置電流ＩＢＩＡＳ，從而維持平均光功率的穩定。

圖3

    ３．４ ＡＰＣ環路濾波電容的設計

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，用戶可以首先根據要求確定低頻截止頻率ｆ３ＤＢ，然后根據下式確定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

在設計過程中，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＋，各種電流都應滿足如下要求：

(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是高頻產品，電路布局對其影響很大，在電路設計時，應當采用性能比較優越的高頻布局技術，同時，用戶應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，這樣?可以方便電路調整，減少能量損耗和降低干擾。

４　結束語

ＭＡＸ３７３７激光驅動器具有同類產品無法比擬的優點，主要在于它帶有三個控制電路(ＡＰＣ電路、ＡＭＣ電路和溫度補償電路），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?該產品在光纖通信中具有廣泛的應用前景。