29光模块发射电路

光通信激光二极管驱动电路原理与应用本讲座主要内容•激光二极管驱动电路基本原理•电流控制原理•自动功率控制（APC）电路原理•稳定消光比和光功率的原理和温度补偿激光二极管的特性•激光二极管（LD—Laserdiode）是一个电流器件，只在它通过的正向电流超过阈值电流Ith（Threholdcurrent）时它发出激光•为了使LD高速开关工作，必须对它加上略大于阈值电流的直流偏置电流IBIAS•LD的两个主要参数：阈值电流Ith和斜效率S（Slopeefficiency）是温度的函数，且具有离散性激光二极管驱动电路•驱动电路实质上就是一个高速电流开关LD调制电流输出电路原理图LD直流耦合接口电路原理图RFCF阻尼网络•接在LD阴极的阻容网络（RFCF）的作用是补偿LD封装内部的引线寄生电感，以降低寄生电感引起的过冲和振铃（对LD固有的驰豫振荡无效）•RF通常是小于100Ω的电阻CF通常是小于10pF的电容低速（l55Mb/s以下）的电路不需要RFCF调制电流和偏置电流设置原理•调制电流和偏置电流的大小都可以用镜像恒流源来设置•上图是基本型镜像恒流源电路当Q1和Q2严格配对时Ir=IoIr的又是由Rr来决定的，所以改变Rr就可以设置Io•下图是实际常用的一种镜像恒流源电路Io≈IrR2/R1通过改变外接电阻R2，就可以设置Io（调制电流或偏置电流）•在驱动电路中有多处会用到镜像电流源，不光用于电流设置，引出电流监控也要用到镜像电流的方法Q1Q2RrIoIr+VccQ1Q2RrIr+VccR2R1IoLD的温度特性•LD是半导体器件，它的特性与二极管类似•温度升高阈值电流Ith增大斜效率S降低•为了保持输出平均光功率和消光比不变，在温度上升时要增大IBIAS和IMOD*消光比re=P1/P0平均光功率PAVG=(P1+P0)/2LD的温度特性稳定光功率和消光比的方法•闭环自动功率控制（APC）+热敏电阻补偿调制电流•开环补偿法热敏电阻补偿(调制电流和偏置电流)通过MCU查表精确设置调制电流和偏置电流•其它方法：APC+芯片内部对调制电流补偿—如MAXIM公司的MAX3863、Mindspeed公司的M02066等自动功率控制（APC）原理•通过检测背光二极管（MD）产生的光电流（平均值）来实现闭环控制•APC调节偏置电流来保持平均输出光功率稳定；APC只对偏置电流回路起作用•APC对调制电流无法控制，温度升高，斜效率降低，调制幅度变小，APC却使偏流加大，消光比就变小了激光器驱动电路原理图(1)激光器驱动电路原理图(2)驱动电路结构一个典型的激光器驱动电路包括下列部分：1.差分电流开关电路—向LD输出调制电流2.偏置电流发生器—向LD提供直流偏置电流3.自动功率控制（APC）电路—在不同温度和LD老化的情况下，改变IBIAS，保持PAVG不变4.故障告警、保护电路5.调制电流、偏置电流监控电路6.输入端整形电路（D触发器）用交流耦合驱动LD•驱动电流IMOD通过电容CD耦合到LD•流过LD的电流：‘1’IL=IBIAS＋IMOD/2‘0’IL=IBIAS－IMOD/2比较两种驱动方式AC耦合DC耦合电路元件多2～4个元件最少多速率工作有低速率限制无低速率限制易于匹配元件多LD引脚不能靠近驱动器芯片，不易匹配LD引脚直接连接LDD芯片，易于匹配，高速性能好驱动器功耗较大较小输出调制电流较大（不受‘Headroom’限制）较小（受‘Headroom’限制）LD和驱动芯片接口LD和驱动芯片接口要求1.TO型激光器安装在PCB边沿时，接地层要扩展到PCB边沿以减少管脚引线电感，过大的电感会使波形边沿速度变慢2.激光器要尽可能靠近驱动器芯片，只要接线长度小于传输波长，可以不考虑传输线的几何尺寸，减少线宽有利于减小寄生电容3.要仔细考虑高速信号电流环路，尽量减小返回路径的连接阻抗，并使高速电流环路闭合面积最小，就能减少EMI4.在激光器阳极处Vcc要有足够的旁路电容，以降低高速电流切换而产生的电源开关噪声消光比和光功率的温度稳定•温度升高时斜效率降低，而此时APC电路却使偏流加大了，调制幅度相对变小，这就使消光比变小—单一的APC无法稳定消光比•温度变化时,在同样的发射光功率下，背光二极管（MD）产生的光电流（平均值）发生了变化。MD的眼踪误差引起APC的跟踪误差—光功率会因为MD的跟踪误差产生较大的变化要求MD跟踪误差小于1dB（1.5dB）•调制电流补偿不正确，过补偿或欠补偿都会使光功率和消光比随温度变化而发生较大的变化解决方案•根据LD的温度特性精心设计热敏电阻补偿电路—常用•MAXIM公司的某些芯片采用K因子补偿法•某些芯片内部对调制电流做温度补偿—自动调制电流控制（AMC）•ANALOG公司某些芯片采用双环电路补偿调制电流以保持消光比不变•某些芯片设置查找表，配合其中的数字电位器，在温度变化后重新设置偏置电流和调制电流，可以精确保持光功率和消光比稳定参考资料1.MaximApplicationnoteHFAN-2.0Interfacingmaximlaserdriverswithlaserdiodes2.MaximApplicationnoteHFAN-2.2.1MaintainingtheextinctionratioofopticaltransmittersusingK-factorcontrol3.MaximdesignnoteHFDN-18.0TheMAX3865LaserDriverwithAutomaticModulationControl4.AnalogdevicesDatasheet3VDualloop50Mbpsto3.3GbpslaserdiodedriverADN28475.MaindspeedDatasheet3.3VoltLaserDriverICforApplicationsto3GbpsM02066