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千兆SFP光纤收发器中控制电路参数的设计与仿真

2009-10-12 14:35
FlappyBird
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序言

小型封装可热插拔式光纤收发模块(Small Form-Factor Pluggable Optical Transceiver,简称SFP)又称MINI-GBIC模块,是继标准化的可热插拔光接口模块GBIC之后的第二代产品,具有小型化、可热插拔和自诊断功能。本文就千兆SFP光纤收发器中控制电路参数设计及利用Cadence软件仿真进行了讨论。

发射模块主要电路设计

光发射模块原理

模块的发送部分包括LD、MAX3735A芯片和外围电路。激光器(1310nm)组件由一个专用的集成电路驱动,该集成电路接收差分逻辑信号,并将其转变成激光器驱动电流。MAX3735为+3.3V激光驱动器,接收差分输入数据并提供驱动激光器需要的偏置电流和调制电流。自动功率控制(APC)反馈环路使平均光功率在整个温度范围及工作寿命期间保持恒定。

发送机部分参数设计

MAX3735激光器驱动芯片包括三个部分:高速调制驱动部分、带APC环路的激光器偏置功能块和安全检测电路。输出部分由高速差分线和调制电流源构成。MAX3735芯片已经优化,驱动15欧姆的负载,OUT+处所需的最小瞬时电压是0.6V。本设计中采用的是交流耦合方式,调制电流最大可达85mA,并提供1mA-100mA的偏置电流。

APC控制电路的参数设计及性能改进

为了克服温度及老化造成的输出功率的下降,在驱动电路中要采取稳定补偿措施,APC可通过两个途径实现:

1、自动跟踪阈值的变化,使LD偏置在最佳状态。

2、控制调制脉冲电流幅度,自动跟踪微分外量子效率的变化,由于随温度的变化不是很大,因此,简单的方法是通过检测直流光功率控制偏置电流。

自动功率控制电路是发射机中的一个很重要的组成部分,无论温度和使用年限导致激光器的阈值如何变化,APC电路进行控制,可保证带有检测光电二极管的激光器获得恒定的功率值。

接收模块主要电路设计

发射机发射的光信号经光纤传输后,不仅幅度衰减了,而且脉冲波形也展宽了,光接收机的作用就是把经过传输后的微弱光信号转变为电信号,并放大、整形,再生成原输入信号,它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器。

在数字接收模块中,还要增加判决、时钟提取和自动增益控制(AGC)等电路,在光接收模块中,首先由光电检测器(光电二极管或雪崩光电二极管)对光信号解调,将光信号转换为电信号。光电检测器的输出电流信号很小,必须由低噪声前置放大器进行放大。光电检测器和前置放大器构成光接收模块的前端,其性能是决定接收灵敏度的主要因素,主放大器与均衡器构成接收模块的线性通道,对信号进行高增益放大与整形,提高信噪比,降低误码率。判决器和时钟恢复电路对信号进行再生,光接收模块性能优劣的主要技术指标是接收灵敏度、误码率和信噪比、带宽和动态范围。

MAX3748的组成

MAX3748芯片通常放置在光电探测器和前置放大器之后,限制处理放大器给逻辑输出提供必须的增益,由输入缓冲器、多级放大器、失调校准电路、输出缓冲器、功率检测电路及信号检测电路组成。

1、输入缓冲器:输入缓冲器为每一个输入信号IN+IN-提供50欧姆的终端电阻,MAX3748与TIA可以直流耦合或交流耦合。对于MAX3748的TIA,CML输入缓冲器处于最优化。高带宽的增益范围大约是53dB。

2、CML输出缓冲:MAX3748限幅放大器是CML输出为阻抗失配和感性连接器提供了较高的容限。输出电流大约是18mA。当DISABLE端接VCC时可禁止输出。当LOS端与DISABLE端相连时,只要输入信号电平低于LOS阈值,输出端OUT+和OUT-仍处于静态电压状态(静噪)。

3、失调校准环路:由于其高增益的特性,在信道传输中,MAX3748易受到信号通道直流失调的影响,在使用占空比为50%NRZ码型的通信系统中,信号的脉宽失真或互阻放大器产生的脉宽失真表现为输入失调,需要靠失调校准环路抑制。在千兆以太网和光纤通信系统中,电容是不需要的,对于SONET应用,推荐值Caz=0.1μF。

4、功率监测和LOS显示:AX3748有一个LOS电路,指示输入信号是否低于设置门限,门限值TH引脚的外接Rth设置,平均峰值功率检测器将输入幅值和阈值进行比较,将比较信号反馈给集电极开路输出的LOS,两路控制电压Vassert和Vdeassert定义了LOS的报警和接触报警门限。为了防止LOS在设定阈值附近抖动,在LOS的报警/解除报警电路中引入了大约2dB的滞回。一旦报警产生,LOS将在输入信号幅度恢复到所需要的电平Vdeassert后解除报警。

SPICE模型的I/O仿真

SPICE的I/O宏模型可以用来做SI分析,或者通过对其进行仿真来获取IBIS模型数据。这里,通过对MAX3748的SPICE的I/O宏模型仿真来验证其是否满足1.25G赫兹光收发模块的性能要求。

为了更好地分析模型,可将网表形式的模型转换为电路图形式的模型,并采用层次式的原理图来分析其模型结构,下面以MAX3748差分输入端口的SPICE网表为例来进行仿真。

MAX3748差分输入口的模型INPKG封装电路和INPUT缓冲输入电路组成,INPKG如图1所示。其中,在差分输入端,通过外部的两个脉冲源来模拟激励信号,并分别串连两个50欧姆的电阻和并联两个0.02pF的电容。

INPKG封装子电路主要描述的是差分输入引脚的特性,它由每个引脚上的分布参数和两个引脚之间的寄生参数组成。

差分输入的每一个端口可由一个等效三极管电路模型N102m006_2和一个恒定源组成,用来描述MAX3748的差分输入特性,三极管等效子电路模型n102m006_2如图2所示。

根据原理图,可以做出该I/O口的仿真波形,如图3所示,V(2)和V(3)是在输入端加的脉冲源。根据MAX3748的芯片资料可知,其上升/下降沿时间为86ps,因此可以确定相应脉冲源的参数,V(8)和V(9)为对应的输入响应波形,将仿真波形和器件资料提供的参数进行比较,发现两者的数据基本吻合,因此,仿真波形较好地体现了器件的特性。

同理,根据上述方法,也可作出MAX3748差分输出端的仿真波形,其波形也较好地反应了器件的响应特性。

结语

在实际设计调试过程中,光功率参数的设计还要综合考虑调制和波长调谐、噪声特性等各方面因素,才能设计出具有理想传输特性的光收发机。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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