光模块发射电路课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光通信激光二极管驱动电路原理与应用,光通信激光二极管驱动电路原理与应用,1,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,本讲座主要内容激光二极管驱动电路基本原理,2,激光二极管的特性,激光二极管（,LD,Laser diode,）是一个,电流器件,，只在它通过的正向电流超过阈值电流,I,th,（,Threhold current,）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,I,BIAS,LD,的两个主要参数：阈值电流,I,th,和斜效率,S,（,Slope efficiency,）是温度的函数，且具有离散性,激光二极管的特性激光二极管（LDLaser diode）是,3,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,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,4,R,F,C,F,阻尼网络,接在,LD,阴极的阻容网络（,R,F,C,F,）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）,R,F,通常是小于,100,的电阻,C,F,通常是小于,10pF,的电容低速（,l55Mb/s,以下）的电路不需要,R,F,C,F,RFCF阻尼网络接在LD阴极的阻容网络（RFCF）的作用是补,5,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,IoIrR2/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,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,6,LD,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,I,th,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,I,BIAS,和,I,MOD,*,消光比,r,e,=P,1,/P,0,平均光功率,P,AVG,=(P,1,+P,0,)/2,LD的温度特性LD是半导体器件，它的特性与二极管类似,7,LD,的温度特性,LD的温度特性,8,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,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,9,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,自动功率控制（APC）原理通过检测背光二极管（MD）产生的光,10,光模块发射电路课件,11,激光器驱动电路原理图,(1),激光器驱动电路原理图(1),12,激光器驱动电路原理图,(2),激光器驱动电路原理图(2),13,驱动电路结构,一个典型的激光器驱动电路包括下列部分：,差分电流开关电路,向,LD,输出调制电流,偏置电流发生器,向,LD,提供直流偏置电流,自动功率控制（,APC,）电路,在不同温度和,LD,老化的情况下，改变,I,BIAS,，保持,P,AVG,不变,故障告警、保护电路,调制电流、偏置电流监控电路,输入端整形电路（,D,触发器）,驱动电路结构一个典型的激光器驱动电路包括下列部分：,14,用交流耦合驱动,LD,驱动电流,I,MOD,通过电容,C,D,耦合到,LD,流过,LD,的电流：,1 I,L,=I,BIAS,I,MOD,/20 I,L,=I,BIAS,I,MOD,/2,用交流耦合驱动LD驱动电流IMOD通过电容CD耦合到LD,15,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）,比较两种驱动方式AC耦合DC耦合电路元件多24个元件最少多,16,LD,和驱动芯片接口,LD和驱动芯片接口,17,LD,和驱动芯片接口要求,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,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,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,EMI,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,LD和驱动芯片接口要求TO型激光器安装在PCB边沿时，接地层,18,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,1 dB,（,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,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,19,参考资料,Maxim Application note HFAN-2.0Interfacing maxim laser drivers with laser diodes,Maxim Application note HFAN-2.2.1Maintaining the extinction ratio of optical transmitters using K-factor control,Maxim design note HFDN-18.0The MAX3865 Laser Driver with Automatic Modulation Control,Analog devices Datasheet 3V Dual loop 50Mbps to 3.3Gbps laser diode driver ADN2847,Maindspeed Datasheet,3.3 Volt Laser Driver IC for Applications to 3 Gbps M02066,参考资料Maxim Application note HF,20,