Maxim 激光驱动器和激光二极管的接口Maxim 高频/光纤通信部一概述 用激光驱动器驱动高速商用激光二极管是设计人员所面临的一项挑战本文旨在就这一主题为光学系统设计者提供参考以尽可能地简化设计过程激光管接口电路的设计难点在于 激光驱动器的输出电路 激光二极管的电气特性和 二者之间的接口 (通常采用印刷电路板实现) 以下首先讨论激光二极管和激光驱动器的电气特性然后再结合二者讨论印刷电路板的接口以Maxim 的 2.5 Gbps 通信激光驱动器 MAX3867 和 MAX3869为例来说明典型的应用二激光二极管特性 流过激光管的电流超过它的门限值时半导体激光二极管产生并保持连续的光输出对于快速开关操作激光二极管的偏置需略高于门限以避免开关延迟激光输出的强弱取决于驱动电流的幅度电流-光转换效率或激光二极管的斜率效率门限电流和斜率效率取决于激光器结构制造工艺材料和工作温度图1给出了典型激光二极管的电压-电流特性和光输出与驱动电流的关系当温度升高时门限电流将以指数方式增加可近似用下式表示I T T I th e K I T I ⋅+=0)( (1)式中 I 0, K I 和 T I 是激光器常数例如对DBF 激光器 I 0 = 1.8mA, K I = 3.85mA, T I = 40°C 激光器的斜率效率(S) 是输出光功率 (mW) 与输入电流mA)的比值温度升高将导致斜率效率降低下式较好地表示了斜率效率与温度的函数关系ST T S e K S T S ⋅−=0)((2) 对上述同样的DFB 激光器特征温度T S 近似等于40°C 其它两个参数 S 0 = 0.485mW/mA K S = 0.033mW/mA 激光管工作电压正向电压V 和电流I 的关系可由二极管的电压和电流特性模型来表示 T V VS e I I ⋅⋅≈η, (3)其中 I S 是二极管饱和电流 V T 是热电压η是结构常数当激光二极管被驱动至门限上下时电压和电流的关系近似为线性如图1所示图2是激光二极管的简化模型图中直流偏置电压V BG 是激光二极管的带隙电压 R L 是二极管的动态电阻当驱动激光管至门限以上时激光管的输出光功率P 0 (图2)可由下式来表示)(0th I I S P −⋅=(4)图2. 简化的激光二极管等效电路 激光管电流注意对封装好的激光管模型化时还应考虑一些寄生因素例如引线电感三 激光驱动器的输出结构激光驱动器的基本功能是给激光二极管提供适当的偏置电流和调制电流如图3所示恒定偏置电流使激光二极管工作于门限以上的线性区交变的调制电流与输入电压同步理想状态偏置电流应随门限电流而变调制电流应随斜率效率而变MAX3867/MAX3869激光驱动器可用于驱动共阳激光二极管的设计中通过外部电阻将偏置电流设置在最小值典型值为1-5mA 与最大值典型值为60-100mA 之间在激光二极管的阴极保持恒定的阻抗很关键它能够使高速输出电路的负载相对于频率保持稳定 输出电路负载的不稳定可能引起反射振铃降低光学波形的质量与偏置电流源相关的分流电容会产生与频率有关的阻抗(Z BIAS )为了减小阻抗变化的影响激光二极管阴极和偏置电路间外置一隔离电感或磁珠该电感对直流偏置电路没有影响但对调制电流将呈现高阻抗 调制电流的大小取决于外部电阻R MOD (图4)此电阻控制差分输出级的电流源激光驱动器由输出级晶体管的集电极输出大多数情况下集电极开路输出的上拉元件电阻或电感没有集成在激光驱动器内部需外接上拉元件四 PC 板接口目前光通信系统要求在工作速率传输距离和能量损耗上进行改进这需要提高边缘速率增加键A. 直流耦合的电压余量问题 驱动器和激光管之间用直流耦合的方式连接是一种简单的接口方式如图5所示 但当电源电压降到+3.3V 时驱动器的电压余量不足以使驱动器快速切换(电压余量 指供电电压Vcc 与电路上压降和的差) 含有激光二极管电路的电压余量的计算必须考虑激光器的压降和激光器封装造成的寄生电感上的暂态压降和阻尼电阻R D 上的压降典型的长波Fabry-Perot 类激光二极管需要1.2V 到1.8V 的正向偏置电压该正向电压等于带隙电压和激光二极管等效串联电阻上的压降和(见图 2)这种类型的激光管其等效串联电阻典型值是4至6欧姆激光管的封装产生寄生电感因此高速开关电流在寄生电感上将产生暂态电压降该电压可由V L = L ∆i/∆t 来近似估算 假定典型的激光管封装其寄生电感是1.5 nH 最大调制电流60mA 上升/下降时间为80ps (对2.5Gbps 而言)我们可计算出V L 的近似值 (注意在20%-80% 上升时间内∆i 近似等于最大调制电流的60% 即0.6×60mA = 36mA.) 在上述假定情况下V L ≈ (1.5nH)(36mA/80ps) = 0.68V 针对图5的直流耦合接口我们可以估算电压余量值考虑到封装好的激光二极管的最大正向电压V F (图2中的V BG + IR L )为1.6V 同样假设封装寄生电感1.5nH 60mA 调制电流和80ps 的20%-80%上升速率 V L = 0.68V (参见前一小节的计算) 同时我们还必须包括串联阻尼电阻R D 上的压降I MOD R D = 1.2V (假设R D = 20Ω)驱动器输出低电压应为V LOW = V CC – 1.2V – 0.68V – 1.6V = V CC – 3.48V 所以采用3.3V 工作将非常困难 B. 交流耦合 上述的电压余量问题在驱动器和激光二极管采用交流耦合的情况下将大大改善交流耦合增加了串联电容C D 和上拉电感L P 如图6中所示 交流耦合的电压降由以下三部分组成 (1) 激光二极管的交流压降仅仅是其等效串联电阻(而不是带隙)上压降的函数等于调制电流与等效串联电阻的乘积 (2)寄生电感引起的暂态电压降 (3) 串联阻尼电阻R D 上的压降等于调制电流与R D 乘积的一 半流过C D 的电流为0到峰值电流摆幅I MOD 之间在激光输出强的时候平均有1/2 I MOD 电流从激光管流图 5. 直流耦合接口电路C D 流向激光管因此流过激光管的电流I L 等于从激光二极管阴极处流出电流的和即在激光输出强时I L = I BIAS + I MOD /2 在激光输出弱时I L = I BIAS – I MOD /2高低输出时的电流差正好等于 (I BIAS + I MOD /2) – (I BIAS – I MOD /2) = I MOD .交流耦合情况下假设激光管的等效串联电阻为5Ω则电压余量为 V LOW = V CC – (60mA)(5Ω) – 0.68V – (60mA/2)(20Ω) = V CC – 1.58V 当V CC = 3.3V 时给驱动器留下了1.72V 的电压余量这就允许在驱动器的输出级以更快的电流开关速率输出件这些分立元件包括耦合电容和用于驱动器晶体管偏置的上拉电感或电阻(如图6所示)由于这些元件处于高速信号通道可能会导致信号失真因此必须采用很好的高频印刷电路板布线技术交流耦合电容同时会阻断低频输出它会影响系统的位像抖动pattern dependent jitter 性能为了减少长常1或常0比特流造成的位像抖动, 交流耦合电容应尽可能大用Maxim 2.5Gbps 激光管驱动器来设计时通常使用0.056µF 至0.1µF 的电容交流耦合接口中上拉电感或电阻用来正确偏置输出驱动三极管(感性上拉时通常采用小铁氧磁珠)使用电阻的缺点(相对电感而言)是(1) 上拉电阻(R pull-up ) 分流了激光管的部分调制电流 (2)采用电阻上拉时输出电压是V CC – (I MOD /2)R pull-up 而采用电感上拉时输出电压为V CC (图7所示)C.C. 激光管与驱动器的连接驱动器和激光管的连接性能取决于两者的距离如果距离小于几毫米 (对2.5Gbps 速率), 不必用传输线尽可能减少寄生因素引线和激光管封装连线电感造成的感性负载可能需要电阻(R F )和电容(C F )组成的RC 分流网络 (见图6)来补偿RC 分流网络的目的是为了消除寄生电感从而保持纯电阻性负载减少过冲和振铃串联阻尼电阻 (R D ) 有两个作用既抑制了导致输出失真的反射又建立了一个稳定的负载激光管自身的负载一般在5Ω上下波动20% (1Ω/5Ω ≈ 20%)总负载包括R D 变化只有4% (1Ω/25Ω ≈ 4%)这就提高了负载的稳定度对封装好的MAX3867和MAX3869假定使用同轴封装的激光管这些器件的初始参数为R D = 20Ω, R F = 75Ω, 和C F = 3pF 由于不同的激光管其封装电感不同应对用于分流网络的元件值进行调整以达到最优工作状态另外偏置电感应直接连接到激光管的阴极这样R D 就不会在驱动器的偏置级引起电压余量问题(图8)图7. 直流耦合和交流耦合时的输出电压 (V OUT+) 和 激光管电流 (I L )D. 其它电路板设计注意事项对高速差分驱动器而言两个输出之间需保持负载平衡负载阻抗的幅度和相位都必须保持平衡 (图8)为了保持平衡负载阻抗驱动器的正输出驱动一传输线该传输线通过匹配电阻或激光二极管(25Ω组合负载)连接负载终端Vcc 驱动器的负输出通过一25Ω电阻连接到Vcc退耦电容提供了从激光管阳极到地和负输出端25Ω电阻到地的交流通路高频通路可分为几个部分(参照图9)第一部分(A)从驱动器的正输出通过传输线的顶端导体到终端电阻第二部分(B)从终端电阻到激光二极管第三部分(C)是接地的退耦电容第四部分D是从退耦电容的接地端到传输线镜像第五部分(E)是传输线在地平面上的镜像第六部分(F)是从传输线镜像到负输出端退耦电容的接地端第七部分(G)是负输出端的退耦电容第八部分(H)是负输出端的电阻由于高频回路包括地平面因此在正输出和负输出端提供良好的Vcc 到地的退耦就显得非常重要正输出端的退耦电容(C) 确保电流能沿传输线镜像返回使传输线正常工作负输出端的退耦电容 (G) 使电流返回负端通常使用体积小的电容来达到好的高频退耦性能B, D, F, 和 H 部分的连线(它们不是传输线)越短越好以减少两驱动器输出间的传输延迟因为两差分输出间的传输延迟将导致两差分输出到达终端后的相位不平衡避免这种情况的一个方法是采用体积小的终端电阻同时还应该使印刷电路板上驱动器输出引脚处的连线不作为传输线的那部分尽可能的短Maxim北京办事处金国峰编译摘自LightwaveR DTop ConductorFA图9. 驱动器和激光二极管之间的高频信号通路。