带调制补偿的激光驱动器MAX3863及其应用

  摘要：MAX3863是MAXIM公司推出的一种带有调制补偿的激光驱动器，适用于传输速率为2.7Gbps的光纤网络中，可用作WDM和SONET/SDH传输系统中的光发射机。该产品上为传输速率高、功耗低和输出功率恒定等特点。文中介绍了MAX3863的引脚定义、内部结构和工作原理以及应用设计过程，给出了典型应用电路。

    关键词：MAX3863 APC 调制补偿 激光 驱动器

1 概述

MAX3863是美国MAXIM公司生产的带有调制补偿的激光驱动器，适用于在传输速率为2.7Gbps的光纤网络中，可用作WDM和SONET/SDH传输系统中的光发射机。该产品的输出光平均功率和消光比不随温度变化，而且在激光管的使用寿命期间能始终保持消光比恒定。MAX3863的主要特性如下：

*采用3.3V的单电源工作；

*仅需58mA的供给电流；

*具有高达2.7Gbps的传输速率；

*内含带调制补偿的自动功率控制（APC）电路；

*偏置电流带有设置（可达100mA）端和电流调制（可达80mA）端；

*仅有低至50ps的上升沿时间/下降沿时间；

*具有电路工作失效警告和ESD保护功能。

图1 MAX3863内部原理框图

2 内部结构及引脚功能

2.1 内部结构

MAX3863的内部结构如图1所示，它主要由高速调制电路、电流监视电路和带调制补偿的APC电路组成。其中高速调制电路包括输入级电路和输出级电路，主要功能是对输入信号进行调制，并为外部激光管提供所需的激励电流信号；电流监视电路主要是为用户提供驱动器的工作失效信息；APC电路能自动调整激光管的偏置电流和调制电流，以维持光输出平均功率稳定和激光管的消光比恒定。

当MAX3863正常工作时，数据从DATA-端和DATA+端输入并经数据转换器重新定时同步后，控制高速差分调制器输出以实现调制，调制后的信号将从MOD端和MODN端输出，云驱动外接激光管；当电路发生故障或其它意外情况发生时，输出关闭，同时FAIL端输出低电平以示警告；当输出功率变化或激光管的消光比发生变化时，APC电路使监控反馈电流信号从MD端输入，并经比较器比较放大后控制外接激光器的偏置电流和内部差分调制器的调制电流，从而达到自动稳定输出功率和消光比之目的。

2.2 引脚功能

MAX3863的引脚排列图如图2所示，现将各引脚的功能描述如下：

Vcc(1,4,5,8,14,19,22,27)：电源供给端；

DATA-(2)、DATA+（3）：分别为数据反、正向输入端；

CLK+（6），CLK-(7)：分别为用于数据重定时的时钟正向、反向输入端；

APCSET(9)：监控二极管反馈电流参考设置端；

APCFILT1(10),APCFILT2(11)：外接APC环路滤波电容端。净APCFILT1短路接地时可使通过监控二极管的调整电路失效。在设计时，APCFILT1和APCFILT2通过电容相连（电容典型值为0.01μF）可延长监控反馈电流的作用时间；

PWC+(12),PWC-(13)：输入调制脉冲信号宽度调整端，应用时可通过调整电阻（RPWC）接地；

MK+（15），MK-(16)：监视输入脉冲信号强度正向、反向输出端；

FALL(17):驱动器电路失效警告端，当驱动器电路失效时，该脚输出低电平；

BIAS(18)：偏置电流输出入端，一般通过电感线圈与激光管连接；

MOD(20)，MODE(21)：调制信号输出端；

MD(23)：监控光二极管反馈输入端；

MDMON(24):监控反馈电流监视输出端；

MODMON(25):调制电流监视输出端；

BIASMON(26)：偏置电流监控输出端；

MODCOMP(28)：偏置电流与调制电流的耦合量设置端；

MODSET(29)：固定调制电流设置端；

BIASMAX(30)：激光管偏置电流设置端，可通过外接电阻来设置激光管偏置电流的最大值；

EN(31)：输出控制端，低电平有效；

RTEN(32)：数据重定时控制端，低电平有效。

3 应用设计

MAX3863是MAXIM公司的第二代激光驱动器产品，由于集成度高，因此应用时需要用户设计的电路比较少。但由于MAX3863传输速率高达2.7Gbps，电路布局对性能影响很大，因此设计时也具有一定的难度。设计工作主要是选择激光管和设计各种相关电流。MAX3863在应用时，外接激光管一般应采用交流耦合方式，图3所示是MAX3863的交流耦合典型应用电路，图中，激光管与MAX3863采用交流耦合方式；MAX3892是串行数据生成器，主要作用是将多路数据合并，并使之串行化，图中未标注的外围元器件参数可由用户在实际应用中确定。下面介绍MAX3863作为光发射机的应用设计过程。

3.1 激光管的选择

在利用MAX3863设计发射机时，第一步工作是根据实际需求选择合适的激光管。一般情况下，用户首先应根据所需光输出平均功率来确定所需激光管的输出平均功率和消光化，而且在满足输出功率的前提下尽量使消光比大一些；输出功率和消光比确定后，可根据表1中功率与调制电流的关系来确定激光管的其它参数，然后再根据这些参数来选择满足条件的激光管；此外，在选择激光管时，激光管的偏置电流不应超过MAX3863的偏置电流设定范围。

表1 光功率关系表

3.2 相关电流的设计

MAX3863的相关电流可由外接元器件来确定，因此，相关电流设计的实质是确定MAX3863的外接电阻值。

a. 调制电流IMOD的设计

当激光管选定后，可按下式确定调制电流IMOD：

IMOD=2Pavg(rs-1)/η（re+1）

式中，各参数的物理意义见表1所列。此外，调制电流IMOD除应满足MAX3863的调制电流设定范围外，还应满足以下条件：

Vcc-IMOD(RD+RL)/2≥1.8V

式中，RL为激光二极管偏置端电阻（典型值为5Ω）；RD为串联匹配电阻（典型值为20Ω）.若上述关系式不能满足，可适当调整RL和RD的值；一般情况下，RL和RD用典型值即可。

由于耦合电容和输出上拉电感可能会引起系统性抖动，从而造成信号低频成分的丢失，因此，耦合电容CD应满足下列条件：

CD(RD+RL)>Lp/(RD+RL)

式中，Lp为输出端上拉电感值;C为输出耦合电容值。实际上，对于连续数字流（CID），为了保证周期内的信号峰-峰值下降度不大于3％，对延时常数（τ=35×t）应有一定的要求。对于本实际电路，可根据τ=Lp/25Ω和上述各关系来确定Lp和CD的值。

一般情况下，IMOD设计的实质是确定RD、RL、Lp和Cd的值，用户可根据实际情况，在兼顾各项性能指标的同时，利用上述关系式合理选择。

b. 固定调制电流IMODS和补偿调制电流IMODC的设计

MAX3863内有一调制补偿电路，其作用是根据偏置电流变化来改变调制电流，以维持输出功率和消光比的恒定。由图1可知，调制电流（IMOD）由固定调制电流（IMODS）和补偿调制电流（IMODC）组成，其中，固定调制电流（IMODS）由IMODC端的外接电阻（RMODSET）确定；而补偿调制电流（IMODC）则由补偿因子K和偏置电流（IBIAS）之积所决定。因此，对于本电路，有：

IMODS=200×1.2V/RMODSET

IMODC=KIBIAS=200×5IBIAS/(500+RMODCOMP)

式中，RMODSET是MODSET端的外接电阻，RMODCOMP是MODCOMP端的外接电阻。

c. 最大偏置电流IBIASMAX的设计

图3 MAX3863的交流耦合典型应用电路

    当APC电路正常工作时，激光管的偏置电流IBIAS将随监控反馈电流的影响而变化，从而维持输出功率的稳定。当APC电路失效时，激光管的偏置电流尖能防止电流过大而烧坏芯片和激光管，因此，必须对激光管的偏置电流的最大值加以限制。在实际应用中，用户可利用BIAXMAX端，并通过外接电阻来设置IBIASMAX。当激光管选定后，实际的领导置电流已确定，因此，设置IBIASMAX的实质是确定BIAXMAX端的外接电阻值。设置公式为：

IBIASMAX=200×1.2V/RBIASMAX

式中，RBIASMAX为BIASMAX端的外接电阻值。

需要指出的是，在选择BIAXMAX端的外接电阻时，为使电路能正常工作，一定要使IBIASMAX比正常工作时的IBIAS稍大一秒。

d. 监控二极管反馈电流参考值IMD的设计

监控二极管反馈电流通常从MD端进入APC电路，并与正常工作时的监控二极管反馈电流参考值IMD进行比较。若存在误差，则需调整偏置电流，以保证输出功率稳定。而监控二极管的反馈电流参考值是通过APCSET端外接电阻来设置的。当电路工作状态处于稳态时，在误差容许范围内，监控二极管的反馈电流应与IMD相等。当激光管选定后，根据所需输出光功率和激光管的参数就能确定电路稳态时的IMD值，因此，设置IMD的实质是确定APCSET端的外接电阻值。

由于通过APCSET端外接电阻的禁带电压始终保持在1.2V，因此，用户可利用下面的公式来计算APCSET端的外接电阻值。

IMD=5×1.2V/RAPCSET

式中，RAPCSET为APCSET端的外接电阻值。

与IBIASMAX设计不同的是在选择APCSET端的外接电阻值时，应使IMD与电路稳态工作时的监控二极管的反馈电流相等。

3.3 应注意的问题

由于MAX3863是高频产品，电路布局对其影响很大。因此，在电路设计时，应采用性能优越的高频布局技术，并应采用具有公共接地层的多层电路板，以降低电磁干扰和交越失真。电路板应用采用低损耗的介质材料，以减少能量损耗；激光管与MAX3863之间的连接线应尽量短一些，以减少能量消耗和交越失真；此外，数据输入端、时钟输入端和调制输出端的引线均应采用阻抗可控的传输线，以便于电路调整，减少能量损耗和降低干扰。

4 结束语

MAX3863激光驱动器与第一代同类产品相比，具有传输速率高，带有调制补偿APC电路等优点。它不仅能维持输出功率的恒定，而且能保持消光比的恒定。此外，其应用电路设计也相对比较容易，因而在光纤通信中将会得到广泛的应用。