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光通信激光二极管驱动电路原理与应用本讲座主要内容n n激光二极管驱动电路基本原理n n电流控制原理n n自动功率控制（APC）电路原理n n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n n激光二极管（激光二极管（LDLDLaser Laser diodediode）是一个）是一个电流器件电流器件，只在，只在它通过的正向电流超过阈值电它通过的正向电流超过阈值电流流I Ithth（Threhold currentThrehold current）时它）时它发出激光发出激光n n为了使为了使LDLD高速开关工作，必须高速开关工作，必须对它加上略大于阈值电流的直对它加上略大于阈值电流的直流偏置电流流偏置电流I IBIASBIASn nLDLD的两个主要参数：阈值电流的两个主要参数：阈值电流I Ithth和斜效率和斜效率S S（Slope Slope efficiencyefficiency）是温度的函数，）是温度的函数，激光二极管驱动电路n n驱动电路实质上驱动电路实质上 就是就是一个高速一个高速电流开关电流开关LD调制电流输出电路原理图LD直流耦合接口电路原理图RF FCF F阻尼网络n n接在接在LDLD阴极的阴极的阻容网络阻容网络（RFCFRFCF）的作用是）的作用是补偿补偿LDLD封装内部的引线寄生电感，封装内部的引线寄生电感，以降低以降低寄生电感寄生电感引起的引起的过冲过冲和和振铃振铃（对（对LDLD固有的固有的驰豫振荡无效驰豫振荡无效）n nRFRF通常是小于通常是小于100100的电阻的电阻CFCF通常是小于通常是小于10pF10pF的电容的电容低速（低速（l55Mb/sl55Mb/s以下）的电路不需要以下）的电路不需要RFCFRFCF调制电流和偏置电流设置原理n n调制电流和偏置电流的大小都可以用调制电流和偏置电流的大小都可以用镜镜像恒流源像恒流源来设置来设置n n上图是基本型镜像恒流源电路上图是基本型镜像恒流源电路当当Q1Q1和和Q2Q2严格配对时严格配对时 Ir=IoIr=IoIr Ir的又是由的又是由RrRr来决定的，所以改变来决定的，所以改变RrRr就就可以设置可以设置IoIon n下图是实际常用的一种镜像恒流源电路下图是实际常用的一种镜像恒流源电路 IoIrR2/R1IoIrR2/R1通过改变外接电阻通过改变外接电阻R2R2，就可以设置，就可以设置IoIo（调制（调制电流或偏置电流）电流或偏置电流）n n在驱动电路中有多处会用到镜像电流源，不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，光用于电流设置，引出电流监控引出电流监控也要用到镜也要用到镜像电流的方法像电流的方法LD的温度特性n nLDLD是半导体器件，它的是半导体器件，它的特性特性与与二极管二极管类似类似n n温度升高温度升高阈值电流阈值电流I Ithth增大增大斜效率斜效率S S降低降低 n n为了保持输出平均光功率和为了保持输出平均光功率和消光比不变，在温度上升时消光比不变，在温度上升时要增大要增大I IBIASBIAS和和I IMODMOD *消光比消光比 r re e=P=P1 1/P/P0 0 平均光功率平均光功率P PAVGAVG=(P=(P1 1+P+P0 0)/2)/2LD的温度特性稳定光功率和消光比的方法n n闭环自动功率控制（闭环自动功率控制（APCAPC）+热敏电阻补偿调制电流热敏电阻补偿调制电流n n开环补偿法开环补偿法热敏电阻补偿热敏电阻补偿(调制电流和偏置电流调制电流和偏置电流)通过通过MCUMCU查表精确设置调制电流和偏置电流查表精确设置调制电流和偏置电流n n其它方法：其它方法：APC+APC+芯片内部对调制电流补偿芯片内部对调制电流补偿如如MAXIMMAXIM公司的公司的MAX3863MAX3863、MindspeedMindspeed公司的公司的M02066 M02066 等等自动功率控制（APC）原理n n通过检测背光二极管通过检测背光二极管（MDMD）产生的光电流（平产生的光电流（平均值）来实现闭环控制均值）来实现闭环控制n nAPCAPC调节调节偏置电流偏置电流来保持平来保持平均输出光功率稳定；均输出光功率稳定；APCAPC只只对偏置电流回路起作用对偏置电流回路起作用n nAPCAPC对调制电流无法控制，对调制电流无法控制，温度升高，斜效率降低，调温度升高，斜效率降低，调制幅度变小，制幅度变小，APCAPC却使偏流却使偏流加大，消光比就变小了加大，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：1.1.差分电流开关电路向LD输出调制电流2.2.偏置电流发生器向LD提供直流偏置电流3.3.自动功率控制（APC）电路在不同温度和LD老化的情况下，改变IBIASBIAS，保持PAVGAVG不变4.4.故障告警、保护电路5.5.调制电流、偏置电流监控电路6.6.输入端整形电路（D触发器）用交流耦合驱动LDn n驱动电流驱动电流I IMODMOD通过电容通过电容C CDD耦合到耦合到LDLDn n流过流过LDLD的电流：的电流：1 I1 IL L=I=IBIASBIASI IMODMOD/2/20 I0 IL L=I=IBIASBIASI IMODMOD/2/2比较两种驱动方式AC耦合DC耦合电路元件多多2 24 4个元件个元件最少最少多速率工作有低速率限制有低速率限制无低速率限制无低速率限制易于匹配元件多元件多LDLD引脚不能靠引脚不能靠近驱动器芯片，不易近驱动器芯片，不易匹配匹配LDLD引脚直接连接引脚直接连接LDDLDD芯片，易于匹配，芯片，易于匹配，高速性能好高速性能好驱动器功耗较大较大较小较小输出调制电流较大（不受较大（不受 HeadroomHeadroom限制）限制）较小（受较小（受 HeadroomHeadroom限制）限制）LD和驱动芯片接口LD和驱动芯片接口要求1.1.TOTO型激光器安装在型激光器安装在PCBPCB边沿时，边沿时，接地层接地层要扩展到要扩展到PCBPCB边沿边沿以减少管脚以减少管脚引线电感引线电感，过大的电感会使波，过大的电感会使波形边沿速度变慢形边沿速度变慢2.2.激光器要尽可能激光器要尽可能靠近靠近驱动器驱动器芯片芯片，只要接线长度，只要接线长度小小于于传输传输波长波长，可以不考虑传输线的几何尺寸，减少，可以不考虑传输线的几何尺寸，减少线宽有利于线宽有利于减小寄生电容减小寄生电容3.3.要仔细考虑高速信号要仔细考虑高速信号电流环路电流环路，尽量，尽量减小减小返回路径返回路径的连接的连接阻抗阻抗，并使高速电流环路，并使高速电流环路闭合面积闭合面积最小，就最小，就能减少能减少EMIEMI4.4.在激光器阳极处在激光器阳极处VccVcc要有足够的要有足够的旁路电容旁路电容，以降低高，以降低高速速电流切换电流切换而产生的而产生的电源开关噪声电源开关噪声消光比和光功率的温度稳定n n温度升高时温度升高时斜效率斜效率降低，而此时降低，而此时APCAPC电路却使电路却使偏流加大偏流加大了，调制幅了，调制幅度相对变小，这就使消光比变小度相对变小，这就使消光比变小 单一的单一的APCAPC无法稳定消光比无法稳定消光比n n温度变化时温度变化时,在同样的发射光功率下，背光二极管（在同样的发射光功率下，背光二极管（MDMD）产生的）产生的光光电流电流（平均值）发生了变化。（平均值）发生了变化。MDMD的眼踪误差引起的眼踪误差引起APCAPC的跟踪误差的跟踪误差 光功率会因为光功率会因为MDMD的跟踪误差产生较大的变化的跟踪误差产生较大的变化要求要求MDMD跟踪误差小于跟踪误差小于1 dB1 dB（1.5dB1.5dB）n n调制电流补偿不正确，调制电流补偿不正确，过补偿过补偿或或欠补偿欠补偿都会使光功率和消光比随温都会使光功率和消光比随温度变化而发生较大的变化度变化而发生较大的变化解决方案解决方案解决方案解决方案n n根据根据LDLD的温度特性精心设计的温度特性精心设计热敏电阻热敏电阻补偿电路补偿电路常用常用n nMAXIMMAXIM公司的某些芯片采用公司的某些芯片采用K K因子因子补偿法补偿法n n某些某些芯片内部芯片内部对调制电流做温度补偿对调制电流做温度补偿自动调制电流控制自动调制电流控制（AMCAMC）n nANALOGANALOG公司某些芯片采用公司某些芯片采用双环电路双环电路补偿调制电流以保持消光比补偿调制电流以保持消光比不变不变n n某些芯片设置某些芯片设置查找表查找表，配合其中的，配合其中的数字电位器数字电位器，在温度变化后重新，在温度变化后重新设置设置偏置电流和调制电流偏置电流和调制电流，可以精确保持光功率和消光比稳定，可以精确保持光功率和消光比稳定参考资料1.1.Maxim Application note HFAN-2.0Maxim Application note HFAN-2.0Interfacing maxim laser drivers with laser diodesInterfacing maxim laser drivers with laser diodes2.2.Maxim Application note HFAN-2.2.1Maxim Application note HFAN-2.2.1Maintaining the extinction ratio of optical transmitters using K-factor Maintaining the extinction ratio of optical transmitters using K-factor controlcontrol3.3.Maxim design note HFDN-18.0Maxim design note HFDN-18.0The MAX3865 Laser Driver with Automatic Modulation ControlThe MAX3865 Laser Driver with Automatic Modulation Control4.4.Analog devices Datasheet Analog devices Datasheet 3V Dual loop 50Mbps to 3.3Gbps laser diode driver ADN28473V Dual loop 50Mbps to 3.3Gbps laser diode driver ADN28475.5.MaindspeedMaindspeed Datasheet Datasheet3.3 Volt Laser Driver IC for Applications to 3 3.3 Volt Laser Driver IC for Applications to 3 GbpsGbps M02066 M02066