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高速通信光电激光器驱动匹配电路设计
【摘 要】 目前对终端匹配技术提出了更高的要求,需要在满足单线阻抗匹配的同时还需要差分阻抗匹配,LA 端接难以匹配,难以兼容EMC 等问题,本文以先进的端接技术为基础,设计出一套差分驱动信号与激光发射器的端接电路,解决模块驱动电路与激光器的终端匹配问题,使驱动功率最大化被利用,传输信号失真度最小,可以适用于25G、100G 光通信模块激光器驱动电路,给电路设计工作者起到工具效应,使复杂的且难以掌握的技术变成简单的工具式使用问题.
【关键词】 终端匹配技术 电路设计 传输走线
终端匹配技术可以有效降低信号反射和信号振铃,从而极大地提高信号的时序裕量和噪声裕量,从而改善产品的故障容限.更高性能的信号驱动技术的使用,对于终端匹配技术提出了更高的要求,如在差分信号线在满足单线阻抗匹配的情况下,还要满足差分阻抗的匹配.模块电路的端接好坏,对灵敏度及眼图的影响极大.设计人员往往很难把握其分寸,造成不应有的信号完整性问题,特好的驱动电路得不到好的灵敏度和驱动功率.
本文针对LA 端接难以匹配,难以兼容EMC 等实际问题,以先进的端接技术为基础,设计出一套差分驱动信号与激光发射器的端接电路,解决模块驱动电路与激光器的终端匹配问题,使驱动功率最大化被利用,传输信号失真度最小,改善和提高驱动信号的反射和串扰,使光通信的效率和性价比增大.
应用于25G、100G 光通信模块激光器驱动电路,有强的通用性和实用性,给电路设计工作者起到工具效应,使复杂的且难以掌握的技术变成简单的工具式使用问题.
一、终端匹配技术
对于一段较长的走线（﹥ 2inch）来说,其效应就更类似于传输线.走线是否满足传输条件,可以按照经验公式“（走线长度inch）×0.144 ﹥（电平跳变上升/ 下降时间ns）/2”来判断,其中每inch 0.144 是传输延时因子,此因子适用于常见的环氧树脂玻璃布基板.如果传输线没有完全匹配,即Rt（终端匹配阻抗）≠ z0（传输线特性阻抗）,则有反射产生,此时通过在源和负载之间的多次发射,就会产生多次振铃.如果传输线完全匹配,即Rt等于z0,此时就不会有振铃的产生.
长于8 英寸的走线当在终端进行匹配,有很多种匹配方式,其中交流匹配和其它匹配方式相变,是一种比较好的匹配方式.该匹配方式不增加驱动源的负载,不额外加大电源的负担.
终端匹配技术是最简单而且有效的高速PCB 设计技术,合理使用终端匹配技术可以有效降低信号反射和信号振铃,从而极大地提高信号的时序裕量和噪声裕量,从而改善产品的故障容限.单端信号的终端匹配技术通常包括驱动端串行连接的终端匹配技术、接收端并行连接的终端匹配技术、戴维南终端匹配技术、AC 终端匹配技术、二极管终端匹配技术等.
而更高性能的信号驱动技术的使用,对于终端匹配技术提出了更高的要求,比如LVDs（低电压差分信号）器件就要求差分信号线在满足单线阻抗匹配的情况下,还要满足差分阻抗的匹配,这甚至比单线阻抗的匹配更重要.
终端匹配方式和元器件的值也要和电路芯片的驱动能力和功耗结合起来考虑.比如接收端下拉到地的匹配电阻的值,就必须考虑输出电流和电压（IOH 和VOH）的值,也就是说必须考虑驱动器的负载能力,而不能一味地考虑阻抗的匹配.
再比如,当网络上信号的占空比大于50% 时,匹配电阻应该上拉到电源,而当网络上的信号占空比小于或者等于50%时,匹配电阻应该下拉到地.关于匹配元器件位置的规则,源端匹配期间应该尽量靠近驱动器,终端匹配器件应该尽量靠近接收端.如果网络不是菊花链,那么匹配元器件的位置和匹配值应该由SI 工具分析确定.下图为一常规性模块端接匹配电路.
R16、C18 虽然对眼图的上冲有抑制和改善的作用,但对下冲并无作用.FB3、FB2 偏小,不利于改善反射.模块电路的端接好坏,对灵敏度及眼图的影响极大.设计人员往往很难把握其分寸,造成不应有的信号完整性问题,特好的驱动电路得不到好的灵敏度和驱动功率.
二、匹配电路设计
当以吉比特的数据速率调制激光时,常常需要一个匹配网路,以减小输出振荡和过冲.匹配网路需在寻求过冲和上升/ 下降时间的平衡中达到最优化,增加电容或减小电阻值会减小过冲,使边缘速度下降.
本文设计了两个适用于25G 通用型激光器端接电路VCSEL 和DFB,详见图2 和图3.
其中,R8、R9 是传输线阻抗调节电阻, 调整值为0Ω~100Ω；
R10、C14 是上冲抑制元件,当C14 增大或R10 减小时,可减小上冲,C14、C16 调整值为0.5PF~10PF；
C16、R11 是下冲抑制元件,当C16 增大或R11 减小,可减小下冲,R10、R11 调整值为30Ω~75Ω；
C15 是BIAS 的平滑电容,此值设置为固定值；
FB3、FB4 是磁珠电感,EMC 元件,此值设置为固定值；
C12、C13 是交流耦合电容.此值设置为100nF 或10nF.
三、匹配电路走线和电容器
3.1 驱动信号传输线的走线
要尽量作到等长等距,不能两者监顾时优先保证等长；有拐弯时最好走蛇形线,差分线队的间距根据阻抗要求进行调整,基本遵循3W 原则.差分线对不宜换层.过孔距差分线距离应在4W 以外.差分线旁的其他网路走线应在2W 以外.
3.2 电容器的取值参考
电容器的自谐振频率可以为2.5MHz、5 MHz、15 MHz和50 MHz,电源板和接地板之间构成的平板电容器也有自谐振频率,这一谐振频率如果与时钟频率谐振,就会使整个印刷制板成为一个电磁辐射器.这一谐振频率可以达到200MHz~400MHz,采用20-H 原则还可以使这个谐振频率提高2~3 倍.
采用一个大容量的电容器与一个下容量的电容器并联的方法可以有效地改善自谐振频率特性,当大容量的电容器达到谐振点时,大电容的阻抗开始随着频率增加而变大,小容量的电容器尚未达到谐振点,仍然随频率增加而变小并将对旁路电流起主导作用.
退耦电容的电容量按下公司计算,式中△ I 为瞬变电流、△ V 为逻辑器件工作容许的电源电压值的变化、△ t 为开关时间.
在电源引线比较长时,瞬变电流引起较大的压降,此时就要加容纳电容以便维持器件要求的电压值.设计师先计算容许的阻抗Zm（Zm等于 △ V/ △ I）,然后由线条电感Lw 求出不超过Zm 对应的频率fm（fm等于 Zm/（2Π*Lw））,当使用频率高于fm 时,要加容纳电容Cb（Cb等于1/（2Π*fm*Zm））,通常Cb 为10~100uF 之间取值.
电容材料对温度很敏感,要选温度系数好的.还要选择等效串联电感和等效串联电阻小的电容器,一般要求等效串联电感值小于10mH,等效串联电阻小于0.5Ω.在每两个LSI 或VLSI 元件处都要加平滑电容,电源入口处也要加入平滑电容.
此外,I/O 连接器、距电源输入连接器远的地方、元件密集处、时钟发生电路附近都要加平滑电容器,平滑电容的计算与退耦电容的计算方法相同.
参 考 文 献
[1] 黄进. 并行SCSI LVD 接口的终端匹配技术[J]. 控制工程, 2005(S2): 210-213.
[2] 龚纯. 高速电路设计中消除反射的匹配技术研究[A]. 中国通信学会. 2005 通信理论与技术新进展——第十届全国青年通信学术会议论文集[C]. 中国通信学会: 中国通信学会, 2005: 4.
[3] 黄进, 郭立红, 李岩, 等. LVDS 接口终端匹配技术研究[J]. 电光与控制,2005(01): 69-72.
电路设计论文范文结:
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