光通信激光二极管驱动电路

参考资料
1. Maxim Application note HFAN-2.0 Interfacing maxim laser drivers with laser diodes
2. Maxim Application note HFAN-2.2.1 Maintaining the extinction ratio of optical transmitters using Kfactor control
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
3. 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
4. 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
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
Q1
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
R2
R1
用到镜像电流的方法
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Ith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IBIAS和IMOD
*消光比 re=P1/P0
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
RFCF阻尼网络
接在LD阴极的阻容网络（RFCF）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）
RF通常是小于100Ω的电阻 CF通常是小于10pF的电容 低速（l55Mb/s以下）的电路不需要RFCF
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
+Vcc
镜像恒流源来设置
上图是基本型镜像恒流源电路
Ir
Rr
Io
当Q1和Q2严格配对时 Ir=Io
Ir的又是由Rr来决定的，所以改变Rr就 可以设置Io
Q2
Q1
+Vcc
下图是实际常用的一种镜像恒流源电路 Ir
Io
Io≈IrR2/R1
Rr
通过改变外接电阻R2，就可以设置Io
（调制电流或偏置电流）
Q2
性能好
较大
较小
输出调制电流 较大（不受 ‘Headroom’限制）
较小（受‘Headroom’ 限制）
Leabharlann Baidu
LD和驱动芯片接口
LD和驱动芯片接口要求
1. 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
2. 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
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
激光器驱动电路原理图(1)
3. Maxim design note HFDN-18.0 The MAX3865 Laser Driver with Automatic Modulation Control
4. Analog devices Datasheet 3V Dual loop 50Mbps to 3.3Gbps laser diode driver ADN2847
用交流耦合驱动LD
驱动电流IMOD通过电容CD 耦合到LD
流过LD的电流：
‘1’ IL=IBIAS＋IMOD/2 ‘0’ IL=IBIAS－IMOD/2
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 驱动器功耗
元件多LD引脚不能靠近 LD引脚直接连接LDD 驱动器芯片，不易匹配 芯片，易于匹配，高速
平均光功率PAVG=(P1+P0)/2
LD的温度特性
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
光通信激光二极管驱动电路 原理与应用
陈伦裕
2006-3-10
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
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Ith （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IBIAS
LD的两个主要参数：阈值电流Ith 和斜效率S（Slope efficiency）是 温度的函数，且具有离散性
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
驱动电路原理电路
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. 差分电流开关电路—向LD输出调制电流 2. 偏置电流发生器—向LD提供直流偏置电流 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IBIAS，保持PAVG不变 4. 故障告警、保护电路 5. 调制电流、偏置电流监控电路 6. 输入端整形电路（D触发器）