光通信激光二极管驱动电路

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
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 镜像恒流源来设置 上图是基本型镜像恒流源电路 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
+Vcc Ir
Rr
Io
Q2
Q1
+Vcc

下图是实际常用的一种镜像恒流源电路 Ir
Io
Rr
Io≈IrR2/R1
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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 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 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 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 re=P1/P0
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
参考资料
1. Maxim Application note HFAN-2.0 Interfacing maxim laser drivers with laser diodes Maxim Application note HFAN-2.2.1 Maintaining the extinction ratio of optical transmitters using Kfactor control Maxim design note HFDN-18.0 The MAX3865 Laser Driver with Automatic Modulation Control Analog devices Datasheet 3V Dual loop 50Mbps to 3.3Gbps laser diode driver ADN2847 Maindspeed Datasheet 3.3 Volt Laser Driver IC for Applications to 3 Gbps M02066
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）
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
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Βιβλιοθήκη Baidu3.
4.
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 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
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
最少
无低速率限制
电路元件 多速率工作 易于匹配
驱动器功耗 输出调制电流
多2～4个元件
有低速率限制
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 性能好 较大 较大（不受 ‘Headroom’限制） 较小 较小（受‘Headroom’ 限制）
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
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

通过改变外接电阻R2，就可以设置Io （调制电流或偏置电流） 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 用到镜像电流的方法
Q2
Q1
R2
R1
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
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)