带诊断监视器的高速VCSEL驱动器MAX3740A引言
武警工程学院 彭月平 邓秋霞 李 伟
引言
MAX3740A是美国MAXIM公司生产的带有诊断监视器的高速激光驱动器，其工作速率高达3.2Gbps，可用作SFF和SFP光纤LAN系统中的发送器。该产品不仅具有传输速率高、供电电流小和输出平均功率恒定等特点，而且能与 Dallas DS1858配合使用，提供SFF-8472的定时和诊断功能。MAX3740A主要特性如下：(1)采用+3.3V的单电源工作模式；(2)提供2- 15mA的调制电流和1-15mA的偏置电流；(3)支持共阴和差分两种配置模式和SFF-8472数字诊断功能；(4)提供可选择的能提高VCSEL边沿速率的峰值电流；(5)内含自动功率控制(APC)电路；(6)具有安全控制和失效警告指示电路。
引脚功能、内部结构及工作原理
引脚功能
MAX3740A采用24-pin 薄型QFN封装形式，引脚排列如图1所示。各引脚功能描述如下：
GND(1、10、13)：接地端；
TX_DISABLE(2)：光输出控制端，当接高电平或悬空时，驱动器关闭其输出；
IN+(3)，IN_(4)信号正向、反向输入端；
FAULT(5)：失效指示端，高电平有效，当失效情况发生时输出高电平；
SQUELCH(6)：静噪功能控制端，高电平有效，当接高电平时，开启静噪功能，当接低电平或悬空时，关闭静噪功能；
VCC(7、16、20)：+3.3V电源供给端；
TC1(8)，TC2(9)：温度补偿设置端，在两脚之间串接一电阻(RTC)以设置调制电流的温度补偿系数；
MODSET(11)：调制电流设置端，应用时外接一接地电阻(RMODSET)，设置温度恒定时的调制电流值；
PEAKSET(12)：峰值电流设置端，应用时外接一接地电阻(RPEAKSET)，设置峰值电流幅值，若该脚悬空，峰值设置功能失效；
OUT_(14)，OUT=+(15)调制信号反向、正向输出端；
BIASSET(17)：偏置电流设置端，若采用闭环控制模式，该脚外接1.7k 的接地电阻，以设置最大的偏置电流，若采用开环控制模式，该脚外接一接地电阻以设置VCSEL(垂直腔面发射激光管)的偏置电流；
BIAS(18)：偏置电流输出端；
BIASMON(19)：偏置电流监控端，该端通过外接电阻，产生与偏置电流成正比、以地为参考点的参考电压；
COMP(21)：补偿设置端，在COMP端和MD端接一电容以补偿APC电路的时间常数，典型值为0.047 F，若采用开环模式，COMP端接地时则关闭APC电路；
MD(22)：监控(反馈)光二极管电流输入端，应用时与监控(反馈)光二极管正极连接；
REF(23)：APC参考监控电流设置端，闭环模式时，在REF端和MD端接一电阻(RPWRSET)以设置监控电流参考值；
PWRMON(24)：平均光功率监控端，用于监控传输的光功率，在开环模式时接地；
EP：外漏焊片，应用时必须接地。 内部结构及工作过程
MAX3740A 内部结构如图2所示，内部电路主要包括带光峰值补偿的高速调制电路、集成安全电路和带自动功率控制(APC)的偏置电流产生电路。偏置电流产生电路主要由带功率控制的放大电路和开启平滑电路组成，主要功能是为外接VCSEL管提供合适偏置电流。在闭环模式下，APC电路起作用，通过调节偏置电流变化，以维持光输出功率稳定，而开启平滑电路主要作用是平滑在电源开启时所产生的尖峰电流，确保电路安全，延长激光管使用寿命。集成安全电路包括输出控制电路、失效锁存输出电路和失效检测电路，主要功能是监视驱动器的工作状态，当失效情况发生时，关闭驱动器输出，同时输出失效指示信息，直到TX_DISABLE端或电源重新复位才恢复正常状态；高速调制电路包括输入缓冲电路、信号检测电路、调制电流控制电路和高速差分对电路，其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信号，此外还提供消噪、峰值电流控制和对调制电流的温度补偿功能。
工作过程：在闭环工作模式下，MAX3740A正常工作时，数据从IN—端和IN+端输入，经输入缓冲电路和消噪处理后，控制差分对调制器输出以实现调制，调制后的信号从OUT—端和OUT+端输出，去驱动外接VCSEL管；当输出功率变化时，反馈信号从MD端输入，APC电路通过调节偏置电流变化，来自动维持输出功率的稳定；当温度变化时，温度补偿电路起作用，通过调节调制电流以维持功率稳定；当电路发生故障和其它意外情况发生时，集成安全电路起作用，在关闭激光管输出的同时，输出失效指示信号。
应用设计
MAX3740是MAXIM生产的新一代高速VCSEL驱动器，其集成度高，应用时要求用户设计的外围电路非常少，主要设计工作是选择合适的激光管、各种相关电流及辅助电路的设计。MAX3740A典型应用电路如图3所示，图中MAX3740与Dallas DS1858配合使用，能提供SFF-8472的定时和诊断功能；所标元器件值为典型值，未标元器件需要用户在具体设计中确定；激光管采用交流耦合方式。下面结合典型应用电路，介绍MAX3740A应用设计过程。
激光管的选择
用户在利用MAX3740A设计光发送器时，在充分了解MAX3740A的电气特性后，首要工作是根据实际需求选择合适的激光管。一般情况下，用户首先根据所需光输出功率来确定所需激光管的输出平均功率；在满足输出功率的前提下，则应根据不同的传输速率选择相应不同上升沿时间的激光管，对于1.25Gbps 的传输速率，激光管的上升沿时间应不大于260ps，而对于2.5Gbps的传输速率激光管的上升沿时间则不大于130ps，为保持激光管性能最佳，应尽量缩短其包装引线，以减少其所引起的电感量，必要时，应采用补偿滤波网络，以维持信号稳定，减少波形抖动等现象的发生。 调制电流IMOD的设计
调制电流由MODSET端外接电阻(RMODSET)和TC1端和TC2端串接电阻(RTC)所确定，其中：MODSET端外接电阻(RMODSET)确定温度恒定时调制电流部分(IMODS)；TC1端和TC2端串接电阻(RTC) 用来确定调制电流的温度补偿系数(TEMPCO)，决定温度变化时调制电流的补偿电流部分(IMODT)的大小。
IMODS的设计
IMODS是在理想工作条件(温度不变和输出功率恒定)下，驱动器所需的调制电流，由MAX3740A内部电路和MODSET端外接电阻所确定。通常用户首先根据实际应用要求，确定所需要的IMODS，然后根据下式来确定MODSET端外接电阻(RMODSET)值：
I_{MODS}=[（\frac{1}{200+R_{MODSET})} 30] [\frac{R_{OUT_{+}}}{R_{OUT_{+}}+R_{LOAD}}]；其中，ROUT+为MAX3740AOUT+端内部所接的上拉负载电阻，RLOAD为OUT+外接VCSEL的负载。
温度补偿系数(TEMPCO)的设计
当温度变化时，会引起调制电流变化，补偿调制电流(IMODT)就是补偿温度变化时对调制电流的影响，而IMODT由TEMPCO来确定。TEMPCO值由TC1端和TC2端串接电阻(RTC)所确定。
应用时，用户应根据实际情况计算出合适的温度补偿系数(TEMPCO)。当激光管选定后，用户可从激光管的两个不同温度所对应的斜率(SE)计算出TEMPCO的值，如一激光管在温度为25℃时所对应的斜率是：SE25=0.021 mW/mA，而在温度为85℃时所对应的斜率为：SE85=0.018 mW/mA，则可由下式求出TEMPCO：
当TEMPCO计算出后，即可根据图4中TEMPCO与RTC的关系曲线来确定的RTC值。如对于上式的结果，可知RTC选9K 较为合适。
此外，当用户不需要温度补偿时，用户可将TC1端和TC2端短接，这样可关闭温度补偿电路。
偏置电流IBIAS的设计
偏置电流是为外接VCSEL提供合适的工作电流，其值由BIASSET端外接对地电阻(RBIASSET)所确定。在开环模式下，RBIASSET决定着 VCSEL的偏置工作电流大小；在闭环模式下，RBIASSET决定着APC电路所能提供的最大偏置电流大小。偏置电流可由下列关系式确定：
在实际应用中，用户应首先功率要求和VCSEL特性，确定偏置电流IBIAS的值，然后根据上式即可确定RBIASSET的值。
APC电路的设计
在APC电路中，所需的参考监控电流值是由MAX3740A的REF端和MD端串接电阻(RPWRSET)来设置。在实际应用中，用户可根据所需的参考监控电流值，利用图5的监控电流与RPWRSET的关系曲线即可确定RPWRSET的值。
为确保APC电路工作稳定，监控二极管的结时间常数应小于APC电路的时间常数，一般情况下，要求：t_{MD}≤\frac{t_{APC}}{20}。例如：若CAPC=0.047 F，则tAPC=5 s,则t_{MD}≤250ns。当APC电路补偿电流(流过COMP端的电流)取典型值400 A，RPWRSET取典型值500 ，应选择电容量小于500pF的监控二极管。
应注意的问题
由于MAX3740A是高频产品，工作频率很高，电路布局对其影响很大。在电路设计时，应采用性能优越的高频布局技术，用户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调失真；电路板应采用低损耗的介质材料，以减少能量损耗；数据输入端引线和调制输出端引线应尽可能的短，以使电感量最小。此外，外漏焊片必须接地。
结束语
MAX3740A是新一代高速VCSEL驱动器，该驱动器在应用时，所需外围元件很少，电路较为简单，同时也具有同类产品的优良性能，在SFF和SFP光纤局域网中有一定的应用前景。
本文摘自《世界电子元器件》
