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10Gbps EAM驱动器MAX3941及其应用

王朝厨房·作者佚名  2007-01-04
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武警工程学院 彭月平

概述

MAX3941 是美国MAXIM公司生产的带有集成偏置网络的EAM(电吸收调制器)驱动器,其工作速率高达10Gbps,可用在DWDM和SONET OC-192/SDH STM-64等传输系统中。该产品与以往同类产品相比,主要特点是传输速率高,性能安全稳定且调制电压和偏置电压可灵活设计。MAX3941主要特性有: (1) 采用-5.2V的单电源工作模式;(2) 内含集成偏置网络;(3) 其输出信号具有低至23ps的上升沿时间/下降沿时间;(4) 带有可设置的调制电压端和偏置电压端;(5)提供可选择的数据重定时功能;(6)带有脉冲宽度调整电路;(7)具有数据极性控制功能和ESD保护功能。 MAX3941采用24脚QFN封装形式,引脚排列如图1所示。

内部结构及引脚功能

MAX3941 内部结构如图2所示,内部电路主要由高速调制电路和EAM负载偏置电路组成。高速调制电路包括输入级电路、脉宽调整电路、极性控制电路和输出级调制电路,主要功能是对输入信号进行重定时、转换复用、波形调整和高速调制等处理后,为外部EAM负载提供所需的激励电流信号;EAM负载偏置电路是为外部负载提供合适的偏置电压,以保证其正常工作。工作过程描述如下:当电路正常工作时,数据从DATA-端和DATA+端输入,首先经数据转换器重新定时同步后,进入脉宽调整电路和极性控制电路进行波形调整处理,然后控制驱动器MAX3941内部的高速差分对调制器的输出实现调制,调制后的信号从OUT端输出,驱动外接的EAM负载。

MAX3941各引脚功能描述如下:

DATA+(1), DATA-(2):数据正向、反向输入端,内带50 的端 电阻;

GND(3,4,14):接地端,应用时须与接地板连接;

CLK+(5), CLK-(6):用于数据重定时的时钟正向、反向输入 端,内带50 的端电阻;

VEE(7,11,12,13,18,19,24):负电源供给端;

PWC+(8), PWC-(9):调制脉冲信号宽度调整端;

MODSET(10):调制电流设置端,通过外接一电压来设置驱 动器输出的调制电流;

GND1(15):接地端;

OUT(16):驱动器输出端,直流耦合接EAM负载,为其同时 提供调制电流和偏置电流;

GND2(17):接地端;

PLRT(20):差动数据极性交换控制端,当接高电平或悬空 时,极性与输入时一致,当接低电平时,改变数据极性,与输 入时相反;

BIASSET(21):偏置电流设置端,通过外接一电压来设置驱 动器输出的偏置电流;

MODEN(22):TTL/CMOS调制控制端,当接低电平或悬空 时,驱动器为正常工作模式;当接高电平时,EAM负载处于吸收(逻辑0)状态;

RTE(23):数据重定时控制端,接VEE有效,接地时失效。

应用设计

MAX3941是MAXIM公司生产的新一代高速驱动器产品,其集成度高,应用时需要用户设计的电路比较少。但由于MAX3941 传输速率高达10Gbps,电路布局对性能影响很大,因而也有一定 的困难。设计工作主要包括:(1)调制电压和偏置电压的设计; (2)脉冲宽度调整电路的设计。MAX3941在应用时,外接EAM负载应采用直流耦合方式,下面介绍MAX3941的应用设计过程。

调制电压和偏置电压的设计

在实际应用中,用户首先根据性能要求选择合适的EAM负载,MAX3941若要对EAM负载进行正常驱动,须为其提供满足要求的调制电压和偏置电压。

(1)调制电压VMOD的设计

EAM负载上的调制电压VMOD由调制电流IMOD产生,调制电流IMOD流经EAM负载和MAX3941内部OUT端的50 端电阻所组成的并联网络(由图2可知),则调制电压VMOD可近似为:

{V_{MOD}}≈{I_{MOD}} {{Z_{L} {R_{OUT}}}\over{Z_{L}+{R_{OUT}}

当EAM 负载选定后,可确定所需要的调制电压VMOD和ZL值,ROUT也已知,这样即可确定所需要的调制电流;而调制电流IMOD由MAX3941的 MODSET端电压VMODSET所决定,因此,调制电压VMOD的设计的实质是确定MODSET端电压值VMODSET。由于MAX3941内部的独立电流源能提供约37mA的固定电流给调制电路,故调制电流IMOD与MODSET端电压VMODSET的关系式为:

{I_{MOD}≈{{V_{MODSET}}}\over{11.1 }+{37_{mA}

用户根据上式即可确定MODSET端电压VMODSET值。

(2)偏置电压VBIAS的设计

偏置电压VBIAS的设计与调制电压VMOD设计相类似。

EAM负载上的偏置电压VBIAS由偏置电流IBIAS产生,与调制电流IMOD一样,偏置电流IBIAS也流经EAM负载和MAX3941内部OUT端的50 端电阻所组成的并联网络(由图2可知),则偏置电压VBIAS可近似为:

{V_{BIAS}≈{I_{BIAS} {{Z_{L} {R_{OUT}}}\over{Z_{L}+{R_{out}}

和调制电压VMOD设计一样,当EAM负载选定后,根据上式即可确定所需要的偏置电流IBIAS;而偏置电流IBIAS由MAX3941的BIASSET端电压VBIASSET所决定,因此,偏置电压VBIAS的设计的实质是确定BIASSET端电压值VBIASSET。偏置电流IBIAS与BIASSET 端电压VBIASSET的关系式为:

{V_{BIAS}≈{{V_{BIASSET}}}\over{36.4{ }

用户根据上式即可确定BIASSET端电压VBIASSET值。

用户在设计调制电压和偏置电压时,应注意MAX3941的OUT端输出最小电

压不低于VEE+1.9V(VEE为负电源值,小于0)。

脉冲宽度调整电路的设计

为使输出信号波形失真最小,MAX3941提供了脉冲宽度调整控制电路,用户可采用三种方法:(1)在PWC+端和PWC-端串接一2K 的电位器,其中点抽头接负电源VEE,在应用中,用户通过调节抽头位置,即可改变PWC+端和PWC-端的电压值,从而实现对脉冲宽度的调整,如图3所示;(2)通过在PWC+端施加一电压,以实现对信号脉冲宽度的调整控制;(3)PWC+在PWC-端和 端接一差动电压,以实现对信号脉冲宽度的调整控制。三种方法相比较而言,第一种方法灵活使用,采用该方法,用户可根据实际情况,实现对信号的灵活调整。脉冲宽度调整相关参数变化如表1所示

表1中参数说明如下:脉冲宽度的定义为:脉冲宽度=正脉冲宽度/((正脉冲宽度+负脉冲宽度)/2);RPWC+为PWC+端到电位器抽头的电阻值,RPWC-为RPWC-端到电位器抽头的电阻值,且有:RPWC++RPWC-=2K ;VPWC+为PWC+端电压;VPWC-为PWC-端电压。

值得一提的是,当用户电路设计完成后,应对脉冲宽度调制电路进行认真调试,找出使电路正常工作,同时信号波形失真最小的抽头位置。

应注意的问题

MAX3941的数据输入和时钟输入兼容CML电平,但在驱动MAX3941时,无需采用标准CML电平,只要输入信号的电压幅值变化满足要求即可。

由于MAX3941是高频产品,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和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;EAM负载与MAX3941之间的连接线应尽量短一些,以减少能量消耗和交调失真;此外,数据输入端引线、时钟输入端引线和调制输出端引线应采用阻抗可控的传输线,便于调整电路,减少能量损耗和降低干扰。

典型应用

MAX3941的典型应用如图3所示,在图3中,EAM负载与MAX3941采用直流耦合方式。图中MAX3952是串行数据生成器,主要作用是将多路数据合并后,并串行化,电路中的外围元器件参数为典型值。

结束语

MAX3941驱动器与其它同类产品相比,主要特点是传输速率高,带有脉宽调整控制电路,其所接负载为EAM负载,输出采用单端方式,输出驱动电压较大;此外,其应用电路设计相对较为容易。该产品在通信网络中有一定的应用前景。

本文摘自《世界电子元器件》

 
 
 
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