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摘要：本應(yīng)用筆記闡述對(duì)于采用雪崩光電二極管(APD)的光接收器，如何利用DS1864 SFP激光器與診斷提高接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的校準(zhǔn)。本文討論了APD和RSSI之間的關(guān)系，介紹了利用DS1864提高RSSI的基本操作。
圖1. 典型的APD電流監(jiān)測(cè)器原理圖
流過(guò)APD的電流可由公式：IAPD = PRX × M × η計(jì)算，式中：
IAPD是以mA為單位的電流
PRX是以mW為單位的接收功率
M是APD的雪崩增益系數(shù)
η是以A/W為單位的轉(zhuǎn)換效率
轉(zhuǎn)換效率依賴(lài)于結(jié)構(gòu)因素、溫度以及波長(zhǎng)，其典型值在0.65 < η < 0.95范圍內(nèi)。
將APD偏置到接近于其擊穿電壓VBR可以得到APD增益，VBR典型值在20V至80V，由APD結(jié)構(gòu)和工作溫度決定。APD偏置離其擊穿電壓越近，M值越大。當(dāng)APD處于雪崩模式時(shí)，M與施加到APD上的電壓VBR和VAP成比例，它們的關(guān)系為：M ∝ √(VBR/(VBR - VAPD))。M的精確測(cè)量由APD材料類(lèi)型、增益以及其它參數(shù)決定。對(duì)于一個(gè)155Mbps至40Gbps的典型APD，M通常設(shè)置在：3 < M < 10，圖2給出了一個(gè)典型的APD增益曲線。從圖1可以看出，當(dāng)光輸入功率增大時(shí)，通過(guò)減小M值，R1可以增大APD的動(dòng)態(tài)范圍。隨著R1電流的增加，APD的電壓降低。從而使得APD偏離其擊穿電壓，降低M值，公式為：M ∝ √(VBR/(VBR - (VBIAS - IAPD × R1)))。需要注意的是，通過(guò)對(duì)上述方程進(jìn)行替代，可以發(fā)現(xiàn)M僅依賴(lài)于其自身：M ∝ √(VBR/(VBR - (VBIAS - PRX × M × η × R1)))。通過(guò)一個(gè)檢測(cè)比例為10:1的電流鏡，ADC上作用的電壓(VADC)按照下式計(jì)算：
VADV = IAPD × (1/10) × R2 = PRX × M × η × (1/10) × R2
圖2. 典型的APD增益曲線
對(duì)于APD RSSI測(cè)量，很重要的是須注意增強(qiáng)型RSSI的兩個(gè)范圍具有獨(dú)立的失調(diào)和量程校準(zhǔn)因子。另外，精確測(cè)量模式下允許ADC測(cè)量結(jié)果最多右移7位。當(dāng)配置為7位右移時(shí)，精確模下的最大讀數(shù)是01FFh，而粗測(cè)模式下的最小讀數(shù)是01E0h。為了防止兩個(gè)范圍重疊(01FFh至01E0h)，提供了31位的滯回。
圖3. 典型APD檢測(cè)器的理想LSB加權(quán)和實(shí)際校準(zhǔn)的加權(quán)
當(dāng)MON3的精確轉(zhuǎn)換配置為7位右移時(shí)，在ADC的1E0h和1FFh臺(tái)階之間發(fā)生LSB 加權(quán)的交叉。最佳LSB加權(quán)值必須基于APD和監(jiān)測(cè)電路確定，上例得到的RSSI誤差如圖4所示。
圖4. 典型APD監(jiān)測(cè)器應(yīng)用中的RSSI誤差
APD RSSI介紹
許多光模塊在高靈敏度應(yīng)用中使用基于雪崩光電二極管(APD)的光接收器。在這樣的模塊中，接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)基于光電流，而不是無(wú)阻放大器(TIA)輸出的電信號(hào)幅度。圖1所示為一個(gè)典型的具有電壓輸出的電流監(jiān)控電路。圖1. 典型的APD電流監(jiān)測(cè)器原理圖
流過(guò)APD的電流可由公式：IAPD = PRX × M × η計(jì)算，式中：
IAPD是以mA為單位的電流
PRX是以mW為單位的接收功率
M是APD的雪崩增益系數(shù)
η是以A/W為單位的轉(zhuǎn)換效率
轉(zhuǎn)換效率依賴(lài)于結(jié)構(gòu)因素、溫度以及波長(zhǎng)，其典型值在0.65 < η < 0.95范圍內(nèi)。
將APD偏置到接近于其擊穿電壓VBR可以得到APD增益，VBR典型值在20V至80V，由APD結(jié)構(gòu)和工作溫度決定。APD偏置離其擊穿電壓越近，M值越大。當(dāng)APD處于雪崩模式時(shí)，M與施加到APD上的電壓VBR和VAP成比例，它們的關(guān)系為：M ∝ √(VBR/(VBR - VAPD))。M的精確測(cè)量由APD材料類(lèi)型、增益以及其它參數(shù)決定。對(duì)于一個(gè)155Mbps至40Gbps的典型APD，M通常設(shè)置在：3 < M < 10，圖2給出了一個(gè)典型的APD增益曲線。從圖1可以看出，當(dāng)光輸入功率增大時(shí)，通過(guò)減小M值，R1可以增大APD的動(dòng)態(tài)范圍。隨著R1電流的增加，APD的電壓降低。從而使得APD偏離其擊穿電壓，降低M值，公式為：M ∝ √(VBR/(VBR - (VBIAS - IAPD × R1)))。需要注意的是，通過(guò)對(duì)上述方程進(jìn)行替代，可以發(fā)現(xiàn)M僅依賴(lài)于其自身：M ∝ √(VBR/(VBR - (VBIAS - PRX × M × η × R1)))。通過(guò)一個(gè)檢測(cè)比例為10:1的電流鏡，ADC上作用的電壓(VADC)按照下式計(jì)算：
VADV = IAPD × (1/10) × R2 = PRX × M × η × (1/10) × R2
圖2. 典型的APD增益曲線
增強(qiáng)RSSI模式概述
DS1864 SFP激光器與診斷IC包括一個(gè)用于MON3通道的增強(qiáng)RSSI模式，該通道是13位ADC的一個(gè)差分輸入。增強(qiáng)的RSSI也稱(chēng)為雙范圍特性。在增強(qiáng)的RSSI模式下，ADC會(huì)進(jìn)行兩次不同的讀取，稱(chēng)為精確讀取模式和粗略讀取模式(DS1864數(shù)據(jù)資料的第20和21頁(yè)介紹了這種模式)。精確測(cè)量模式會(huì)自動(dòng)測(cè)量小輸入信號(hào)。但是，如果ADC輸入大信號(hào)，將自動(dòng)使用粗略測(cè)量模式。對(duì)于APD RSSI測(cè)量，很重要的是須注意增強(qiáng)型RSSI的兩個(gè)范圍具有獨(dú)立的失調(diào)和量程校準(zhǔn)因子。另外，精確測(cè)量模式下允許ADC測(cè)量結(jié)果最多右移7位。當(dāng)配置為7位右移時(shí)，精確模下的最大讀數(shù)是01FFh，而粗測(cè)模式下的最小讀數(shù)是01E0h。為了防止兩個(gè)范圍重疊(01FFh至01E0h)，提供了31位的滯回。
APD RSSI的雙范圍校準(zhǔn)
為了滿(mǎn)足SFF-8472，監(jiān)測(cè)電路和ADC必須進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證1 LSB = 0.1μW。因?yàn)镸隨輸入功率的不同而變化，為了保持每個(gè)LSB都在0.1μW，需要優(yōu)化ADC步長(zhǎng)。如果M從3變到10，使用一個(gè)ADC的LSB加權(quán)，所產(chǎn)生的總誤差為10×log10(10/3) = 5.23dB。因?yàn)镈S1864容許對(duì)兩個(gè)不同的ADC范圍進(jìn)行獨(dú)立校準(zhǔn)，可以定義兩個(gè)不同的LSB加權(quán)。這會(huì)減小由于M的改變而引起的誤差。圖3所示為理想的LSB加權(quán)和基于典型APD和檢測(cè)器的兩個(gè)不同加權(quán)。圖3. 典型APD檢測(cè)器的理想LSB加權(quán)和實(shí)際校準(zhǔn)的加權(quán)
當(dāng)MON3的精確轉(zhuǎn)換配置為7位右移時(shí)，在ADC的1E0h和1FFh臺(tái)階之間發(fā)生LSB 加權(quán)的交叉。最佳LSB加權(quán)值必須基于APD和監(jiān)測(cè)電路確定，上例得到的RSSI誤差如圖4所示。
圖4. 典型APD監(jiān)測(cè)器應(yīng)用中的RSSI誤差
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