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应用笔记: HFAN-2.

5.0 Rev. 5;

10/08 激光二极管的单端和差分驱动比较 激光二极管的单端和差分驱动比较

1 引言 为了优化光发送器设计,应该选择合适的接口电 路连接驱动器和激光二极管.一般而言,激光二 极管单端驱动比较简单,需要较少的元件和电路 板面积.缺点是边沿速度较慢,收发器电源上具 有较大噪声,这些缺点最终会影响接收灵敏度. 实际应用表明,采用差分驱动的光发送器能够克 服单端驱动的不足.本应用笔记阐述了差分驱动 比单端驱动能够提供更快边沿速率的原因.

2 单端驱动和差分驱动的电路配置 对于单端驱动,激光调制电流加在激光器阳极 (共阴极激光器)或激光器阴极(共阳极激光器). 图1是驱动共阳极激光器的简单原理图,调制电 流通过阻尼电阻(RD)加在激光器阴极.激光器阳 极直接连接至电源,驱动器偏置输出经过铁氧体 磁珠隔离后为激光器提供偏置.对于平衡的直流 和交流负载,通过铁氧体磁珠和电阻构成的并联 网络将驱动电路互补输出上拉至VCC,该电阻匹 配于激光器负载和阻尼电阻的等效阻抗.RC并 联网络(RF和CF)提供高频衰减.驱动器输出电容 CP (CP1和CP2)表示输出晶体管等效电容、封装和 电路板寄生电容的等效值. OUT+ BIAS OUT- RF CF RD Laser Driver CP2 CP1 VCC OUT+ BIAS OUT- RF CF RD Laser Driver CP2 CP1 VCC 图1. 激光二极管的单端驱动方式 OUT+ BIAS OUT- RD Laser Driver CP1 CP2 VCC OUT+ BIAS OUT- RD Laser Driver CP1 CP2 VCC 图2. 激光二极管的差分驱动方式 图2所示是差分驱动的例子.激光器阴极通过一 个阻尼电阻(RD)交流耦合至驱动电路输出.驱动 器输出通过铁氧体磁珠上拉至VCC,为输出晶体 管提供直流偏置.驱动电路互补输出和激光二极 管阳极公共端通过一个铁氧体磁珠连接至VCC, 铁氧体磁珠提供VCC的高频隔离.激光器偏置方 式与单端驱动相似.采用相同的激光二极管和驱 动电流,与单端驱动相比,差分驱动的 2.5Gbps 光发送器在边沿速率上加快了 20ps [1]. 应用笔记 HFAN-02.5.0 (Rev. 5;

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5 3 单端驱动的充、放电 图3是对图

1 单端驱动电路的改进.为简单起 见,在下面讨论中忽略RF和CF补偿网络.激光器 导通期间,输出晶体管T1 通过阻尼电阻RD为激 光器调制提供吸电流,对寄生电容CP1充电,CP1 充电完成后才能对激光器提供调制电流.因此, 对该电容充电的瞬态电流是导致上升沿速率下降 的直接原因. 激光器关闭时,T1 停止吸收电流,寄生电容CP1 通过由激光二极管和阻尼电阻构成的串联网络放 电.这一瞬态电流减慢了激光器的关断过程,导 致光输出有一个缓慢拖尾.充放电周期时间常数 τSE大约为: P L D SE C R R ? + ≈ ) ( τ 其中RL是激光器等效电阻.本分析中忽略了激光 器的串联电感. 串联电阻RD用于抑制激光器、寄生电感导致的激 光器上冲和振铃.因此,降低驱动器输出端的等 效电容是获得快速光输出边沿的关键.图4是阶 跃响应的仿真结果,激光二极管建模为 5?电阻 与1pF电容并联,阻尼电阻RD选择为 10?.本测 试中使用的晶体管(T1 和T2)边沿速率(20%-80%) 大约为 25ps.激光二极管输出边沿仿真结果列在 表1中,下降沿要比上升沿缓慢. 表1. 单端驱动的边沿速度(单位为 ps)和输出电 容CP (CP1 &

CP2) 1pF 2pF 3pF tr/tf (20%-80%) 41/46 53/59 71/78 tr/tf (10%-90%) 60/72 83/97 118/125 Bias Modulation RD CP1 CP2 T1 T2 A VCC Bias Modulation RD CP1 CP2 T1 T2 A A VCC Bias Modulation RD CP1 CP2 T1 T2 A VCC Bias Modulation RD CP1 CP2 T1 T2 A A VCC 图3. 单端驱动电路的充电(上图)和放电(下图)环路 (点线表示电容充电或放电时的瞬变电流) 应用笔记 HFAN-02.5.0 (Rev. 5;