利用DS1864提高APD的RSSI校準

摘要：本應用筆記闡述對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強度指示(RSSI)的校準。本文討論了APD和RSSI之間的關系，介紹了利用DS1864提高RSSI的基本操作。

APD RSSI介紹

許多光模塊在高靈敏度應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，接收信號強度指示(RSSI)基于光電流，而不是無阻放大器(TIA)輸出的電信號幅度。圖1所示為一個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)測器原理圖

流過APD的電流可由公式：IAPD = PRX × M × η計算，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
η是以A/W為單位的轉換效率

轉換效率依賴于結構因素、溫度以及波長，其典型值在0.65 < η < 0.95范圍內。

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結構和工作溫度決定。APD偏置離其擊穿電壓越近，M值越大。當APD處于雪崩模式時，M與施加到APD上的電壓VBR和VAP成比例，它們的關系為：M ∝ √(VBR/(VBR - VAPD))。M的精確測量由APD材料類型、增益以及其它參數決定。對于一個155Mbps至40Gbps的典型APD，M通常設置在：3 < M < 10，圖2給出了一個典型的APD增益曲線。從圖1可以看出，當光輸入功率增大時，通過減小M值，R1可以增大APD的動態(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，通過對上述方程進行替代，可以發(fā)現M僅依賴于其自身：M ∝ √(VBR/(VBR - (VBIAS - PRX × M × η × R1)))。通過一個檢測比例為10:1的電流鏡，ADC上作用的電壓(VADC)按照下式計算：

VADV = IAPD × (1/10) × R2 = PRX × M × η × (1/10) × R2


圖2. 典型的APD增益曲線

增強RSSI模式概述

DS1864 SFP激光器與診斷IC包括一個用于MON3通道的增強RSSI模式，該通道是13位ADC的一個差分輸入。增強的RSSI也稱為雙范圍特性。在增強的RSSI模式下，ADC會進行兩次不同的讀取，稱為精確讀取模式和粗略讀取模式(DS1864數據資料的第20和21頁介紹了這種模式)。精確測量模式會自動測量小輸入信號。但是，如果ADC輸入大信號，將自動使用粗略測量模式。

對于APD RSSI測量，很重要的是須注意增強型RSSI的兩個范圍具有獨立的失調和量程校準因子。另外，精確測量模式下允許ADC測量結果最多右移7位。當配置為7位右移時，精確模下的最大讀數是01FFh，而粗測模式下的最小讀數是01E0h。為了防止兩個范圍重疊(01FFh至01E0h)，提供了31位的滯回。

APD RSSI的雙范圍校準

為了滿足SFF-8472，監(jiān)測電路和ADC必須進行校準，以保證1 LSB = 0.1μW。因為M隨輸入功率的不同而變化，為了保持每個LSB都在0.1μW，需要優(yōu)化ADC步長。如果M從3變到10，使用一個ADC的LSB加權，所產生的總誤差為10×log10(10/3) = 5.23dB。因為DS1864容許對兩個不同的ADC范圍進行獨立校準，可以定義兩個不同的LSB加權。這會減小由于M的改變而引起的誤差。圖3所示為理想的LSB加權和基于典型APD和檢測器的兩個不同加權。


圖3. 典型APD檢測器的理想LSB加權和實際校準的加權

當MON3的精確轉換配置為7位右移時，在ADC的1E0h和1FFh臺階之間發(fā)生LSB 加權的交叉。最佳LSB加權值必須基于APD和監(jiān)測電路確定，上例得到的RSSI誤差如圖4所示。


圖4. 典型APD監(jiān)測器應用中的RSSI誤差