利用DS1864提高APD的RSSI校准

摘要：本应用笔记阐述对于采用雪崩光电二极管(APD)的光接收器，如何利用DS1864 SFP激光器与诊断提高接收信号强度指示(RSSI)的校准。本文讨论了APD和RSSI之间的关系，介绍了利用DS1864提高RSSI的基本操作。

APD RSSI介绍

许多光模块在高灵敏度应用中使用基于雪崩光电二极管(APD)的光接收器。在这样的模块中，接收信号强度指示(RSSI)基于光电流，而不是无阻放大器(TIA)输出的电信号幅度。图1所示为一个典型的具有电压输出的电流监控电路。


图1. 典型的APD电流监测器原理图

流过APD的电流可由公式：IAPD = PRX × M × η计算，式中：

IAPD是以mA为单位的电流
PRX是以mW为单位的接收功率
M是APD的雪崩增益系数
η是以A/W为单位的转换效率

转换效率依赖于结构因素、温度以及波长，其典型值在0.65 < η < 0.95范围内。

将APD偏置到接近于其击穿电压VBR可以得到APD增益，VBR典型值在20V至80V，由APD结构和工作温度决定。APD偏置离其击穿电压越近，M值越大。当APD处于雪崩模式时，M与施加到APD上的电压VBR和VAP成比例，它们的关系为：M ∝ √(VBR/(VBR - VAPD))。M的精确测量由APD材料类型、增益以及其它参数决定。对于一个155Mbps至40Gbps的典型APD，M通常设置在：3 < M < 10，图2给出了一个典型的APD增益曲线。从图1可以看出，当光输入功率增大时，通过减小M值，R1可以增大APD的动态范围。随着R1电流的增加，APD的电压降低。从而使得APD偏离其击穿电压，降低M值，公式为：M ∝ √(VBR/(VBR - (VBIAS - IAPD × R1)))。需要注意的是，通过对上述方程进行替代，可以发现M仅依赖于其自身：M ∝ √(VBR/(VBR - (VBIAS - PRX × M × η × R1)))。通过一个检测比例为10:1的电流镜，ADC上作用的电压(VADC)按照下式计算：

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


图2. 典型的APD增益曲线

增强RSSI模式概述

DS1864 SFP激光器与诊断IC包括一个用于MON3通道的增强RSSI模式，该通道是13位ADC的一个差分输入。增强的RSSI也称为双范围特性。在增强的RSSI模式下，ADC会进行两次不同的读取，称为精确读取模式和粗略读取模式(DS1864数据资料的第20和21页介绍了这种模式)。精确测量模式会自动测量小输入信号。但是，如果ADC输入大信号，将自动使用粗略测量模式。

对于APD RSSI测量，很重要的是须注意增强型RSSI的两个范围具有独立的失调和量程校准因子。另外，精确测量模式下允许ADC测量结果最多右移7位。当配置为7位右移时，精确模下的最大读数是01FFh，而粗测模式下的最小读数是01E0h。为了防止两个范围重叠(01FFh至01E0h)，提供了31位的滞回。

APD RSSI的双范围校准

为了满足SFF-8472，监测电路和ADC必须进行校准，以保证1 LSB = 0.1µW。因为M随输入功率的不同而变化，为了保持每个LSB都在0.1µW，需要优化ADC步长。如果M从3变到10，使用一个ADC的LSB加权，所产生的总误差为10×log10(10/3) = 5.23dB。因为DS1864容许对两个不同的ADC范围进行独立校准，可以定义两个不同的LSB加权。这会减小由于M的改变而引起的误差。图3所示为理想的LSB加权和基于典型APD和检测器的两个不同加权。


图3. 典型APD检测器的理想LSB加权和实际校准的加权

当MON3的精确转换配置为7位右移时，在ADC的1E0h和1FFh台阶之间发生LSB 加权的交叉。最佳LSB加权值必须基于APD和监测电路确定，上例得到的RSSI误差如图4所示。


图4. 典型APD监测器应用中的RSSI误差