10GXFP電路部分解析

1、10G XFP電路部分解析注：10G EML XFP原理圖見上PDF文檔1. 發(fā)射部分1）電源分配系統(tǒng)MAX1683為開關電容倍壓器，將5V電壓轉(zhuǎn)換為10V電壓；為AD8029AKS提供電源電壓 慢上電系統(tǒng)FDN302P為P溝道增強型MOS管；熱插拔電路的最低要求是提供浪涌電流限制，防止在大的容性負載加電時整個系統(tǒng)損壞。普通熱插拔電路由電容、齊納管和FET構成。電源電壓從S級輸入，D級輸出。當上電時，GS間的電容充電，此時MOS管關斷；隨著電容的充電，VGS增大，當其超過門限時，MOS緩慢導通，C48值的大小和MOS管的特性決定MOS管導通的速度。DS間的二極管起保護作用，防止電壓過高。NFM

2、18P為DC EMI靜噪濾波器，卓越的高頻帶靜噪特性，能承受2A的電流，適合IC電源線的噪聲抑制。模擬與數(shù)字電源之間通過一電感相連。兩邊個連0.1UF到地去耦。VCC3V3A連接到AD7021-36腳由于MCU A/D輸入口有最大輸入電壓限制，所以在此處對XFP工作電壓通過電阻分壓后再送入MCU A/D進行檢測，這樣通過分壓后就不會燒壞MCU。此處MCU可通過分壓后的電壓值檢測出系統(tǒng)供電是否正常。2）TOSA驅(qū)動部分a）偏置及光發(fā)射功率檢測單DFB與EML激光器光功率檢測單DFB與EML激光器光功率檢測圖從上圖可以看出，傳統(tǒng)單DFB與EML激光器光功率檢測的不同。對于單DFB激光器，通常采用一

3、個背光PIN管來檢測光發(fā)射功率。而EML使用一種更為直接的方法來檢測DFB前向光功率的大小。EAM調(diào)制器吸收DFB的輸出光的大小將取決于加在調(diào)制器上的偏置電壓的大小。被吸收的光將產(chǎn)生光電流，就像PIN管一樣。調(diào)制器上的光電流能夠非常精確的檢測EML的前向輸出功率。APC的設置點將設置在需要光輸出功率時測的調(diào)制器電流。分解見下圖AD8029和MBT3906DW DATASHEET： AD8029為低功耗、高速、軌到軌運算放大器；AD8029和MMBT222AT的功能是將電壓V-BIAS（V-BIAS為MCU D/A產(chǎn)生）轉(zhuǎn)換為電流，電流從MMBT2222AT射極流出通過R5和R7到地，比例的轉(zhuǎn)換

4、成調(diào)制器偏制電壓V-MOD；通過MCU對V-BIAS的控制完成對V-MOD的控制。MBT3906DW為兩個PNP管，構成一個電流鏡，；電流經(jīng)R9轉(zhuǎn)換成電壓，該電壓的值即表示TOSA光發(fā)射功率的大小。b）BIAS-T Bias-T用于將直流或者低頻信號疊加到射頻信號上，且使彼此互不影響。它實質(zhì)上是一個同向雙工器，能夠從高頻信號中分離出低頻信號，傳向不同的終端。在交叉點處，低頻結(jié)構對所有在其截止頻率之上的頻率表現(xiàn)出一個高阻抗;高頻結(jié)構則相反，對在其截止頻率之下的所有頻率表現(xiàn)出高阻抗。一般可以通過由集總元件或分立元件制成的互補式濾波器來實現(xiàn)這種結(jié)構。對于數(shù)字應用而言，通常采用集總元件來實現(xiàn)，如果采用

5、分立元件，則需要很高的帶寬。OC- 192的Bias-T的帶寬范圍在1520G。所以通常用串聯(lián)電感來覆蓋這個范圍的帶寬。電感值依次減小。另外，傳統(tǒng)感性的Bias使用電阻和各個電感并聯(lián)來減小Q值。該種方法制作的Bias-T的結(jié)構、損耗均轉(zhuǎn)大。該設計中采用磁珠來替代電感作為并聯(lián)元件。磁珠是一種由嵌入在鐵氧體里的感性材料組成的。其渦流損耗同鐵氧體材料的電阻率成反比，渦流損耗隨信號頻率的平方成正比。所以磁珠對直流損耗非常小，而能消除傳輸線中絕大部分RF噪聲。磁珠有更高的帶寬，因為它的等效電路是由L和R組成，而非L和C。所以沒有串聯(lián)諧振點，封裝緊湊，直流損耗小。使用磁珠的Bias-T的設計方法和傳統(tǒng)的繞

6、線相似。高頻率磁珠在高速線部分，低頻率磁珠在供應電源部分。這里可選用BLM18HG102SN1D（高頻）和BLM18RK102SN1D（低頻）。磁珠沒有足夠的帶寬來覆蓋34G的頻率范圍，事實上這部分就變成了一個低阻抗終端?？紤]到這一點，兩個磁珠之間必須用一個變換器，它采用1/4波長傳輸線結(jié)構，將第二個磁珠的低輸入阻抗變換為高阻抗。特征阻抗為Zo,長度為L、負載為ZL傳輸線的輸入阻抗為: 如果ZL很小，則可以近似為：當BL約為90度時，則可以得到很高的輸入阻抗。影響B(tài)ias-T性能的因素有：插入損耗 截止頻率 溫度 串行電阻 寄生電阻 RF到DC隔離此處采用單端驅(qū)動激光器，對不用的一端采用一個5

7、0歐姆電阻端接到地處理。c）激光器使能電路 激光器使能電路NC7SZ04為一非門；MMBF2202PT1為P溝道增強型MOS管NC7SZ04為一非門；當FLTN-DISN為高電平，則輸出反向為低；此時，Vgs-2V則MOS管導通，激光器工作；當FLTN-DISN為低電平，則輸出反向為高電平；此時，Vgs -2V，PMOS關閉，集電極開路，此時激光器被關斷。通過FLTN-DISN的電平來控制BSRC，從而控制激光器偏置電流使能。3）TOSA 10T3001為1310 EML TOSA（參照如上圖）；LASER-A為激光器偏置；MOD-C為數(shù)據(jù)輸入腳和調(diào)制器偏置電流輸入腳；THERMISTOR為熱

8、敏電阻EML激光器芯片的激光器工作于恒定功率或CW模式。輸入信號加在調(diào)制器上，因此調(diào)制器像一個開關，讓光通過或把光關斷。這使得產(chǎn)生的信號的啁啾聲（Chirp）非常小，囚此可以在標準的光纖上傳播非常長的距離，并且信號的失真很小。如圖所示，3腳連接BSNK；2腳連接BSRC；BSNK和BSRC構成LA的偏置控制電路。4為數(shù)據(jù)輸入端和調(diào)制器偏制電流輸入端，圖中MPD和電阻R構成EAM；腳1為溫度檢測腳，外部通過一電阻連向一參考電壓，通過該腳的電壓變化即可檢測到TOSA內(nèi)溫度的變化。4）TOSA驅(qū)動器VSC7982VSC7982 DATASHEET：使用外部DA實現(xiàn)設置偏置電流上圖中，通過一個外部DA

9、產(chǎn)生BIASMAX輸入到運算放大器正向輸入端，與運放相連的三極管IC：；上面兩三極管構成電流鏡，產(chǎn)生與IC同值大小的電流從BIASMON出經(jīng)一電阻到地轉(zhuǎn)換成電壓，該電壓可檢測偏置電流大小。本設計中由VSC7982內(nèi)部參考電壓經(jīng)一電阻產(chǎn)生。BIASMAX設置最大偏置電流BSRC輸出和BSRK輸入；通過BIASMON來檢測BSRC或BSRK的大小。電流的方向由SRC_SNKN決定；為從BSRC流出或BSRK流入的電流。偏置電流大小為：原理參照調(diào)制電流設置使用一個外部電阻實現(xiàn)調(diào)制電流設置調(diào)制設置電壓：內(nèi)部調(diào)制電流： 調(diào)制電流檢測： 最大檢測調(diào)制電流為1.5mA，為1K，所以最大調(diào)制檢測電壓為1.5V

10、。 在上圖中，OUT輸出端在內(nèi)部上拉50歐姆電阻到VCC，然后輸出接負載RL。由此可分析：內(nèi)部調(diào)制電流： 輸出調(diào)制電流： 得：自動功率控制（APCREF直接連向TX-POWER）自動功率控制功能通過調(diào)整激光器偏置電流的大小確保恒定的光輸出功率。此處的APC電路和鎖相環(huán)的原理很象。如上圖所示，通常是將激光器背光檢測PD腳連向VSC7982的MD腳，通過內(nèi)部電流鏡產(chǎn)生成比例的電流，在APCREF腳連一電阻RAPCREF到地，將電流轉(zhuǎn)換成電壓。此處沒有采用背光檢測來檢測光輸出功率，而是將光發(fā)射功率檢測TX-POWER（TX-POWER為電壓信號）直接連向APCREF腳，這里就不用考慮選擇RAPCRE

11、F的大小。通常APCSET腳通過其內(nèi)部產(chǎn)生的參考電壓VREF通過分壓后連到內(nèi)部運放反相輸入端，本設計中直接從MCU D/A產(chǎn)生VAPC連向APCSET。當激光器電流達到最大時，VAPCSET和VAPCREF接近相等。偏置電流達到最大時，EOLN被置低電平。APC中的偏置電流由BIASMAX決定。EOLN邏輯圖失效顯示作用是在發(fā)生故障時關斷激光器并鎖定錯誤。EOL-INT是內(nèi)部信號，當偏置電流達到設定值BIASMAX 的95%時，該信號被設置為高。當LCLRN為低時，錯誤不會被鎖住。當電源重啟時，TX-DIS被置高；或LCLRN被置低時，EOLN鎖定被清除。通常情況下，將EOLN和FLTB-DI

12、S連起來確保在故障期間激光器被關斷。如果LCLRN被設為低，連接EOLN和FLTB-DIS，失效條件產(chǎn)生，電路可能會振蕩，因為故障沒有被鎖定。這是因為當偏置電流被使能時，故障鎖定被清除了。要注意的是不管LCLRN的狀態(tài)是什么，TX-DIS依然能夠關斷激光器。故障和控制邏輯圖當FLT-BYT為高電平時，它將阻止由于故障而要關斷的調(diào)制和偏置電流。但是它不能影響TX-DIS的功能。當TX-DIS為高時，即使FLT-BYT為低，它依然可以關斷激光器。交叉點控制交叉點控制電壓可以控制輸出數(shù)據(jù)眼圖交叉點從20%-85%之間變化眼圖交叉點與CPSET控制電壓關系圖1.FLT-BYP 高電平時阻止激光器偏置和

13、調(diào)制電流被關斷4. TERM 輸入端接（0.1UF到地）3/5. DATAP/N 數(shù)據(jù)差分輸入7.TX-DIS 發(fā)射使能（懸空則輸出關斷）8.VREF 輸出1.2V參考電壓9.MODSET 設置調(diào)制電流（使用電壓或連一個電阻到VREF設置調(diào)治電流）10.BIASMAX 設置最大的偏制電流（使用電壓或連一個電阻到VREF設置最大的偏制電流；APC功能可以減小該值，不能增加）11.CPSET 設置交叉點（使用電壓或連一個電阻到VREF設置交叉點）12.APCSET 設置自動功率控制（使用電壓或連一個電阻到VREF設置最佳的平均光功率）15.APCREF 自動功率控制參考輸出16.MD 連向一個檢測

14、背光PD17. SRC-SNKN 偏制選擇（拉電流連向GND/灌電流連向VCC） （對檢測PD 見APC圖）18 BSNK 激光器拉電流輸出（VCC時關斷LA偏制）20/22 OUT/OUTN 數(shù)據(jù)差分輸出24 BSRC 激光器灌電流輸出25. LCLRN 閉鎖清除和使能（連向VCC 默認閉鎖 GND立即清除）26 VTEMP 溫度檢測電壓29. FLTN-DISN 偏制和調(diào)制電流使能（GND使能 VCC不能使能）30. EOLN 激光器失效顯示31. BIASMOD 偏置電流檢測32. MODMOD 調(diào)制電流檢測時序圖：5）發(fā)射信號調(diào)理器：GN2004SGN2004S DATASHEET：均

15、衡器和CDR信號調(diào)節(jié)器接收從XFI接口出來的數(shù)據(jù)后，GN2004S內(nèi)部的均衡器首先將數(shù)據(jù)進行整形重建，以消除趨膚效應和介質(zhì)損耗帶來的確定性抖動，隨后用CDR進行時鐘和數(shù)據(jù)恢復。1）均衡電路的輸出波形是升余弦波,而升余弦波能在所有的判決時刻都沒有碼間干擾。因此均衡電路的所起的作用就是對某些頻率成分進行補償,進行抑制或者濾波,同時還能夠濾除部分噪聲。它的主要目的是對經(jīng)過光纖線路傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已發(fā)生畸變的和有嚴重碼間干擾的信號進行補償,使其變?yōu)榇a間干擾盡可能小的信號,以利于定時判決。2）再生電路包括判決電路和時鐘提取電路,它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元的時鐘,并逐個

16、地對碼元波形進行取樣判決,以得到原發(fā)送的碼流。在GN2004S中，EQP/N為從XFI接口傳輸過來的差分數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部均衡器進行整形；同時，在LOS電路中通過LOSADJ腳設置信號丟失門限電平，對輸入信號進行判決；通過LOS腳輸出電平來對信號是否超過門限進行指示。LOS輸出為0表示信號輸入信號超過門限；反之為1表示信號幅度低于門限，信號丟失。通過相位檢測器來檢測信號頻率是否失鎖，當信號頻率偏差超過一定范圍時，PLL失鎖，PLL輸出低電平。數(shù)據(jù)分成兩路，一路用來恢復時鐘信號；利用恢復的時鐘信號對數(shù)據(jù)進行取樣判決，從而恢復出原發(fā)送的信號。在這個過程中，可以通過RTEN來實現(xiàn)CDR的使能；同時可通過

17、POLInv來控制輸出信號的極性；SWNGSel用來控制輸出信號的幅度，通過控制SWNGSel信號的電平來控制輸出信號是高差分還是低差分輸出。1 POLInv SDO輸出反向控制2 RTEn Retimer Enable Control Input（0：CDR旁路掉；1：CDR工作）3 EQVcc 均衡電源4 EQVee 均衡地5/6 EQInP/N 差分數(shù)據(jù)輸入7 PDVcc CDR電源8 PDVee CDR地9 SWNGSel 數(shù)據(jù)輸出幅度控制（0：低差分擺幅500mV；1：高差分擺幅700mV）10 LOS 信號丟失輸出（0：信號輸入信號超過門限；1：信號幅度低于門限）11 LOSAdj

18、 Loss 門限調(diào)整輸入12 NC No Connect. Reserved for future functionality expansion.13 SDOVcc SDO輸出緩沖電源14 SDOVee SDO輸出緩沖地15/16 SDON/P 差分數(shù)據(jù)輸出17 LBSDON Loop Back Serial Data Output (Negative)18 LBSDOP Loop Back Serial Data Output (Positive)19 LBWCtrl PLL Loop Bandwidth Control Input20 LF PLL Loop Filter Capacit

19、or21 VCOVcc VCO電源22 VCOVee VCO地23 LOL 鎖定檢測丟失輸出（0：PLL鎖定丟失；1：PLL鎖定）24 LBEn Loop Back 使能控制（0：無LBSDON/P信號；1：有）2. 接收部分1）接收信號調(diào)理器；GN2003SGN2003S DATASHEET：此處UMX1N作用為增強驅(qū)動能力，因為LOS與LOL輸出緩沖為LVCMOS 驅(qū)動能力為100uA（3.3V LVCMOS： VCC：3.3V；VOH=3.2V；VOL=2.0V；VIL=2V；VOL=1.7V；VIL=0.7V。）10G限幅放大器和CDR從前置放大器出來的差分信號進入GN2003S，首先

20、通過限幅放大器進行限幅放大，然后經(jīng)過CDR進行時鐘和數(shù)據(jù)恢復?；驹硗珿N2004S。1 LOS Loss of Signal Indicator Output2 LAVcc Limiting Amplifier Power Supply3 LAVee Limiting Amplifier Ground4 LAIP Limiting Amplifier Input (Positive)5 LAIN Limiting Amplifier Input (Negative)6 LACT Limiting Amplifier Center Tap7 PDVcc Phase Detector Powe

21、r Supply8 PDVee Phase Detector Ground9 ConComp Connector Compensation10 LOSAdj Loss of Signal Level Adjust Input11 RTEn Retimer Enable Control Input12 POLInv SDO Output Polarity Inversion Control Input13 SDOVcc SDO Output Buffer Power Supply14 SDOVee SDO Output Buffer Ground15 SDON Serial Data Outpu

22、t (Negative)16 SDOP Serial Data Output (Positive)17 LBSDIP Loop Back Serial Data Input (Positive)18 LBSDIN Loop Back Serial Data Input (Negative)19 LBWCtrl PLL Loop Bandwidth Control Input20 LF PLL Loop Filter Capacitor21 VCOVcc VCO Power Supply22 VCOVee VCO Ground23 LOL Loss of Lock Monitor Output2

23、4 LBEn Loop Back Enable Control Input2）ROSA及收光功率檢測此處GN2003S與ROSA之間采用交流耦合，MAX4006 DATASHEET：AC6539為10G高增益ROSA；MAX4006為高精度電流檢測器AC6539中，光電二管用來檢測光纖上傳來的光信號并把它轉(zhuǎn)換成電信號。緊跟其后的跨阻放大器(TIA)首先進行電流到電壓的轉(zhuǎn)換，形成的單端電壓經(jīng)TIA放大后一般還需轉(zhuǎn)換成差分信號。MAX4006為光電二極管提供灌電流；通過電流鏡出來的電流為光電管電流的1/10，MAX4006內(nèi)部有一個10K電阻，電流通過10K精密電阻轉(zhuǎn)換為輸出電壓，輸出電壓即為光接

24、收功率；其輸出電壓與光電管電流的關系為1V/Ma。3. MCU注：下圖中檢測管腳后擴號內(nèi)型號為其連向的ICAnalog Devices ADuC7021是基于ARM7TDMI的控制器集成了8通道12位的ADC（1MSPS）,2通道12位帶緩沖的DAC,電壓比較器,62KB可在系統(tǒng)中編程（ISP）的片內(nèi)閃速/電擦除存儲器和8KB RAM, 串行接口包括UART,SPI和2個I2C,用于下載/調(diào)試的JTAG端口,4 個定時器,14個通用 I/O引腳,片內(nèi)可編程邏輯陣列（PLA）。CPU時鐘高達45MHz,片內(nèi)晶體振蕩器和片內(nèi)PLL。1）A/D（模擬量檢測輸入）1. MON-5V2. TEMP2（T

25、OSA-10T3001） TOSA溫度3. TX-POWER（MBT3906DW1T1） 光發(fā)射功率4. MON-3V337. MMON（VSC7982） 調(diào)制電流38. RX-POWER（ROSA-AC6539） 收光功率39. BMON（VSC7982） 偏制電流40. TEMP1（VSC7982） VSC7982溫度2）D/A（控制模擬量輸出）6. VAPC（VSC7982） 自動功率控制7. V-BIAS（AD8029） 控制調(diào)治電壓3）使能控制及監(jiān)測11. MOD-DESEL（XFI） 輸出顯示調(diào)制沒準備好18. -INTERRUPT（XFI） 20. P-DOWN（） 21. MO

26、D-NR（） 22. RX-LOS（GN2003S） 收丟失23. LBEN（GN2004S/GN2003S） Loop Back 使能控制（0：無LBSDON/P信號；1：有）26. RX-LOCK（GN2003S） 收失鎖（0：PLL鎖定丟失；1：PLL鎖定）27. LCLRN（VSC7982） 錯誤清除和使能（連向VCC 錯誤 GNF立即清除）28. FLTN-DISN（VSC7982） 偏制和調(diào)制電流使能（GND使能 VCC關使能）29. TX-LOCK（GN2004S） 發(fā)失鎖（0：PLL鎖定丟失；1：PLL鎖定）30. FLTBYP（VSC7982） （GND關斷偏制和調(diào)制電流 V

27、CC不能使能）31. TX-DIS（VSC7982） 發(fā)射使能（懸空則輸出關斷）32. SCL（XFI） IIC時鐘輸入33. SDA（XFI） IIC數(shù)據(jù)輸入4. XFI接口Pin Logic Symbol Name/Description 1 GND Module Ground 2 VEE5 Optional -5.2V Power Supply 3 LVTTL-I Mod_DeSel Module De-select; When held low allows module to respond to 2-wire serial interface 4 LVTTL-O Interrupt

28、 Interrupt; Indicates presence of an important condition which can be read over the 2-wire serial interface 5 LVTTL-I TX_DIS Transmitter Disable; Turns off transmitter laser output 6 VCC5 +5V Power Supply 7 GND Module Ground 8 VCC3 +3.3V Power Supply 9 VCC3 +3.3V Power Supply 10 LVTTL-I/O SCL 2-Wire

29、 Serial Interface Clock 11 LVTTL-I/O SDA 2-Wire Serial Interface Data Line 12 LVTTL-O Mod_Abs Indicates Module is not present. Grounded in the Module 13 LVTTL-O Mod_NR Module Not Ready; Indicating Module Operational Fault 14 LVTTL-O RX_LOS Receiver Loss Of Signal Indicator 15 GND Module Ground 16 GND Module Ground 17 CML-O RD-Receiver Inverted Data Output 18 CML-O RD+ Receiver Non-Inverted Data Output 19 GND Module Ground 20 VCC2 +1.8V Power Supply 21 LVTTL-I P_Down/RST Power down; When high, requires the module