Application Note: HFAN-2.5.0 Rev. 5; 10/08 シングルエンド方式と差動方式によるレーザダイオードの駆動 Functional Diagrams Pin Configurations appear at end of data sheet. Functional Diagrams continued at end of data sheet. UCSP is a trademark of Maxim Integrated Products, Inc. LE AVAILAB シングルエンド方式と差動方式によるレーザダイオードの駆動 1 はじめに 最適化された光トランスミッタを設計するには、ドライバを レーザダイオードに接続するための適切なインタフェース 回路が必須となります。一般的に、レーザダイオードの シングルエンド駆動は、部品と基板のスペースが少なく てすむため、簡単で利用しやすいソリューションです。 欠点としては、出力エッジ速度が比較的遅く、トランシーバ の電源にノイズが加わるため、結果的にレシーバの 感度に影響するということがあります。近年の業界実績 によれば、差動駆動ベースの光トランスミッタによって、 シングルエンド駆動に伴う問題点を克服することができる ことがわかっています。このアプリケーションノートは、 差動駆動がどのようにしてシングルエンド駆動よりも 速いエッジ速度を実現するかについて明らかにすること を目的としています。 2 シングルエンド駆動と差動駆動の 回路構成 VCC Laser Driver CP2 OUTCP1 RD OUT+ BIAS RF CF 図1. シングルエンド方式によるレーザダイオードの駆動 VCC Laser Driver CP2 OUT- シングルエンド駆動では、レーザ変調電流がレーザ アノード(コモンカソードレーザ)またはレーザカソード (コモンアノードレーザ)に流れます。図 1 は、コモン アノードレーザを駆動する場合の簡略回路図です。変調 電流がダンピング抵抗(RD)を通ってレーザのカソードに 供給されます。レーザのアノードは電源にじかに接続され、 レーザバイアスはフェライトビーズで絶縁されたドライバ バイアス出力から与えられます。DC および AC 負荷を 平衡化するために、ドライバの相補出力は、フェライト ビーズと抵抗(レーザ負荷とダンピング抵抗の相当値に 一致)からなる並列ネットワークによって VCC にプルアップ されます。RC シャントネットワーク(R F と C F )によって 高周波を減衰させています。ドライバ出力における容量 CP (CP1 と CP2)は、出力トランジスタの等価容量、パッケージ、 および基板レイアウトの寄生容量を結合した容量を表し ています。 Application Note HFAN-02.5.0 (Rev. 5; 10/08) CP1 OUT+ RD BIAS 図2. 差動方式によるレーザダイオード駆動 図 2 は差動駆動の例を示しています。レーザのカソードは ダンピング抵抗(RD)を経由し、ドライバ出力に AC 結合 されています。ドライバ出力は、フェライトビーズを通って VCC にプルアップされ、出力トランジスタに DC バイアス を与えます。ドライバの相補出力とレーザダイオードの アノードの共有ノードは、フェライトビーズを経由して VCC に接続されており、VCC からの高周波を絶縁しています。 レーザバイアスは、シングルエンド駆動の構成と同様の 方法で与えられています。同じレーザダイオードとドライバ を使用した場合、2.5Gbps の差動駆動方式の光トランス ミッタの方が、シングルエンド駆動よりもエッジ速度が 20ps 速くなることを示しています[1]。 Maxim Integrated Page 2 of 5 3 シングルエンド駆動の充電と放電 VCC 図 1 のシングルエンド駆動の回路を再構成したものを 図 3 に示しています。簡単にするため、以下の説明では、 RF と CF 補償ネットワークについては省略します。レーザ のターンオン期間に、出力トランジスタ T1 がシンク電流 を供給し、ダンピング抵抗 RD を介してレーザを変調し、 また寄生コンデンサ CP1 を充電します。CP1 の充電が 完了した後に、ようやく全変調電流がレーザの方に切り 替えられます。このコンデンサを充電する過渡電流が 主に立上りエッジの速度を妨げる原因です。 CP2 CP1 A レーザがオフにされると、T1 はシンク電流を停止し、 レーザダイオードとダンピング抵抗で構成される一連の ネットワークを介して寄生コンデンサ CP1 が放電されます。 この過渡電流によってレーザオフの遷移が遅くなり、 その結果、光出力の立下りが遅くなります。充電と放電 のループ時定数 τSE は、以下の式で概算されます。 RD T2 T1 Modulation Bias τ SE ≈ ( R D + RL ) ⋅ C P ここで、RL はレーザの等価抵抗です。レーザの直列イン ダクタンスの寄与については、この解析には含まれて いません。 直列抵抗 RD は、レーザとアセンブリのインダクタンスに よって生じるオーバシュートやリンギングを減衰させる ために必要です。このため、ドライバ出力ノードにおける 等価容量を減少させることが、高速な光エッジ速度を 達成するための重要なポイントとなります。図 4 はステップ 応答のシミュレーション結果を表しています。レーザダイ オードは、1pF コンデンサと並列な 5Ω 抵抗としてモデル 化しています。ダンピング抵抗 RD は 10Ω が選択されて います。このテストに使用されているトランジスタ(T1 と T2) のエッジ速度(20%～80%)は約 25ps です。シミュレート したレーザダイオード出力のエッジ速度を表 1 に示します。 立下りエッジが立上りエッジよりも遅くなっています。 表 1. シングルエンド駆動のエッジ速度(単位：ps)と出力 容量 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 Application Note HFAN-02.5.0 (Rev. 5; 10/08) VCC CP2 CP1 A RD T2 T1 Modulation Bias 図3. シングルエンド駆動回路の充電ループ(上図)と 放電ループ(下図) (点線は、コンデンサが充電/放電する 場合の過渡電流を表します) Maxim Integrated Page 3 of 5 0.055 0.053 0.050 0.048 0.045 0.043 0.040 0.038 0.035 0.033 0.030 0.028 0.025 0.023 0.020 1pF 2pF 3pF 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Time (ps) 図4. シングルエンド駆動のステップ応答シミュレーション もう 1 つの欠点は、シングルエンド駆動では、VCC プレーン に大量の過渡電流が流れてしまうということです。レシ ーバが電源からのノイズを拾い、光レシーバの感度に 影響を与えてしまうことにならないよう、トランシーバの レイアウトと電源デカップリングを綿密に設計する必要 があります。 4 差動駆動の充電と放電 図 5 は、レーザダイオードを差動で駆動した場合の電流の 流れを示しています。レーザがオンになると、出力トラン ジスタ T1 がシンク電流を供給して、T1 のコレクタでの 寄生容量 CP1 を充電し、ダンピング抵抗 RD と AC 結合 コンデンサを介してレーザを変調します。フェライトビーズ が電流の流れを一定にするため、iCP1 = iCP2 となります。 レーザオフの期間にドライバの電流が相補側に切り替え られると、充電と放電のプロセスが同じループで逆に なります。 差動駆動でシングルエンド駆動と同じレーザ変調電流を 達成するには、レーザダイオードとダンピング抵抗に対 する電圧スイングの振幅を同じ値に保つことが必要です。 つまり、シングルエンド駆動のノード A (ΔVA)における 電圧スイングが差動駆動での(VA - VB)に等しくなると いうことです。したがって、差動駆動の寄生容量 CP1 と CP2 に対する電圧スイングは、シングルエンド駆動の電圧 スイングのわずか半分になります。全体的な効果として、 差動駆動では信号の伝達が速くなります。レーザオンと レーザオフの時定数 τDF は、以下の式で概算されます。 τ DF ≈ (R D + R L ) ⋅ CP2 1 = ( RD + RL ) ⋅ C P 1 + C P 2 / C P1 2 図5. 差動駆動回路の充電ループ(上図)と放電ループ ( 下図 ) ( 点線は、コンデンサが充電 / 放電する場合の 過渡電流を表しています。フェライトビーズを流れる電流 は一定とみなされます) 差動駆動の時定数 τDF はシングルエンド駆動の時定数 τSE のおよそ半分であり、トランスミッタのエッジ速度が Application Note HFAN-02.5.0 (Rev. 5; 10/08) Maxim Integrated Page 4 of 5 速くなるということです。図 6 と表 2 はステップ応答の シミュレーション結果を表しています。2pF の出力容量 の場合、20%～80%と 10%～90%での立下りエッジ 速度は、それぞれ 20ps と 43ps 向上しています。 表 2. 差動駆動のエッジ速度(単位：ps)と出力容量 CP (CP1 & CP2) 1pF 2pF 3pF tr/tf (20%-80%) 34/34 39/39 45/45 tr/tf (10%-90%) 51/50 58/57 71/69 0.0425 0.04 0.0375 0.035 0.0325 0.03 0.0275 0.025 1p 2p 3p 0.0225 0.02 0.0175 0.015 0.0125 5 結論 このアプリケーションノートは、差動レーザ駆動構成を 用いることによって、光トランスミッタのエッジ速度が 改善されることを示しています。差動駆動の主な利点の 1 つは、出力ノードでより多くの容量を許容することが できるということです。ただし、これは出力容量を無視 してもよいという意味ではありません。優れた高周波の 基板レイアウト技術や、出力容量の他の低減手法は 依然として重要です。また、実際のアプリケーションでは (このアプリケーションノートでは取り上げていませんが)、 その他数多くの要素についても考慮しなければなりません。 たとえば、(a)回路に別の極をもたらすレーザの等価 容量、および(b)エッジ速度を遅延させ、立上りエッジと 立下りエッジの関係を非対称にするレーザの電気-光変換、 などがあります。これらの要因があるため、高速な動作 を実現するためには、比較的速いレーザダイオードと ともに、レーザパッケージのインダクタンスの最小化も 必要となります。 参考資料 0.01 0.0075 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Time (ps) 図6. 差動駆動のステップ応答シミュレーション [1] アプリケーションノート：「MAX3735A: MAX3735A Laser Driver Output Configurations, Part 3: Differential Drive」Maxim Integrated Products、2003 年 11 月 差動駆動方式は、その対称性から容量負荷に対して 優れた耐性を示します。出力容量によるエッジ速度の 低下がシングルエンド駆動よりも大幅に少なくなります。 また立上り 時間と 立下り 時間が 一致 しているため 、 トランスミッタの光アイダイアグラムを容易に最適化する ことができます。一方、レーザの充電と放電のループ には同じ外部回路が含まれるため、基板レイアウトでの ばらつきや不整合を幅広く許容することが可能で、VCC プレーンに余分なノイズが付加されることがありません。 欠点は、差動駆動方式はドライバとレーザダイオード 間の AC 結合をベースとしているため、アプリケーション によっては低周波カットオフの問題を生じる可能性が あるということです。 Application Note HFAN-02.5.0 (Rev. 5; 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