设计笔记： HFDN - 43.0 Rev. 1; 04/08 构建突发模式应用中的 TX 功率检测器 (采用 MAX3643 和 DS1863 或 DS1865) 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 构建突发模式应用中的 TX 功率检测器 1 引言 2 背景资料 在光模块应用中，常常要求具有检测光输出功率 的功能。检测器可为模块用户提供光发送器平均 功率的估算值，然后将其作为诊断依据，以确保 模块正常工作。发送功率检测器通常用于SFF和 SFP模块中，其校准的方法以及精度指标均在 SFF-8472等文档中给出。传统连续模式应用所使 用的检测方法简单通用，是基于对检测二极管电 流的简单测量基础上。检测突发模式的发送器功 率则较为困难。 在连续模式光发送器应用中，功率检测器的数值 是源于对安装于激光驱动器上的背向光敏二极管 的电流。该光敏二极管通常称为“检测二极 管”。光敏二极管的输出电流与发送器光输出功 率近似成正比关系。温度变化会使检测模块存在 跟踪误差，并随之影响到效率和灵敏度；但总的 来说，这仍然是测量激光器光输出功率的理想 的、低成本的解决方案。 无源光网络(PON)采用突发模式光发送器，能在 极短的时间周期内发送数据(具有光输出功率)。 这类发送器仅在很小一部分时间内工作(以突发 模式发送数据)，并且每次突发的时间长短均不 一样。这些原因使得构建低成本、突发式功率检 测器的难度较大。本篇应用笔记阐述了采用 MAX3643激光驱动器和DS1863 (或DS1865)控 制器，构建简单低成本的突发模式TX功率检测 器解决方案。同时给出了关于检测器电路工作状 态和性能的测试数据。 应用笔记 HFDN-43.0 (Rev. 1; 04/08) 检测二极管的带宽通常要比激光器的调制带宽小 的多，然而，检测器能跟踪数据引起的光输出功 率的变化(图1)。在连续模式应用中，常常要对检 测器电流进行低通滤波(模拟或数字)，得到与平 均光发送功率相对应的平均电流值(图1)。 在突发模式应用中，发送器仅在相对较短的时间 周期内导通。每次突发时间的长短也不相同。因 此，经过低通滤波的检测器二极管电流输出不能 很好地反映TX功率(图2)。在突发应用中，仍需 要对检测器二极管电流进行适当的滤波。滤波转 角频率通常根据估计的最小的突发长度决定，使 得检测器电流在突发周期结束之前便可达到其稳 定值。若要得到数据突发期间平均光发送功率的 精确值，那么在突发期间，应该在检测二极管电 流达到其终值后，对检测二极管电流进行采样 (图2)。 Maxim Integrated Page 2 of 6 Optical Power Monitor Diode Tracking Transmitter Modulated Output Monitor Diode Current Average TX Power Start of Data Optical Power Time Transmitter Modulated Output Filtered Monitor Diode Current Average TX Power Start of Data Time (expanded) 图 1. 检测二极管的跟踪特性 Monitor Diode Tracking (Burst Mode) Optical Power Transmitter Modulated Output Average TX Power Heavily Filtered Monitor Diode Current Optical Power Time Average TX Power Monitor Diode Current Time 图 2. 检测二极管的跟踪特性(突发模式) 应用笔记 HFDN-43.0 (Rev. 1; 04/08) Maxim Integrated Page 3 of 6 量平均TX功率。利用这些元件构成的检测器如 图4所示。 3 电路结构框图 MAX3643配合DS1863/65的典型电路结构框图如 图3所示。图中，DS1863通过光敏二极管检测每 次突发过程的功率，并根据需要调节偏置电流， 以提供恒定的光输出功率。DS1863/65还将检测 器电流与设置的报警和警告门限进行比较。这样 可允许用户设置突发模式发送器光功率的安全门 限值，并根据光敏二极管电流值产生标志或中 断。该电路将检测持续时间大于400ns的突发周 期，并将其相应判定为高电平或低电平。然而， DS1863不具有平均发送功率检测器。 MAX3643和 DS1863/65的检测二极管输入均为高 阻抗。在MAX3643的MD输入和激光器光敏二极 管之间连接一个电阻(R1，见图4)，有助于隔离 节点的电容。推荐阻值介于1kΩ和10kΩ之间。在 每次传送完突发数据后，采样的结果将输出到 MDOUT引脚(图 5)。 两次突发传送期间，MAX3643的MDOUT引脚电 压将返回至基准电压(约为1.2V)。随后通过开关 (MAX4706或MAX4729)采样MDOUT的电压。 MAX3643的BENOUT信号用于禁止开关采样， 断开1.2V的基准电压。开关输出端的电容(C1)用 于保持电压，该电压与检测二极管电流成正比。 然后用DS1863将模拟电压转换为内部校准的数 字量，该数字量是每次突发数据发送功率的平均 值。也可以在DS1863/65内部设置该电压的警告 和报警门限。 若要构建突发模式应用所需的平均功率检测器， 可采用如图4所示的电路结构。MAX3643具有采 样保持特性，用于采样与检测二极管电流串联的 电阻上的电压信号，该电压以地为参考，由检测 二极管的电流产生。当MAX3643与低成本微控 制器配合使用时，通常要求具有采样保持功能。 而DS1863能够直接检测节点电压，因此无需具 有该功能。MAX3643的采样保持功能可用于测 Configuration #1 (No Average TX Power Monitor) Laser Photodiode VCC MAX3643 MOD BIAS MDIN DS1863/65 BIAS & MOD Controls BENOUT MDOUT BIAS & MOD Controls BENIN MD Configuration Features (Relating to Power Monitoring): 1. Automatic Power Control Loop 2. Individual Burst TX Power Warning Levels (Low and High) 3. Individual Burst TX Power Alarm Levels (Low and High) 4. Individual Burst Safety Shutdown, Monitoring Features 图 3. 电路结构框图#1，无平均 TX 功率检测器 应用笔记 HFDN-43.0 (Rev. 1; 04/08) Maxim Integrated Page 4 of 6 Configuration #2 (With Average TX Power Monitor) Laser Photodiode VCC MAX3643 MOD BIAS DS1863/65 BIAS & MOD Controls MDIN BENOUT R1 BIAS & MOD Controls BENIN MD MDOUT MAX4706 or MAX4729 MON2 C1 Configuration Features (Relating to Power Monitoring): 1. Automatic Power Control Loop 2. Individual Burst TX Power Warning Levels (Low and High) 3. Individual Burst TX Power Alarm Levels (Low and High) 4. Individual burst Safety Shutdown, Monitoring Features 5. Average TX_Power Monitor (Including offset and scaling calibration options) 6. Average TX_power Warning Levels (Low and High) 7. Average TX_power Alarm Levels (Low and High) 8. Average Power Shutdown, Monitoring Features 图 4. 电路结构框图#2，带有平均 TX 功率检测器 Signal Diagram of Monitor Operation DATA Votlage at R1 BENOUT 1.2V MDOUT 0V Sampled Voltage Votlage at C1 0V Time 图 5. 检测二极管的跟踪特性(突发模式) 应用笔记 HFDN-43.0 (Rev. 1; 04/08) Maxim Integrated Page 5 of 6 4 测试数据 采用图 4 所示的电路结构框图#2 和 ExceLight 三 工复用器(型号 SXT5241-Q/GPI)，可获得以下测 试数据。 平均发送输出功率与检测器电压之间成线性关 系，如图 6 所示。 图 7 为输出电压与突发占空比的关系。需要注意 的是：当占空比较大(接近连续模式工作)时，检 测的精度将降低。当占空比为 100%时，检测器 将不工作或无变化。如图 7 所示，占空比低于 90%时，检测器输出非常稳定。假定多数突发式 应用的平均占空比远低于 50%，则检测器能提供 精确、稳定的平均发送功率测量。当使用 DS1863/65 检测该信号时，可构成与 SFF 8472 兼 容的、经过内部校准的检测器。 Monitor Voltage vs. Average TX Power Monitor Voltage (V) 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 Output Power (mW, per Burst) 4 图 6. 检测器电压与平均 TX 功率的关系 Monitor Voltage vs. Burst Duty Cycle 0.8 Monitor Voltage (V) 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Burst Duty Cycle (On time / Total Time) 图 7. 检测器电压与突发占空比的关系 应用笔记 HFDN-43.0 (Rev. 1; 04/08) Maxim Integrated Page 6 of 6