用MAX3861 AGC放大器构成SFP限幅放大器

作者：Maxim光纤部,Milt,Monnier时间：2003-07-15来源：电子设计应用收藏

摘要：本文讨论了将MAX3861配置为限幅放大器的方法，为SFF/SFP光收发模块设计提供了一种参考方案。

关键词： 光收发模块；SFF；SFP；MAX3861；限幅放大器

引言
随着光收发模块尺寸的减小，对带有接收信号强度指示(RSSI)、结构紧凑的限幅放大器的需求也迅速增长。限幅放大器可提供低抖动数据输出，而RSSI则可反映出互阻放大器(TIA)增益的变化和激光管的变化，监视光输入功率。这两种性能都是可热插拔的小型化结构(SFP)多源协议及其它应用所必需的。
采用4mm x 4mm QFN微型封装、内置RSSI的MAX3861适合作SFP模块的后置放大。它与限幅放大器不同、是一款具有自动增益控制(AGC)功能的后置放大器。在SFP模块中，AGC放大器并不象限幅放大器那样具有吸引力。本文讨论通过修正MAX3861后置放大器，使其成为一个具有RSSI的限幅放大器。

MAX3861和AGC放大器的应用
通常，AGC放大器在保持固定输出幅度的前提下，通过反馈环路放大或衰减输入信号。功率检测器用来监视放大器输出、调节可变增益放大器的增益，保持固定的输出电压。通过连续反馈方式保证信号不被限幅，输出电压与输入电压保持线性关系。
线性放大对于引入了光放大器的长距离DWDM系统很实用，这些光放大器，特别是掺铒光纤放大器(EDFA)会在高电平数据上引入更多的噪声。AGC对于这种应用非常有用，而限幅放大器则不然。这一点可以从下面的范例中找到答案：通过光二极管-互阻放大器-限幅放大器检测光信号时，限幅放大器通过限制信号的高、低电平确定数据是“1”还是“0”。如果信号为“1”、而且信噪比相当低，受噪声的影响，信号有可能跌落到高电平的判决门限以下，使限幅放大器输出为“0”。如果利用AGC和工作在线性区域的TIA保持一条从光二极管到后置放大器的线性信号通路，可由下一级电路(通常是时钟和数据恢复单元)做出高、低电平的判决。带有纵向门限调节的时钟与数据恢复(CDR)电路可以将电平判决门限调节到噪声电平以下，以获得最低误码率(BER)。
线性放大器并非对所有系统都是最优的。在没有光放大器的光纤系统中，假设作用到“1”和“0”电平的噪声相同，选用限幅放大器比较合适，因为它可以提供快速的输出瞬态响应，有利于减小输出抖动。另一方面，由于AGC是线性的，其输出瞬态响应时间取决于输入瞬态响应。在一个2.7Gbps模块内，后置放大器的输入瞬态响应时间一般在130ps~140ps(20%~80%)范围内，具体与接收器带宽、FR4带状线的限制以及其它因素有关。这时，AGC放大器的输出瞬态响应大约为：140ps~150ps。较低的边沿速度将会导致抖动增大、提高系统的误码率。

开环增益控制
为了使MAX3861限制输入信号的幅度，需要打开AGC环路、增益设置为最大。图1是MAX3861的AGC环路增益随VCG的变化关系曲线。当CG+和CG-之间的差分电压VCG约为80mV时，放大器达到其最大增益：43.5dB，此时，如果输入为6mVp-p，输出为920mVp-p。
增益设置方式
从图1所示MAX3861的增益曲线可以看出：当VCG高于80mV时增益达到饱和，所以，只要(VCG+-VCG-)大于80mV，MAX3861即提供其最大增益。最简单的设置最大增益的方法是将CG+引脚接Vcc、CG-引脚接地，但这种方式并不切实可行，因为VCG电压很接近其临界值：(Vcc-3.5V)至(Vcc+0.5V)，为保证可靠性必须寻求其它解决方案。
CG+引脚利用适当的自偏置电路设置在Vcc-1V，用一个外部电阻RCG将CG-引脚接地可建立一个内部分压电路，只要CG-引脚的电压拉得足够低(至少比CG+引脚的电位低80mV)，放大器将处于限幅状态。从图2所示曲线可知：RCG阻值越大、CG-引脚的电位越接近其内部自偏置的状态，放大器就越接近于AGC模式，输入信号的边沿速度直接影响着输出信号的边沿速度。如果在芯片的整个供电电压范围内(3.0V~3.6V)保持138ps以内的输入上升时间(20%~80%)，RCG可选择800kW左右的电阻，阻值也可以低至100kW，最好不要选用100 kW以下的电阻。图3为具体的检测电路。当VCG在限定的范围内、输入信号幅度高于灵敏度的要求，MAX3861的压摆率保持固定值，这意味着对于较大的输出幅度将对应较长的传输时间。图2中的曲线是在Vsc=0伏下测试得到的。
元件数量
限幅模式下MAX3861所需要的元件数量与AGC模式下的元件数相同。AGC模式下需要在CG-和CG+引脚直接连接一个电容CCG，该电容构成AGC的闭环控制回路。限幅模式下，用RCG_连接在CG-与地之间，替代了CCG，MAX3861的外部元件数不变。

开环增益控制环路的影响
从图4、图5可以看出，输出数据的边沿速率越高、在输入端产生的反射就越强，MAX3861工作在限幅模式时需要考虑一些额外因素。
输出抖动
当MAX3861置于限幅模式时能够减小抖动，从AGC模式转换到限幅模式确定性抖动(DJ)基本保持不变，图6表示VIN=6mVp-p和VIN = 20mVp-p时DJ随CG-外接电阻的变化关系。VIN=6mVp-p时，AGC模式下DJ为29ps p-p，与限幅模式下(RCG->700kW)的DJ基本相同；VIN= 20mVp-p时，AGC模式下DJ为21.1ps p-p，与限幅模式下的DJ相同。
限幅模式和AGC模式下的最大差异在于随机抖动(RJ)输出，对于低速的输入边沿，线性放大器产生较大的随机抖动，而限幅放大器的输出边沿非常陡、使随机抖动大大减小。图7所示曲线表明：RJ随着RCG-的增大而增大，因为当RCG-增大时，放大器更接近于AGC模式。限幅模式下随机抖动明显降低，从而使总输出抖动大大减小。
输出幅度
由于增益被设定在最大值，内部放大器处于过驱动，输出幅度增大约25%，输出幅度范围是：500~ 1150mVp-p，而不是400~920mVp-p。
灵敏度
与AGC模式相同，SC引脚能够控制输出幅度。所不同的是：由于始终保持最大增益，灵敏度在输出幅度较低的情况下得到改善。对于920mVp-p的输出，灵敏度仍为6mVp-p，随着输出幅度的降低，灵敏度相应得到改善。实际应用中很难将灵敏度做到4mVp-p以下，因为此时的信号已接近噪声基底。
不受限幅模式影响的因素
信号检测、RSSI以及输出信号监视器不受限幅模式或AGC模式的影响。实验数据表明：室温下(25℃)，VRSSI在AGC模式和限幅模式下的相差的最大值为10mV。通常，MAX3861在限幅模式下的性能指标不会低于AGC模式下的性能指标。

结语
MAX3861自动增益控制放大器可以很容易地配置成限幅放大器，而且不会降低系统的性能指标，也没有增多外部元件的数量。只需简单的电路修改，MAX3861即可提供一种理想的SFP应用方案。