光纖模塊電路在高速電纜互連和背板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)、電信甚至工業(yè)系統(tǒng)中傳輸高速信號(hào)的最佳方法是采用光纖模塊和光纖電纜。設(shè)計(jì)工程師們正在開(kāi)發(fā)能高速傳輸數(shù)據(jù)的銅線互連電纜和背板解決方案。當(dāng)速度高達(dá)數(shù)Gbps以上，或者傳輸距離超過(guò)五米以上時(shí)，設(shè)計(jì)工程師必須解決光纖模塊工程師面臨的設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文將探討光纖模塊的電路設(shè)計(jì)，并討論如何將這種電路應(yīng)用到高速電纜互連和背板設(shè)計(jì)中。

圖1為典型的小尺寸可插拔(SFP)光纖模塊的內(nèi)部電路。在該模塊中，信號(hào)通過(guò)發(fā)送光學(xué)子裝置(TOSA)被發(fā)送出去。TOSA由激光二極管驅(qū)動(dòng)器芯片驅(qū)動(dòng)，這個(gè)驅(qū)動(dòng)器芯片須維持TOSA上的偏置電流，并迅速驅(qū)動(dòng)激光二極管以傳送代表數(shù)據(jù)的光脈沖。接收端為接收光學(xué)子裝置(ROSA)，它由一個(gè)接收PIN二極管和一個(gè)跨阻放大器(TIA)組成。TIA將光能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

當(dāng)光鏈路較長(zhǎng)或者激光的輸出功率較低時(shí)，ROSA上TIA輸出端將出現(xiàn)小信號(hào)擺動(dòng)，這時(shí)需要在TIA之后采用限幅后置放大器以對(duì)TIA信號(hào)進(jìn)行可預(yù)測(cè)的放大，而不用考慮輸入振幅。

圖1：(a) 典型SFP模塊的內(nèi)部電路；(b) 光學(xué)模塊電路的結(jié)構(gòu)框圖。

后置放大器的主要功能是以最低的噪聲放大小信號(hào)，并為輸出端提供標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平。后置放大器可以傳輸峰峰值電壓(以下提到的電壓均為峰峰值)低至5mV的差分信號(hào)，并將放大為標(biāo)準(zhǔn)的CML或LVPECL邏輯電平。光學(xué)模塊后面的高速串行芯片能可靠地對(duì)ROSA輸入信號(hào)的“放大”電平進(jìn)行解碼。

當(dāng)兩個(gè)或更多機(jī)架需要采用銅線電纜進(jìn)行連接時(shí)，信號(hào)振幅將發(fā)生衰減。衰減量取決于所用的銅線、信號(hào)速度和電纜長(zhǎng)度。比如，RG-174同軸電纜的衰減量為1.3dB/米@1.5GHz。因此，10米電纜將產(chǎn)生13dB的衰減量。如果通過(guò)10米的RG178電纜在1.5MHz頻率下發(fā)送400mV的差分信號(hào)，則輸出為90mV。

LVDS、CML和LVPECL器件很難對(duì)低于100mV的信號(hào)進(jìn)行解碼。以10米的RG-174電纜為例，遠(yuǎn)端的信號(hào)將很難進(jìn)行解碼(即使有可能的話)。當(dāng)通過(guò)電纜的信號(hào)頻率增加時(shí)，允許的電纜長(zhǎng)度隨之縮短。因此，隨著信號(hào)頻率增加，傳輸前的400m的差分信號(hào)將迅速下降到100mV以下。

限幅后置放大器將輸入信號(hào)可預(yù)知地重新放大至適當(dāng)?shù)腃ML或LVPECL電平，即使輸入電平只有5mV。采用后置放大器的缺點(diǎn)是要用到信號(hào)檢測(cè)(SD)或信號(hào)丟失(LOS)引腳。這種引腳會(huì)在信號(hào)丟失或者接收到有效信號(hào)時(shí)發(fā)出警告。可以調(diào)節(jié)該引腳來(lái)設(shè)置峰峰值電平，給出SD或者LOS指示，從而將診斷功能增加到高速系統(tǒng)中。圖2給出了后置放大器的結(jié)構(gòu)框圖和執(zhí)行功能。

圖2：限幅后置放大器的結(jié)構(gòu)框圖和功能。

采用限幅后置放大器對(duì)傳輸距離達(dá)1米的背板解決方案(包括多個(gè)連接器和擴(kuò)充卡)有好處。將后置放大器置于較遠(yuǎn)的目的位置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能有效地清除被發(fā)送數(shù)據(jù)或時(shí)鐘的故障眼圖。然而，有時(shí)候故障眼圖衰減很大，因此重現(xiàn)原始信號(hào)的唯一方法就是采用低噪聲后置放大器。隨著背板速度的不斷增加，這種方法已變得越來(lái)越重要。