光發(fā)射機(jī)中的寄生電感效應(yīng)

出處：維庫電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于：2023-09-22 17:16:00 | 2546 次閱讀

本應(yīng)用筆記討論了寄生電感的原因及其對(duì) 10Gbps 光發(fā)射機(jī)的影響。它還展示了一些關(guān)于如何控制不良影響的技術(shù)和相關(guān)計(jì)算。

成功的 10Gbps 光發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)需要仔細(xì)注意寄生電感的來源和影響。即使增加 0.1nH 的電感也會(huì)導(dǎo)致光輸出的上升/下降時(shí)間、過沖/振鈴和抖動(dòng)顯著降低（作為參考，0.5mm 鍵合線會(huì)增加約 0.4nH）。

圖 1 是連接到激光二極管的激光驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)的簡(jiǎn)化框圖。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于鍵合線、芯片焊盤等原因，存在許多分布寄生電感。為了簡(jiǎn)單起見，在圖 1 的模型中，分布電感被集中到兩個(gè)位置；L(out) 位于驅(qū)動(dòng)器的輸出端（激光二極管的陰極），L(anode) 位于激光二極管的陽極。電感器引起的開關(guān)電流瞬態(tài)行為以多種方式影響激光二極管的光輸出。

電壓余量
驅(qū)動(dòng)器調(diào)制輸出晶體管需要最小指定電壓才能正確切換。示例要求是調(diào)制輸出端的電壓至少為 1.55V。在低于最小值的情況下工作將導(dǎo)致晶體管開關(guān)效果不佳，從而導(dǎo)致光輸出抖動(dòng)增加和其他失真。寄生電感在降低開關(guān)期間的電壓余量方面發(fā)揮著重要作用。
上升/下降時(shí)間
如果我們忽略寄生電容的影響并假設(shè)大大簡(jiǎn)化的單一時(shí)間常數(shù) (STC) 模型，則可以使用 L/R 時(shí)間常數(shù)計(jì)算上升和下降時(shí)間。對(duì)于 20%-80% 的上升時(shí)間，我們可以使用關(guān)系 2πτ ≈ trise/0.22（其中 τ = L/R 表示時(shí)間常數(shù)）來計(jì)算 L 的值。如果我們讓 R = 20Ω，則 L ≈ 14.5 ×特里絲。使用此關(guān)系與 25ps 的典型 10Gbps 上升時(shí)間可得出 L ≈ 0.36nH。雖然這個(gè)結(jié)果遠(yuǎn)非準(zhǔn)確（它基于一個(gè)大大簡(jiǎn)化的模型），但它很好地了解了可以容忍的電感的近似水平，而不會(huì)顯著影響上升/下降時(shí)間
過沖和振鈴
如果我們?cè)趫D 1 中的模型中加入寄生電容，我們就可以使用基本控制理論來預(yù)測(cè)由過阻尼或欠阻尼 LRC 電路導(dǎo)致的過沖和振鈴。
假設(shè)實(shí)際電阻保持恒定，增加電感將導(dǎo)致系統(tǒng)欠阻尼越來越大，并增加超調(diào)和振鈴。另一方面，如果增加阻力以匹配臨界阻力標(biāo)準(zhǔn)，則凈空將受到負(fù)面影響。這意味著，為了滿足余量要求并保持電路臨界阻尼，必須最小化寄生電感。
使用詳細(xì)模型（比圖 1 所示的模型更復(fù)雜）的計(jì)算機(jī)仿真說明了不同寄生電感值對(duì)上升時(shí)間、下降時(shí)間、過沖、下沖和確定性抖動(dòng)的影響。圖 2 是三個(gè)不同 LOUT 值的仿真結(jié)果示例之一。下表總結(jié)了在保持 LANODE 恒定的情況下使用不同 LOUT 值進(jìn)行模擬的數(shù)值結(jié)果。作為參考，0.5mm 長(zhǎng)度的鍵合線代表大約 0.4nH 的寄生電感，而 1mm 長(zhǎng)度則增加大約 0.8nH。
仿真結(jié)果表明，準(zhǔn)確理解和嚴(yán)格控制 10Gbps 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)每個(gè)部分的電寄生環(huán)境對(duì)于模塊設(shè)計(jì)和開發(fā)的成功至關(guān)重要。
結(jié)論
寄生電感是不良影響，應(yīng)盡可能避免，尤其是在光發(fā)射機(jī)上。本文檔展示了這種寄生電感的可能來源，以及仔細(xì)的設(shè)計(jì)測(cè)量和參數(shù)如何有助于控制它。

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