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2014/6/26 15:40

光迅科技CXP数据通信模块电路设计的技术探讨

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高性能驱动芯片以及ARM单片机配合使用,使得CXP模块电路部分得到很大的简化,模块电路原理概要图如下图所示。

CXP模块概要图

图 CXP模块概要图

事实上,将驱动电路集成到芯片中来驱动TOSA或者ROSA的方案早已在光模块的设计方案中普遍应用,很多芯片已经可以完成同时驱动TOSA以及ROSA,并且可以完成自动功率控制(APC)以及电压、温度等监控数据上报等多项附加功能,但是能提供同时驱动12路信号并且每路信号速率可以达到10Gbps的驱动芯片的供应商在全球只有为数不多的几家。不能简单地将12路驱动芯片视为12个一路的驱动芯片叠加,相对于单通道芯片而言,阵列对芯片制造成品率以及芯片自身的可靠性方面的要求大大提高,而且如何克服在高速情况下各路信号之间的干扰也是保证芯片质量的关键性问题。

光迅科技CXP模块光发射部分采用的VCSEL激光器驱动阵列芯片有以下几个特点:

1.体积小,外形尺寸典型值为;

2.每通道的调制速率可以达到FDR,即14Gpbs;

3.可以提供每通道5mA的偏置电流以及5mA的调制电流以保证单通道最低功耗可以达到46mW,这使得整个模块工作时的总功耗低于2W成为可能;

4.最大的偏置电流以及调制电流能够达到10mA,以保证更高要求的应用

5.工作温度在到;

6.兼容InfiniBand QDR以及100G BASE-SR10。

这些特点使得该芯片完全可以满足CXP MSA中规定的尺寸、工作速率、功耗、工作温度以及应用场合等要求,值得注意的是,由于制造工艺上仍然达不到封装要求,该芯片目前暂无外形封装,属于“裸芯片”,研究人员可以通过显微镜看到芯片内部电路情况,这就要求在模块制造过程中利用金丝键合的工艺完成芯片与电路以及VCSEL的电器连接。

该芯片主要功能可以涉及信号驱动以及芯片管理两部分的内容。信号驱动部分包括了输入级以及驱动级两个部分,输入级又包括了差分放大器、信号探测电路、脉冲宽度调整级以及极性反转等几个部分;驱动级包扩了电流驱动器、预加重电路以及驱动均衡电路等几个部分。芯片管理部分包括了VCSEL电压监控、诊断功能、中断产生、I2C管理接口等几个部分。

光迅科技CXP模块光接收部分采用的PIN探测器放大阵列芯片,有以下几个特点:

1.体积小,外形尺寸典型值为;

2.每通道的电光转换速率可以达到FDR,也就是14Gpbs;

3.在接收速率在10.3Gbps的情况下,当PIN接收光功率在它的灵敏度时,其产生的光生电流峰峰值为,该芯片可以保证误码率在以下;

4.每通道功耗可以低至,这使得整个模块工作时的总功耗低于成为可能;

5.输出幅值以及预加重幅度可调节;

6.工作温度在到;

7.兼容InfiniBand QDR以及100G BASE-SR10,可以用于各种形式的12通道光模块;

8.可以兼容多厂家的共阴极或非共阴极光探测器阵列。

这些特点使得该芯片完全可以满足CXP MSA中规定的尺寸、工作速率、功耗、工作温度以及应用场合等要求,与发射端一样,属于“裸芯片”,要求用金丝键合工艺完成与PIN以及PCB的连接。

该芯片电路主要由信号放大以及芯片监控两部分组成,相比于驱动而言,其电路结构相对简单。结合图4.8,在信号放大部分,VPDX管脚连接光电探测器的阴极,向PIN提供反向偏压;PIN将接受到的光信号转化为微弱的电流信号从PXP管脚输出到芯片内部,微小的电流信号先经过跨阻放大器(TIA)再经过自动增益控制放大器进一步放大并转化为差分信号输出,最后由差分输出级输出。在芯片监控部分,主要有接收信号强度指示以及温度输出、自动增益控制电路、中断产生逻辑、预加重电路以及信号探测等主要电路。

光迅科技CXP模块的MCU电路MSA软件管理接口规范规定其I2C通信速率达到340Kbps,这就对微控制单元(MCU)芯片的通信速率提出了要求,这里监控电路采用ARM单片机,该芯片上集成了片上存储器、数据转换器和众多模拟外设,可提供业界最高水平的可编程性能和最小的封装尺寸。该MCU可以在基于固定或者可调谐频率激光的光收发器和模块应用中实现数字诊断功能,并能确保精确控制光驱动器和诊断过程。这使得该芯片可用于 SFP、SFP+、XFP 和 GPON 等光模块中的固定频率光收发器。其内部集成了8KB的SRAM、62KB的Flash/EEPROM存储器、20个通用I/O(输入/输出)引脚、3个通用定时器和16个可编程逻辑单元;其模拟外设包括1个12通道、12位的1 MSPS ADC、1个16位的6通道 PWM 和4个带缓冲器的12位DAC。所有这些功能都封装在一个5mm x 5mm 32引脚LFCSP封装内。该MCU芯片有两种封装形式,32管脚的LFCSP以及40管脚的LFCSP。由于模块要求的监控功能要求比较简单以及成本原因,32管脚封装形式的芯片可以足够满足要求,并有能提供多余的I/O管脚在未来实现功能拓展,这里选用32管脚封装形式。

单片机参与模块管理,实质是将4.1节中提及的驱动芯片监控管脚(如SDA、SCL、RSSI、IMON、VTHERM等)产生的控制信号通过单片机I/O口输入到单片机中处理,得到的相应数据通过主I2C线出递给主机;主机通过主I2C线将控制信息传递给MCU,后者经运算,得到相应的控制信息,通过I/O管脚输出,控制驱动芯片。

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