APD非線性響應(yīng)補(bǔ)償

激光模塊需對雪崩光電二極管(APD)的非線性響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。本應(yīng)用筆記以DS1875 SFP控制器為例，探討如何使用Maxim的光控制器完成非線性補(bǔ)償。

APD特性

光模塊采用基于雪崩光電二極管(APD)的光接收器支持高靈敏度設(shè)計(jì)。

從APD接收到的反饋呈非線性(平均接收功率)，這一非線性特性為優(yōu)化控制激光器模塊帶來一定困難，典型的APD非線性特性如圖1所示。


圖1. 典型的APD響應(yīng)顯示了非線性特性

為了保證精準(zhǔn)操作，需要對APD的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償后可以為SFP控制器模塊提供線性反饋，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。補(bǔ)償后的APD響應(yīng)如圖2所示。


圖2. 該平均曲線顯示了所期望的典型響應(yīng)，生產(chǎn)過程中對響應(yīng)中微小變化的補(bǔ)償是不可行的。

使用RSSI修正非線性

Maxim的光控制器，如DS1875，能夠補(bǔ)償APD的非線性。

DS1875的一個(gè)輸入通道(MON3)有兩個(gè)工作區(qū)(細(xì)調(diào)和粗調(diào))配置，每個(gè)區(qū)域都有其獨(dú)立的量程和偏置，用于校準(zhǔn)接收到的功率信號的非線性。校準(zhǔn)通過對APD二極管的非線性響應(yīng)進(jìn)行分段線性近似，擬合完成。

除了提供兩個(gè)獨(dú)立的工作區(qū)，DS1875也可在細(xì)調(diào)區(qū)域?qū)?a href="http://m.makelele.cn/tags/adc/" target="_blank">ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行右移操作。即使輸入信號不能完全覆蓋輸入范圍，通過右移操作也可提高轉(zhuǎn)換精度。

滯回的重要性

在給定的交叉點(diǎn)，DS1875根據(jù)輸入信號的幅度自動(dòng)地在兩個(gè)工作區(qū)之間切換。在交叉點(diǎn)提供滯回，當(dāng)從粗調(diào)切換到細(xì)調(diào)時(shí)，切換點(diǎn)會(huì)發(fā)生變動(dòng)。這能保證器件不會(huì)在兩個(gè)工作區(qū)間來回觸發(fā)，造成不穩(wěn)定。

交叉點(diǎn)會(huì)根據(jù)針對細(xì)調(diào)范圍的右移位設(shè)定的不同而改變，表1列出了不同的右移設(shè)置下交叉點(diǎn)的改變。需要注意的是，DEC欄到滯回(Hysteresis)欄對應(yīng)的變化值。

表1. 右移時(shí)的交叉點(diǎn)設(shè)置

校準(zhǔn)DS1875

DS1875輸入端MON3的兩個(gè)工作區(qū)必須進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣才能準(zhǔn)確擬合所要求的APD響應(yīng)。按照下面過程進(jìn)行校準(zhǔn)，可以得到兩個(gè)不同工作區(qū)的量程和偏置值。

1. 對細(xì)調(diào)和粗調(diào)工作區(qū)進(jìn)行配置，以保證每個(gè)工作區(qū)的實(shí)際響應(yīng)為線性。寫入工廠預(yù)設(shè)值，使響應(yīng)為線性特性，同時(shí)將精調(diào)范圍的右移位設(shè)為3。
   
   
2. 在MON3P接入兩個(gè)輸入(“a”dB和“b”dB)。使用內(nèi)部工廠校準(zhǔn)值，測量MON3轉(zhuǎn)換數(shù)值。兩個(gè)輸入已配置成粗調(diào)范圍使用“a”dB，細(xì)調(diào)范圍使用“b”dB。輸入可選擇任何兩個(gè)點(diǎn)，只要一個(gè)在細(xì)調(diào)區(qū)，另一個(gè)在粗調(diào)區(qū)。根據(jù)測試得到的誤差，測量需進(jìn)行再評估，直到得到最佳的分段線性擬合。
   
   
3. 步驟2得到的數(shù)值與期望用來補(bǔ)償APD非線性響應(yīng)的數(shù)值會(huì)有差別。所有細(xì)調(diào)和粗調(diào)區(qū)的量程和偏置也需要校準(zhǔn)，這樣才能準(zhǔn)確匹配期望值。
   
   
4. 將兩個(gè)被測值作為“x”，這兩個(gè)點(diǎn)的期望輸出作為“y”值。
   
   
5. 計(jì)算細(xì)調(diào)區(qū)ADC的量程和偏置。該計(jì)算使用兩個(gè)點(diǎn)，第一個(gè)點(diǎn)為第一次計(jì)算中(步驟2)的b dB輸入測量的x值和y值(x1, y1)；另一個(gè)點(diǎn)是(0, 0)點(diǎn)(x2, y2)。這個(gè)(0, 0)點(diǎn)是一個(gè)假設(shè)點(diǎn)，只需使用2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可得出量程和偏置。如果(0, 0)不適合所期望的響應(yīng)，那么用戶可以使用另一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
   
   計(jì)算由下式完成：

   y = m_fine × x + c_fine

   其中，m_fine代表量程，c_fine代表偏置。
   
   使用點(diǎn)(x2, y2)，得到：

   c_fine = 0

   使用點(diǎn)(x1, y1)，得到：

   m_fine = y1/x1

6. 為了得到所期望的響應(yīng)，需找到最接近的右移位。將期望的輸出(點(diǎn)b dB的y值)與表1的DEC值相比較。最接近上述期望輸出的DEC值將被用作x值。與之相應(yīng)的(y)值可以用上面的m_fine和c_fine推算，該點(diǎn)即為(x2, y2)。
   
   
7. 使用(x2, y2)交叉點(diǎn)的值和b dB點(diǎn)(x3, y3)數(shù)值，由下式計(jì)算粗調(diào)區(qū)ADC的量程和偏置：

   y = m_coarse × x + c_coarse

8. 將偏置(c_fine和c_coarse)裝載到DS1875相應(yīng)的寄存器。注意，如果這個(gè)偏置為負(fù)值，那么將其2進(jìn)制補(bǔ)碼寫入寄存器。
   
   
9. 現(xiàn)在要分別整理細(xì)調(diào)和粗調(diào)區(qū)的量程，讀出兩個(gè)輸入的期望值(a dB和b dB)。
   
   
10. 基于修正過的響應(yīng)(使用新的量程和偏置值)和期望的響應(yīng)，可生成一條誤差曲線(圖3所示)。誤差曲線根據(jù)兩個(gè)點(diǎn)(a和b)的位置變化而變化。第一段斜線代表細(xì)調(diào)區(qū)的誤差；第二段斜線代表粗調(diào)區(qū)的誤差。誤差大小可以根據(jù)客戶要求，通過改變這兩個(gè)點(diǎn)的位置進(jìn)行調(diào)整。

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結(jié)論

新的細(xì)調(diào)和粗調(diào)范圍可用來檢查器件是否近似擬合得到所期望的響應(yīng)，圖3為圖2響應(yīng)的擬合結(jié)果。


圖3. 這個(gè)誤差曲線分別顯示了使用新的量程和偏置進(jìn)行修正的響應(yīng)和所期望的響應(yīng)

所期望的響應(yīng)特性與計(jì)算得到的響應(yīng)特性的誤差如圖4所示。


圖4. 計(jì)算得到的響應(yīng)與所期望響應(yīng)的誤差