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，信號通過發(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。
當(dāng)光鏈路較長或者激光的輸出功率較低時(shí)，ROSA上TIA輸出端將出現(xiàn)小信號擺動(dòng)，這時(shí)需要在TIA之后采用限幅后置放大器以對TIA信號進(jìn)行可預(yù)測的放大，而不用考慮輸入振幅。
后置放大器的主要功能是以最低的噪聲放大小信號，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，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ROSA輸入信號的“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)，信號振幅將發(fā)生衰減。衰減量取決于所用的銅線、信號速度和電纜長度。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10米的RG178電纜在1.5MHz頻率下發(fā)送400mV的差分信號，則輸出為90mV。
LVDS、CML和LVPECL器件很難對低于100mV的信號進(jìn)行解碼。以10米的RG-174電纜為例，遠(yuǎn)端的信號將很難進(jìn)行解碼(即使有可能的話)。當(dāng)通過電纜的信號頻率增加時(shí)，允許的電纜長度隨之縮短。因此，隨著信號頻率增加，傳輸前的400m的差分信號將迅速下降到100mV以下。
限幅后置放大器將輸入信號可預(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)是要用到信號檢測(SD)或信號丟失(LOS)引腳。這種引腳會(huì)在信號丟失或者接收到有效信號時(shí)發(fā)出警告。可以調(diào)節(jié)該引腳來設(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。
采用限幅后置放大器對傳輸距離達(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越重要。
當(dāng)信號速度達(dá)到4Gbps~6Gbps時(shí)，利用后置放大器來重現(xiàn)衰減的信號可能不足以解決信號完整性問題，因此市場上出現(xiàn)了新的帶預(yù)加重功能的器件，以驅(qū)動(dòng)更長距離的背板連線。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器向背板發(fā)送信號時(shí)，這些器件能在很短時(shí)間內(nèi)放大信號的上升沿以增大斜率。圖3顯示了帶預(yù)加重的驅(qū)動(dòng)器的工作原理。那些在上升沿上放大幅度可調(diào)以及放大持續(xù)時(shí)間可控的器件具有最大的靈活性。
用來應(yīng)對傳輸高速信號或者長距離傳輸信號的挑戰(zhàn)的另一個(gè)解決方案是在信號的目的位置增加均衡(EQ)。給接收器增加均衡功能并非新概念，在視頻和高速通信系統(tǒng)中采用主動(dòng)或被動(dòng)式均衡已有多年。采用均衡的好處在于可以減少反射并補(bǔ)償傳輸介質(zhì)的損耗，以獲得最好的輸入數(shù)據(jù)接收效果。
當(dāng)速度在4Gbps以上的背板同時(shí)采用預(yù)加重和均衡時(shí)效果非常顯著。圖4為6.4Gbps 223-1 PRBS模式的數(shù)據(jù)在1米的FR4電纜傳輸中傳輸時(shí)的眼圖。這些眼圖在1米差分電纜末端的兩個(gè)連接器上獲得，一個(gè)位于信號起始處，另一個(gè)位于信號末端。
在1米處未進(jìn)行預(yù)加重或均衡的信號可能會(huì)由于散射、反射和阻抗失配而存在很大噪聲。增加預(yù)加重后，信號開始出現(xiàn)眼圖的某些特征，但信號質(zhì)量還不夠好。一旦對接收器進(jìn)行了均衡，6.4Gbps信號的眼圖就張得非常開了。這些試驗(yàn)顯示，接收器均衡是設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)利用FR4電纜長距離傳輸?shù)母咚傩盘柕淖罴呀鉀Q方案。此外，當(dāng)同時(shí)采用預(yù)加重和均衡時(shí)，將獲得誤碼率最低的最佳信號。
另外一個(gè)測試在5米的Amphenol SkewClear電纜上進(jìn)行。圖5說明了均衡是如何幫助重建可用的眼圖。223-1 PRSB模式的數(shù)據(jù)沿著電纜傳輸，并在遠(yuǎn)端被監(jiān)視。當(dāng)加入均衡時(shí)，信號得以重建。
在這些試驗(yàn)中用來提供預(yù)加重和均衡功能的器件是Micrel公司的SY58626和SY58627。如今，設(shè)計(jì)工程師可以采用這些IC來延長高速串聯(lián)連接的距離。帶預(yù)加重功能的驅(qū)動(dòng)器和具備均衡功能的接收器的不斷進(jìn)步，有助于創(chuàng)建下一代高速互連解決方案。此外，設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在就可以直接將光纖收發(fā)器應(yīng)用在電纜和背板上。后置放大器為可用的數(shù)據(jù)重新生成極小的信號能力非常有用，這應(yīng)該在設(shè)計(jì)工程師為下一代網(wǎng)絡(luò)、電信甚至工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備時(shí)予以重視。