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光发射机中的寄生电感效应
接线图
2023年09月27日 22:09 219
admin
本应用笔记讨论了寄生电感的原因及其对 10Gbps 光发射机的影响。它还展示了一些关于如何控制不良影响的技术和相关计算。
驱动器调制输出晶体管需要最小指定电压才能正确切换。示例要求是调制输出端的电压至少为 1.55V。在低于最小值的情况下工作将导致晶体管开关效果不佳，从而导致光输出抖动增加和其他失真。寄生电感在降低开关期间的电压余量方面发挥着重要作用。
上升/下降时间
如果我们忽略寄生电容的影响并假设大大简化的单一时间常数 (STC) 模型，则可以使用 L/R 时间常数计算上升和下降时间。对于 20%-80% 的上升时间，我们可以使用关系 2πτ ≈ trise/0.22（其中 τ = L/R 表示时间常数）来计算 L 的值。如果我们让 R = 20Ω，则 L ≈ 14.5 ×特里丝。使用此关系与 25ps 的典型 10Gbps 上升时间可得出 L ≈ 0.36nH。虽然这个结果远非准确（它基于一个大大简化的模型），但它很好地了解了可以容忍的电感的近似水平，而不会显着影响上升/下降时间
过冲和振铃
如果我们在图 1 中的模型中加入寄生电容，我们就可以使用基本控制理论来预测由过阻尼或欠阻尼 LRC 电路导致的过冲和振铃。
假设实际电阻保持恒定，增加电感将导致系统欠阻尼越来越大，并增加超调和振铃。另一方面，如果增加阻力以匹配临界阻力标准，则净空将受到负面影响。这意味着，为了满足余量要求并保持电路临界阻尼，必须最小化寄生电感。
使用详细模型（比图 1 所示的模型更复杂）的计算机仿真说明了不同寄生电感值对上升时间、下降时间、过冲、下冲和确定性抖动的影响。图 2 是三个不同 LOUT 值的仿真结果示例之一。下表总结了在保持 LANODE 恒定的情况下使用不同 LOUT 值进行模拟的数值结果。作为参考，0.5mm 长度的键合线代表大约 0.4nH 的寄生电感，而 1mm 长度则增加大约 0.8nH。
仿真结果表明，准确理解和严格控制 10Gbps 发射机系统每个部分的电寄生环境对于模块设计和开发的成功至关重要。
结论
寄生电感是不良影响，应尽可能避免，尤其是在光发射机上。本文档展示了这种寄生电感的可能来源，以及仔细的设计测量和参数如何有助于控制它。
成功的 10Gbps 光发射机设计需要仔细注意寄生电感的来源和影响。即使增加 0.1nH 的电感也会导致光输出的上升/下降时间、过冲/振铃和抖动显着降低（作为参考，0.5mm 键合线会增加约 0.4nH）。
图 1 是连接到激光二极管的激光驱动器输出级的简化框图。在实际系统中，由于键合线、芯片焊盘等原因，存在许多分布寄生电感。为了简单起见，在图 1 的模型中，分布电感被集中到两个位置；L(out) 位于驱动器的输出端（激光二极管的阴极），L(anode) 位于激光二极管的阳极。电感器引起的开关电流瞬态行为以多种方式影响激光二极管的光输出。
电压余量驱动器调制输出晶体管需要最小指定电压才能正确切换。示例要求是调制输出端的电压至少为 1.55V。在低于最小值的情况下工作将导致晶体管开关效果不佳，从而导致光输出抖动增加和其他失真。寄生电感在降低开关期间的电压余量方面发挥着重要作用。
上升/下降时间
如果我们忽略寄生电容的影响并假设大大简化的单一时间常数 (STC) 模型，则可以使用 L/R 时间常数计算上升和下降时间。对于 20%-80% 的上升时间，我们可以使用关系 2πτ ≈ trise/0.22（其中 τ = L/R 表示时间常数）来计算 L 的值。如果我们让 R = 20Ω，则 L ≈ 14.5 ×特里丝。使用此关系与 25ps 的典型 10Gbps 上升时间可得出 L ≈ 0.36nH。虽然这个结果远非准确（它基于一个大大简化的模型），但它很好地了解了可以容忍的电感的近似水平，而不会显着影响上升/下降时间
过冲和振铃
如果我们在图 1 中的模型中加入寄生电容，我们就可以使用基本控制理论来预测由过阻尼或欠阻尼 LRC 电路导致的过冲和振铃。
假设实际电阻保持恒定，增加电感将导致系统欠阻尼越来越大，并增加超调和振铃。另一方面，如果增加阻力以匹配临界阻力标准，则净空将受到负面影响。这意味着，为了满足余量要求并保持电路临界阻尼，必须最小化寄生电感。
使用详细模型（比图 1 所示的模型更复杂）的计算机仿真说明了不同寄生电感值对上升时间、下降时间、过冲、下冲和确定性抖动的影响。图 2 是三个不同 LOUT 值的仿真结果示例之一。下表总结了在保持 LANODE 恒定的情况下使用不同 LOUT 值进行模拟的数值结果。作为参考，0.5mm 长度的键合线代表大约 0.4nH 的寄生电感，而 1mm 长度则增加大约 0.8nH。
仿真结果表明，准确理解和严格控制 10Gbps 发射机系统每个部分的电寄生环境对于模块设计和开发的成功至关重要。
结论
寄生电感是不良影响，应尽可能避免，尤其是在光发射机上。本文档展示了这种寄生电感的可能来源，以及仔细的设计测量和参数如何有助于控制它。
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