基于DS1875 SFP控制器的APD非线性响应补偿

liyf

激光模块需对雪崩光电二极管(APD)的非线性响应进行补偿。本应用笔记以DS1875 SFP控制器为例，探讨如何使用Maxim的光控制器完成非线性补偿。
APD特性
光模块采用基于雪崩光电二极管(APD)的光接收器支持高灵敏度设计。
从APD接收到的反馈呈非线性(平均接收功率)，这一非线性特性为优化控制激光器模块带来一定困难，典型的APD非线性特性如图1所示。



图1. 典型的APD响应显示了非线性特性
为了保证精准操作，需要对APD的非线性进行补偿。补偿后可以为SFP控制器模块提供线性反馈，提高系统稳定性。补偿后的APD响应如图2所示。



图2. 该平均曲线显示了所期望的典型响应，生产过程中对响应中微小变化的补偿是不可行的。

使用RSSI修正非线性
Maxim的光控制器，如DS1875，能够补偿APD的非线性。
DS1875的一个输入通道(MON3)有两个工作区(细调和粗调)配置，每个区域都有其独立的量程和偏置，用于校准接收到的功率信号的非线性。校准通过对APD二极管的非线性响应进行分段线性近似，拟合完成。
除了提供两个独立的工作区，DS1875也可在细调区域对ADC转换结果进行右移操作。即使输入信号不能完全覆盖输入范围，通过右移操作也可提高转换精度。

滞回的重要性
在给定的交叉点，DS1875根据输入信号的幅度自动地在两个工作区之间切换。在交叉点提供滞回，当从粗调切换到细调时，切换点会发生变动。这能保证器件不会在两个工作区间来回触发，造成不稳定。
交叉点会根据针对细调范围的右移位设定的不同而改变，表1列出了不同的右移设置下交叉点的改变。需要注意的是，DEC栏到滞回(Hysteresis)栏对应的变化值。
表1. 右移时的交叉点设置


Right Shift
            HEX
            DEC
            Hysteresis
        
        
            0
            FFF8
            65528
            61440
        
        
            1
            7FFC
            32764
            30720
        
        
            2
            3FFE
            16382
            15360
        
        
            3
            1FFF
            8191
            7680
        
        
            4
            FFF
            4095
            3840
        
        
            5
            7FF
            2047
            1920
        
        
            6
            3FF
            1023
            960
        
        
            7
            1FF
            511
            480
        
校准DS1875
DS1875输入端MON3的两个工作区必须进行校准，这样才能准确拟合所要求的APD响应。按照下面过程进行校准，可以得到两个不同工作区的量程和偏置值。

对细调和粗调工作区进行配置，以保证每个工作区的实际响应为线性。写入工厂预设值，使响应为线性特性，同时将精调范围的右移位设为3。

在MON3P接入两个输入(“a”dB和“b”dB)。使用内部工厂校准值，测量MON3转换数值。两个输入已配置成粗调范围使用“a”dB，细调范围使用“b”dB。输入可选择任何两个点，只要一个在细调区，另一个在粗调区。根据测试得到的误差，测量需进行再评估，直到得到最佳的分段线性拟合。

步骤2得到的数值与期望用来补偿APD非线性响应的数值会有差别。所有细调和粗调区的量程和偏置也需要校准，这样才能准确匹配期望值。
                          
                       
                          
                                将两个被测值作为“x”，这两个点的期望输出作为“y”值。

计算细调区ADC的量程和偏置。该计算使用两个点，第一个点为第一次计算中(步骤2)的b dB输入测量的x值和y值(x1, y1)；另一个点是(0, 0)点(x2, y2)。这个(0, 0)点是一个假设点，只需使用2个数据点即可得出量程和偏置。如果(0, 0)不适合所期望的响应，那么用户可以使用另一个数据点。
计算由下式完成：
y = m_fine × x + c_fine
其中，m_fine代表量程，c_fine代表偏置。
使用点(x2, y2)，得到：
c_fine = 0
使用点(x1, y1)，得到：
m_fine = y1/x1
为了得到所期望的响应，需找到最接近的右移位。将期望的输出(点b dB的y值)与表1的DEC值相比较。最接近上述期望输出的DEC值将被用作x值。与之相应的(y)值可以用上面的m_fine和c_fine推算，该点即为(x2, y2)。

使用(x2, y2)交叉点的值和b dB点(x3, y3)数值，由下式计算粗调区ADC的量程和偏置：
y = m_coarse × x + c_coarse
将偏置(c_fine和c_coarse)装载到DS1875相应的寄存器。注意，如果这个偏置为负值，那么将其2进制补码写入寄存器。

现在要分别整理细调和粗调区的量程，读出两个输入的期望值(a dB和b dB)。

基于修正过的响应(使用新的量程和偏置值)和期望的响应，可生成一条误差曲线(图3所示)。误差曲线根据两个点(a和b)的位置变化而变化。第一段斜线代表细调区的误差；第二段斜线代表粗调区的误差。误差大小可以根据客户要求，通过改变这两个点的位置进行调整。

结论
新的细调和粗调范围可用来检查器件是否近似拟合得到所期望的响应，图3为图2响应的拟合结果。




图3. 这个误差曲线分别显示了使用新的量程和偏置进行修正的响应和所期望的响应
所期望的响应特性与计算得到的响应特性的误差如图4所示。




图4. 计算得到的响应与所期望响应的误差