德州仪器光学模块10G SFP+整体解决方案

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作者：Roc Yu　德州仪器 (TI) MCU核心FAE小组
       
        摘要
        TI 10G光学模块SFP+整体解决方案是一套完整的解调演示工作光学收发器解决方案，主要应用于小型插头（SFP+）。
       
        这种解决方案缩短了客户设计时间，从而节省客户成本，并且没有牺牲性能。通过把TI的激光驱动器ONET1101、限幅放大器ONET8501和强大的MCU MSP430组合到一个SFP+多源协议标准包中，实现上述目标。另外，文章将为您展示令人信服的设计文档和测试结果。
       
        本应用说明为您介绍原理图、PC板布局、Gerber文件、材料清单（BOM）、固件以及图形化用户界面（GUI）；不仅仅为了实现模块化，同时也用于评估板。本解决方案还介绍了组装电路板的测试装置、测试数据和典型性能。
       
       
        1、引言
        增强型小型插头（SFP+）是一种紧凑型、可热插拔收发器，用于10G电信和数据通信应用。这是一种流行的工业格式，由许多系统组件厂商联合开发并提供良好支持。外形尺寸和电气接口均由一个多源协议（MSA）规定。
       
        由于拥有完整的激光驱动器、限幅放大器光学收发器应用产品线，并结合TI强大的MCU，因此TI能够为客户提供一整套SFP+设计解决方案。我们为这种10G SFP+选择ONET1101 11.3G激光驱动器、ONET8501、限幅放大器、MSP430、MCU。
       
        本应用说明涉及10km 10G DML基础SFP+设计详细内容和测试解决方案：包括模块端原理图、PCB布局、固件、BOM、调试技巧；另外还包括评估板原理图、PCB布局、GUI、BOM和测试结果。
       
        2、SFP+模块图

       

         
        SFP+包括一个收发器（激光驱动器ONET1101+DML NEC NX8341）、一个接收机（ROSA+限幅放大器ONET8501）和一个控制模块（MCU MSP430FR5738）。
       
        3、发送器
        发送器把电信号转换为光信号。
        激光驱动器ONET1101放大输入信号为调制信号，并向DML提供偏置DC电流。
       
        ONET1101L是一种高速、3.3V激光驱动器，用于以2到11.3Gbps数据速率直接调制激光器。
       
        3.1发送器原理图：
        ONET1101L拥有一个双线串行接口，帮助数字控制调制，并且具有偏流和交叉点，从而无需外部组件。ONET1101L也有一个集成自动功率控制（APC）环路，以及支持激光器安全和收发器管理系统的电路。
       
        利用数字控制接口功能，ONET1101L让设计人员将精力集中于高速路径和阻抗匹配，以获得最佳性能。
       
        下列原理图显示了典型DML的最佳阻抗结构。
         

       

       
       
        3.2 PCB布局
            分布式反馈（DFB）激光器是一种低电阻组件，其一般为7到10。
            灵活的PCB线缆常常为一个25单端线路
            灵活线缆与TOSA之间互联存在反射。
            精心布局和阻抗匹配的电路，对获得更高的性能至关重要。
       
        这种解决方案有一个演示工作布局，如下所示：

       

       
         
        3.3 计算方法
        ONET1101L激光二极管驱动器经过优化，以驱动50差动输出传输阻抗。
       
        低功耗设计时，它拥有一个500差动后端接。由于LR DFB TOSA仅有10阻抗（近似值），因此如果没有添加传输电路反射情况更糟糕。传输电路的作用是驱动负载阻抗从驱动器端靠近50。
       
        输出阻抗：MOD±输出的差动电阻为：
         
        典型RTOSA约为10，优化后的R1~R4为：
         
        则ZOUT为：
         
         

       

       
        3.4 测试结果
            TOSA：NEC NX8431
            VCC=3.12V
            ICC=150mA
            室温
            10.3G PRBS31
            眼图模板裕量裕量30%
         

       

       
       
        4 接收机
        接收机把光信号转换为电信号。
       
        限幅放大器ONET8501PB把转换后的电信号放大为接收机输出。
       
        ONET8501PB是一种高速、3.3V限幅放大器，用于2到11.3Gbps数据速率的多光纤和铜线缆应用。
       
        4.1  接收机原理图
        ONET8501PB拥有一个双线串行接口，允许数字控制带宽、输出振幅、输出预加强、输入阈值电压（限制电平）和信号置位电平损耗。
       
        也可以利用外部速率选择引脚，选择预定带宽和LOS声明电平设置。
       
        ONET8501PB也拥有约34dB的增益，确保输入信号的全差动输出摆动低至20mVp-p。
       
        输出振幅可调节至350mVpp、650mVpp或者850mVpp。
       
        为了对连接至器件输出的微波传输带或者带状线的频率相关损耗进行补偿，输出级拥有可编程预加强。
       
        另外，还有信号检测和输出关闭可设置损耗。
       
        利用ONET8501PB的数字控制与高增益特性，设计人员可以实现高灵敏性能。
         

       

       
        4.2  PCB布局
         

       

       
        4.3  BER曲线
        两个模块的测试结果：
         

       

         
         
        5 固件
        MSP430FR5738中运行的固件主要完成如下任务：
            监测ADC：温度、输入电压、TX偏置、TX功率、RX功率
            监测仿真值以确定其是否超出设置；设置告警和警告标记。
            计算补偿值和自动运行消光比例均衡。
            作为IIC主机，读出和控制激光驱动器，并限制放大器。
            作为IIC从机，通过IIC总线与上级控制中心通信，发送监测值、告警与警告值、引脚状态、厂商信息以及其它SFP+模块实时信息，并接收指令和执行指令。
       
        5.1  固件主流程图
         

       

       
       
        5.2  编译环境
        在IAR IDE环境下编译和调试固件。
         

       

       
        5.3  仿真与调试
        使用与目标电路板连接的TI MSP430FR57xx仿真器，运行仿真，并调试固件。
         
         

       

         
        6  测试配置
        为了评估组装电路板的性能，本应用说明还描述了一个完整的测试配置，包括装置、固件（评估板）和软件（GUI）。
       
        6.1  测试装置

       
         
         

       
         
         
        6.2  评估板
        这种高速、SFP+主电路板，用于对最高11.3Gbps数据速率下工作的SFP+模块进行评估。
       
        这种主电路板可用于测试SPF+和演示附加功能，以对TI SFP+整体解决方案进行测试、监测和编程。
         

       

       
        该评估板拥有微带传输线路和SMA连接器，用于发送和接收数据。
       
        通过硬件（以及GUI）提供电源电流监测、电压监测和一定的数字I/O控制/监测。
         
       
        6.3  原理图
         
         

       

         
       
        6.4  PCB布局
        该评估板的设计目的是使用单端传输线路。
       
        修改PCB层信息，会影响这些传输线路的阻抗，从而影响性能。
       
        6.5 GUI
        GUI软件在VC++环境下开发，由VC++6.0编译。
         
         

       

         
        7  参考文献
           1、《光学模块PCB布局和阻抗匹配设计的TI SLLA311考虑》，作者：Daniel Long
           2、《各种TOSA的TI ONET1101》，作者：Alex Davidson