千兆位以太網(wǎng)用光纖收發(fā)器設(shè)計(jì)

    前言

    千兆位以太網(wǎng)速度快、帶寬大且兼容性好，具有比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)更強(qiáng)大的功能。快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器不僅大大簡(jiǎn)化局域網(wǎng)的設(shè)計(jì)，而且可以保護(hù)原有銅纜LAN設(shè)備的投資，成為當(dāng)前市場(chǎng)的迫切需要。

    Avogo Technologies生產(chǎn)的HFCT-53D5光纖收發(fā)器可讓設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)單模千兆位以太網(wǎng)應(yīng)用的解決方案。該產(chǎn)品由三部分構(gòu)成：光發(fā)射器、光接收器以及內(nèi)置雙工SC連接器的機(jī)盒。發(fā)射器包含一個(gè)符合GE LX規(guī)范的1300nm激光器，它是由一個(gè)定制的、硅雙極IC驅(qū)動(dòng)的，將差分PECL邏輯信號(hào)變換為激光二極管模擬驅(qū)動(dòng)信號(hào)。接收器含有一個(gè)InP—PID光電二極管，它與一個(gè)定制的硅雙極跨導(dǎo)型前置放大器IC安裝在一起，并連接至后置放大器與數(shù)字化電路。后置放大器中設(shè)置的信號(hào)檢測(cè)電路，一旦檢測(cè)到有用的光信號(hào)就提供一個(gè)PECL邏輯高信號(hào)，這個(gè)單端PECL輸出通過(guò)一個(gè)50?負(fù)載驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)PECL輸出。機(jī)盒由高強(qiáng)度、抗熱、抗化學(xué)腐蝕和良好阻燃性的塑料制成，整體設(shè)計(jì)有極高的抗干擾和EMI性能。

    主要指標(biāo)：

    符合IEEE-802.3z千兆位以太網(wǎng)規(guī)范。

    采用1×9封裝樣式行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中間件。

    性能：550m 62.5/125?m MMF

    550m 50/125?m MMF

    10Km 9/125?m SMF

    IEC 60825-1類/CDRH 1類激光眼睛安全性。

    ROHS符合性。

    光功率預(yù)算

    光纖鏈路最低光功率預(yù)算(OPB)是由最小發(fā)射器輸出光功率(dBm avg)與最低光接收器靈敏度(dBm avg)之差決定的。OPB是光纖鏈路正常工作所必需的光信號(hào)強(qiáng)度。OPB用來(lái)補(bǔ)償光纖損耗和相應(yīng)鏈路損耗，即OPB必須考慮到所有可能影響鏈路性能的損耗。IEEE802.3z標(biāo)準(zhǔn)定義了62.5/125?m和50/125?m兩種多模光纖，并已建立模型，規(guī)定了光纖損耗參數(shù);此外，對(duì)1300nm F-P激光器單模光纖亦已建模并確定光纖損耗參數(shù)。MFCT-53D5安全滿足LX 5Km標(biāo)準(zhǔn)，還采取了限制發(fā)射器的中心波長(zhǎng)和頻譜寬度，增加光輸出功率與提高靈敏度等措施，使之有相當(dāng)冗余量來(lái)支持10KmGE鏈接。

    信號(hào)檢測(cè)

    信號(hào)檢測(cè)電路提供一個(gè)判斷輸出信號(hào)，用來(lái)表示IEEE802.3z規(guī)范定義的鏈路是開(kāi)放的，或發(fā)射機(jī)是關(guān)閉的。信號(hào)檢測(cè)閾值是這樣設(shè)置的，當(dāng)最低接收機(jī)輸入可使用功率小于-30dBm avg時(shí)，該信號(hào)從高態(tài)過(guò)渡成低態(tài)。這里，-30dBm avg就表示光路故障時(shí)輸入光功率，例如接收器或發(fā)射器未插入連接器，光纖斷裂、遠(yuǎn)端信號(hào)源或發(fā)射器故障等。信號(hào)檢測(cè)信號(hào)只有在接收到編碼8b/10b信號(hào)時(shí)才指示鏈路工作是正常的。當(dāng)然，信號(hào)檢測(cè)并不涉及檢測(cè)接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)或誤碼率問(wèn)題，這些問(wèn)題由后面的信號(hào)處理電路來(lái)解決。

    數(shù)據(jù)線互連

    該收發(fā)器可直接與+5V PECL信號(hào)互連。發(fā)射器輸入是直流耦合至激光器驅(qū)動(dòng)電路的，亦即在輸入處，并未設(shè)置電容耦合的50?終端電阻。激光器的驅(qū)動(dòng)電路也是直流耦合的，使各種占空比數(shù)據(jù)圖形的輸出光功率相對(duì)地平衡。如果數(shù)據(jù)具有長(zhǎng)又連續(xù)的狀態(tài)時(shí)間，輸出光功率則會(huì)漸漸地將其平均值改變至它的預(yù)設(shè)值。

    在接收器部分，前置放大器與后置放大器之間是交流耦合的，而后置放大器輸出的實(shí)際數(shù)據(jù)是直流耦合至各自的輸出引腳。信號(hào)檢測(cè)輸出是單端、+5V PECL信號(hào)，也是直流耦合至它的輸出引腳。當(dāng)然，在收發(fā)器與支持的物理層集成電路之間應(yīng)設(shè)置正確的互連電路，圖1是推薦的接口電路。

符合性聲明

    電子部件要符合各項(xiàng)有關(guān)的法規(guī)，讓用戶在使用時(shí)更安全、更可靠。

    靜電放電(ESD)。防止ESD損壞有兩件重要的事項(xiàng)。一是對(duì)ESD敏感的器件應(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)防措施，采用接地的跨接線，操作臺(tái)和地板是防靜電的。二是機(jī)殼中暴露在外部的元件，如雙ISC連接器應(yīng)符合強(qiáng)制性的系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

    電磁干擾(EMI)。高速收發(fā)器應(yīng)滿足抗電磁干擾要求，如美國(guó)的FCC、歐洲的CENELEC EN55022(CISPR22)、日本的VCCI等。電子部件要控制電磁輻射來(lái)減少對(duì)鄰近設(shè)備的干擾。EMI性能還依賴于機(jī)殼的設(shè)計(jì)和電路板在機(jī)殼內(nèi)的正確安裝。

    抗干擾性。收發(fā)器可能在存在無(wú)線電頻率電磁場(chǎng)環(huán)境中使用。由于采用了良好的屏蔽設(shè)計(jì)，收發(fā)器有良好的抗干擾性能。

    RoHS.RoHS(Restriction of Hazardous Substances)是歐盟立法制定的一項(xiàng)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，它的全稱是《關(guān)于限制在電子設(shè)備中使用某些有害成分的指令》。主要限制鎘、鉛、汞、六價(jià)鉻Cr6+、多溴二笨醚PBDE和多溴聯(lián)笨PBB六種有害物質(zhì)的含量。為此，要使用新型材料并采用無(wú)鉛焊接等新工藝。

    眼睛安全性。當(dāng)光收發(fā)器發(fā)生故障時(shí)，激光對(duì)人的眼睛應(yīng)是安全的，器件或是維持正常的對(duì)眼睛安全的運(yùn)作，或禁止該器件工作。安全電路有3個(gè)關(guān)鍵元件：監(jiān)測(cè)二極管、窗口檢測(cè)電路和激光二極管偏流直接控制電路。窗口檢測(cè)電路利用激光二極管內(nèi)的光電二極管監(jiān)測(cè)平均光功率，如果發(fā)生故障，直流偏置電流不能維持在預(yù)設(shè)值的±20%以內(nèi)，就會(huì)發(fā)出告警信號(hào)。器件采用限流電路與光纖接頭相接合的方案，保證對(duì)人的眼睛的安全性。只要發(fā)射器Vcc電壓不高于7V，就不需要關(guān)閉電路。

圖1 HFCT-53D5與HDMP1636A/1646A接口電路和電源濾波電路