APD非線性響應補償

激光模塊需對雪崩光電二極管(APD)的非線性響應進行補償。本應用筆記以DS1875 SFP控制器為例，探討如何使用Maxim的光控制器完成非線性補償。

APD特性

光模塊采用基于雪崩光電二極管(APD)的光接收器支持高靈敏度設計。

從APD接收到的反饋呈非線性(平均接收功率)，這一非線性特性為優化控制激光器模塊帶來一定困難，典型的APD非線性特性如圖1所示。


圖1. 典型的APD響應顯示了非線性特性

為了保證精準操作，需要對APD的非線性進行補償。補償后可以為SFP控制器模塊提供線性反饋，提高系統穩定性。補償后的APD響應如圖2所示。


圖2. 該平均曲線顯示了所期望的典型響應，生產過程中對響應中微小變化的補償是不可行的。

使用RSSI修正非線性

Maxim的光控制器，如DS1875，能夠補償APD的非線性。

DS1875的一個輸入通道(MON3)有兩個工作區(細調和粗調)配置，每個區域都有其獨立的量程和偏置，用于校準接收到的功率信號的非線性。校準通過對APD二極管的非線性響應進行分段線性近似，擬合完成。

除了提供兩個獨立的工作區，DS1875也可在細調區域對ADC轉換結果進行右移操作。即使輸入信號不能完全覆蓋輸入范圍，通過右移操作也可提高轉換精度。

滯回的重要性

在給定的交叉點，DS1875根據輸入信號的幅度自動地在兩個工作區之間切換。在交叉點提供滯回，當從粗調切換到細調時，切換點會發生變動。這能保證器件不會在兩個工作區間來回觸發，造成不穩定。

交叉點會根據針對細調范圍的右移位設定的不同而改變，表1列出了不同的右移設置下交叉點的改變。需要注意的是，DEC欄到滯回(Hysteresis)欄對應的變化值。

表1. 右移時的交叉點設置

校準DS1875

DS1875輸入端MON3的兩個工作區必須進行校準，這樣才能準確擬合所要求的APD響應。按照下面過程進行校準，可以得到兩個不同工作區的量程和偏置值。

1. 對細調和粗調工作區進行配置，以保證每個工作區的實際響應為線性。寫入工廠預設值，使響應為線性特性，同時將精調范圍的右移位設為3。
   
   
2. 在MON3P接入兩個輸入(“a”dB和“b”dB)。使用內部工廠校準值，測量MON3轉換數值。兩個輸入已配置成粗調范圍使用“a”dB，細調范圍使用“b”dB。輸入可選擇任何兩個點，只要一個在細調區，另一個在粗調區。根據測試得到的誤差，測量需進行再評估，直到得到最佳的分段線性擬合。
   
   
3. 步驟2得到的數值與期望用來補償APD非線性響應的數值會有差別。所有細調和粗調區的量程和偏置也需要校準，這樣才能準確匹配期望值。
   
   
4. 將兩個被測值作為“x”，這兩個點的期望輸出作為“y”值。
   
   
5. 計算細調區ADC的量程和偏置。該計算使用兩個點，第一個點為第一次計算中(步驟2)的b dB輸入測量的x值和y值(x1, y1)；另一個點是(0, 0)點(x2, y2)。這個(0, 0)點是一個假設點，只需使用2個數據點即可得出量程和偏置。如果(0, 0)不適合所期望的響應，那么用戶可以使用另一個數據點。
   
   計算由下式完成：

   y = m_fine × x + c_fine

   其中，m_fine代表量程，c_fine代表偏置。
   
   使用點(x2, y2)，得到：

   c_fine = 0

   使用點(x1, y1)，得到：

   m_fine = y1/x1

6. 為了得到所期望的響應，需找到最接近的右移位。將期望的輸出(點b dB的y值)與表1的DEC值相比較。最接近上述期望輸出的DEC值將被用作x值。與之相應的(y)值可以用上面的m_fine和c_fine推算，該點即為(x2, y2)。
   
   
7. 使用(x2, y2)交叉點的值和b dB點(x3, y3)數值，由下式計算粗調區ADC的量程和偏置：

   y = m_coarse × x + c_coarse

8. 將偏置(c_fine和c_coarse)裝載到DS1875相應的寄存器。注意，如果這個偏置為負值，那么將其2進制補碼寫入寄存器。
   
   
9. 現在要分別整理細調和粗調區的量程，讀出兩個輸入的期望值(a dB和b dB)。
   
   
10. 基于修正過的響應(使用新的量程和偏置值)和期望的響應，可生成一條誤差曲線(圖3所示)。誤差曲線根據兩個點(a和b)的位置變化而變化。第一段斜線代表細調區的誤差；第二段斜線代表粗調區的誤差。誤差大小可以根據客戶要求，通過改變這兩個點的位置進行調整。

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結論

新的細調和粗調范圍可用來檢查器件是否近似擬合得到所期望的響應，圖3為圖2響應的擬合結果。


圖3. 這個誤差曲線分別顯示了使用新的量程和偏置進行修正的響應和所期望的響應

所期望的響應特性與計算得到的響應特性的誤差如圖4所示。


圖4. 計算得到的響應與所期望響應的誤差