APD非线性响应补偿

APD非线性响应补偿

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。