設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)具有成本效益、高效、小型、具有競(jìng)爭(zhēng)力的電路來(lái)整合 AMC60704 電源軌，用于偏置電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (IDAC) 和電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (VDAC)。

設(shè)計(jì)說(shuō)明

此電路設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一種方法，允許一個(gè) 3.3V 主電源為多個(gè) AMC60704 輸入供電。重要的電源是 PVDD，其為電吸收調(diào)制激光器 (EML) 中偏置激光器的 IDAC 供電。另一個(gè)重要電源是 VSS，這是為負(fù)范圍內(nèi)的 VDAC 供電的輸入，因?yàn)?VSS 用于偏置 EML 中的電吸收調(diào)制器 (EAM)。

通過(guò)將直流/直流轉(zhuǎn)換器放置在 PVDD 和 VSS 電源軌上，設(shè)計(jì)人員可以提供 3.3V 電源，而轉(zhuǎn)換器可以逐步降低輸入電壓并將其反轉(zhuǎn)至 PVDD 和 VSS 范圍內(nèi)所需的值。推薦的 TPS6285A 和 LM27761 器件是小型、低成本且高效的直流/直流轉(zhuǎn)換器，可對(duì) PVDD 和 VSS 的輸入電壓進(jìn)行逐步降低和反轉(zhuǎn)。該設(shè)計(jì)可用于 400G 的光學(xué)模塊應(yīng)用。此外，可以創(chuàng)建 800G 設(shè)計(jì)，但 800G 設(shè)計(jì)需要額外的 AMC60704 和 LM27761 器件。

應(yīng)用方框圖

設(shè)計(jì)說(shuō)明

1. 該設(shè)計(jì)側(cè)重于 EML 應(yīng)用，從而 VCC 正電源軌接地。
2. 此設(shè)計(jì)可以在 400G 應(yīng)用中使用。此外，可以創(chuàng)建 800G 設(shè)計(jì)，但 800G 設(shè)計(jì)需要額外的 AMC60704 和 LM27761。
3. 為了在 EML 應(yīng)用中偏置 VDAC，VSS 電源軌的工作電壓范圍為 –2.5V 至 –5.5V。此電路設(shè)計(jì)使用 –3.3V 電源為 VDAC 供電。
4. AMC60704 有四個(gè) VDAC 通道，每個(gè)通道都能產(chǎn)生 50mA 輸出。在 400G 應(yīng)用中，會(huì)使用所有 4 個(gè)通道。此電路設(shè)計(jì)使用全部四個(gè) VDAC 通道。
5. LM27761 的最大輸出電流為 250mA，可配置輸出范圍為 –1.5V 至 –5V，這讓此器件非常適合 VSS 電源軌。下圖 展示了典型的 LM27761 原理圖。
   LM27761
6. 可從外部配置 LM27761 的輸出電壓。R₁ 和 R₂ 的值確定了輸出電壓設(shè)置。使用 方程式 計(jì)算輸出電壓。R₂ 的值不得小于 50kΩ。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=-1.22\mathrm{V}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\right)$
   • 此設(shè)計(jì)在 –2.85V VSS 下運(yùn)行，因此 R₁ = 30.1k? 且 R₂ = 39k?，以便為電流源留出足夠的余量。
7. 可以使用不同的輸出電容值來(lái)降低電荷泵紋波、縮小設(shè)計(jì)尺寸或降低設(shè)計(jì)成本。在典型應(yīng)用中，建議使用 4.7μF 低 ESR 陶瓷電荷泵輸出電容器 (C₃)。
8. 增加輸入電容會(huì)使輸入電壓紋波成比例降低。輸入電壓、輸出電流和飛跨電容也會(huì)在一定程度上影響輸入紋波電平。建議在輸入端使用 4.7μF 低 ESR 陶瓷電容器。
9. 飛跨電容器可影響輸出電流能力和紋波幅度。在典型的大電流應(yīng)用中，建議將 0.47μF 或 1μF 10V 低 ESR 陶瓷電容器用于飛跨電容器。
10. LDO 輸出電容器 (C₄) 值和 ESR 會(huì)影響穩(wěn)定性、輸出紋波、輸出噪聲、PSRR 和瞬態(tài)響應(yīng)。LM27761 只需使用 2.2μF 陶瓷輸出電容器即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
11. 為了在 EML 應(yīng)用中偏置 IDAC，PVDD 電源軌的工作電壓范圍為 1.5V 至 2.2V。此電路設(shè)計(jì)使用 1.8V 電源為 IDAC 供電。
12. AMC6V704 有四個(gè) IDAC 通道，每個(gè)通道都有一個(gè) 200mA 滿量程輸出。IDAC 的最大輸出電流為 800mA。
13. 本設(shè)計(jì)選用 TPS62825A 的原因在于該器件的最大輸出電流為 2A，且可調(diào)輸出電壓范圍為 0.6V 至 4V。這些轉(zhuǎn)換器保持連續(xù)的導(dǎo)通模式運(yùn)行，并在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持極低的輸出電壓紋波。下圖 展示了典型的 TPS62825A 原理圖。
    TPS62825A 原理圖
14. 使用以下公式設(shè)置 TPS62825A 上的輸出電壓。
    $\mathrm{R}1=\mathrm{R}2\times (\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{F}\mathrm{B}}}-1)$
    其中
    • V_FB 為 0.6V
15. R₂ 必須高于 100kΩ，以便在輕負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)提供可接受的噪聲靈敏度。以下公式顯示了如何針對(duì)給定的 R₂ 值計(jì)算前饋電容器 C₃ 的值。對(duì)于建議的 100kΩ R₂ 值，使用了 120pF 前饋電容器。
    ${\mathrm{C}}_3=\frac{12\mathrm{\mu }}{{\mathrm{R}}_2}$
16. 考慮到直流偏置降額電容，TPS62825A 的最小有效輸出電容 C₂ 為 10μF。
17. 必須存在 3μF 的最小有效輸入電容 C₁，但較大的值會(huì)降低輸入電流紋波。TPS62825A 使用了 4.7μF 輸入電容器。
18. 將 TPS62825A 添加到系統(tǒng)中后，IDAC 的功率耗散現(xiàn)在是 TPS62825A 輸出電壓和電流輸出、PVDD 電源電壓、電流輸出和 IDAC 引腳電壓的函數(shù)。使用此公式計(jì)算功率耗散。V_HEADROOM 電壓計(jì)算為 PVDD 和 V_IDACx 之間的差值。
    PVDD 功率耗散
19. ${\mathrm{P}}_{\mathrm{T}\mathrm{P}\mathrm{S}62825\mathrm{A}}=3.3\mathrm{V}\times {\mathrm{I}}_{3\mathrm{\_}3}-[{\mathrm{P}}_{\mathrm{V}\mathrm{D}\mathrm{D}}\times {\mathrm{I}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}+{\mathrm{P}}_{\mathrm{V}\mathrm{D}\mathrm{D}}\times {\mathrm{I}}_{\mathrm{Q}\mathrm{P}\mathrm{V}\mathrm{D}\mathrm{D}}+{\sum }_{\mathrm{I}\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}0-3}\left\{{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}\mathrm{E}\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{R}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{M}}\times {\mathrm{I}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}\mathrm{x}}\right\}]$
    1. 通過(guò)將 PVDD 電源和 V_IDAC 之間的電壓差 V_HEADROOM 最小化，可以降低功率耗散。最小 PVDD 為 1.5V。
    2. 可使用以下公式計(jì)算輸出負(fù)載。
       $\mathrm{L}\mathrm{O}\mathrm{A}\mathrm{D}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}}}$
20. 封裝尺寸比較 顯示了此設(shè)計(jì)中使用的產(chǎn)品。之前討論了如何選擇關(guān)鍵無(wú)源元件。有關(guān)詳盡信息，請(qǐng)參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。由于光學(xué)模塊內(nèi)的高通道密度，此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求是采用小封裝尺寸。下圖 顯示了封裝尺寸的比較。
    封裝尺寸比較
21. 為了在該市場(chǎng)中展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，此設(shè)計(jì)針對(duì)集成器件創(chuàng)建了一種低成本解決方案。

設(shè)計(jì)測(cè)量

測(cè)試 1：電源斜升響應(yīng)

電源斜升響應(yīng) 顯示了電源斜升響應(yīng)測(cè)試設(shè)置和測(cè)試點(diǎn)。

電源斜升響應(yīng)

電源斜升響應(yīng) 圖顯示了系統(tǒng)中的電源發(fā)生上電觸發(fā)后所需的響應(yīng)時(shí)間。Tektronix TBS 2000B 示波器用于探測(cè)每個(gè)電源輸入，以測(cè)量此測(cè)試的斜升。

電源斜升響應(yīng)

測(cè)試 2：系統(tǒng)功率效率與 IDAC 之間的關(guān)系

此效率測(cè)試將 TPS62825A 輸入電源的功率耗散對(duì)照 4.99? 負(fù)載下 IDAC 的功率耗散進(jìn)行衡量。隨著 IDAC 代碼的變化，IDAC 的輸出以及輸入功率也會(huì)發(fā)生變化。IDAC 測(cè)試設(shè)置 顯示了此測(cè)試的設(shè)置。

IDAC 測(cè)試設(shè)置

IDAC 效率與 IDAC 輸出之間的關(guān)系

IDAC 功率與 IDAC 輸出之間的關(guān)系

IDAC 系統(tǒng)功率與 IDAC 輸出之間的關(guān)系

測(cè)試 3：系統(tǒng)功率效率與 VDAC 之間的關(guān)系

該測(cè)試顯示了 LM27761 輸入功率和 VDAC 輸出的功率耗散。下圖 顯示了設(shè)置和測(cè)試點(diǎn)。在電流測(cè)量配置中使用 DMM，測(cè)量 LM27761 的輸入電流，由此可計(jì)算系統(tǒng)功率。通過(guò)更改 VDAC 代碼，VDAC 的輸出以及系統(tǒng)電流都會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)在輸出端放置一個(gè)負(fù)載電阻器，可以計(jì)算流經(jīng)負(fù)載的電流。在 -2.5V 的滿量程電壓輸出下，最大輸出電流為 50mA，最大電阻負(fù)載為 50?。

VDAC 測(cè)試設(shè)置

VDAC 效率與 VDAC 電流驅(qū)動(dòng)輸出間的關(guān)系

VDAC 系統(tǒng)功率與 VDAC 電流驅(qū)動(dòng)輸出間的關(guān)系

VDAC 系統(tǒng)功率與負(fù)載功率之間的關(guān)系

設(shè)計(jì)中采用的器件

其他資源

• 德州儀器 (TI)，TPS6282xAEVM-126 評(píng)估模塊用戶指南
• 德州儀器 (TI)，LM27761EVM 用戶指南
• 德州儀器 (TI)，利用低噪聲電荷泵輕松產(chǎn)生負(fù)電壓技術(shù)文章
• 德州儀器 (TI)，AMC6V704 評(píng)估模塊用戶指南
• 德州儀器 (TI)，AMC6V704 具有電流和電壓輸出 DAC 和多通道 ADC 的 4 通道光學(xué)監(jiān)測(cè)器和控制器數(shù)據(jù)表
• 德州儀器 (TI)，AMC6V704EVM 評(píng)估板工具頁(yè)面

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