10G XFP电路部分解析0

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注：10G EML XFP原理图见上PDF文档

1. 发射部分 1）电源分配系统

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MAX1683为开关电容倍压器，将5V电压转换为10V电压；为AD8029AKS提供电源电压

慢上电系统

FDN302P为P沟道增强型MOS管；

热插拔电路的最低要求是提供浪涌电流，防止在大的容性负载加电时整个系统损坏。普通热插拔电路由电容、齐纳管和FET构成。电源电压从S级输入，D级输出。当上电时，GS间的电容充电，此时MOS管关断；随着电容的充电，VGS增大，当其超过门限时，MOS缓慢导通，C48值的大小和MOS管的特性决定MOS管导通的速度。DS间的二极管起保护作用，防止电压过高。

NFM18P为DC EMI静噪滤波器，卓越的高频带静噪特性，能承受2A的电流，适合IC电源线的噪声抑制。

模拟与数字电源之间通过一电感相连。两边个连0.1UF到地去耦。VCC3V3A连接到AD7021-36脚

由于MCU A/D输入口有最大输入电压，所以在此处对XFP工作电压通过电阻分压后再送入MCU A/D进行检测，这样通过分压后就不会烧坏MCU。此处MCU可通过分压后的电压值检测出系统供电是否正常。

2）TOSA驱动部分 a）偏置及光发射功率检测

单DFB与EML激光器光功率检测

单DFB与EML激光器光功率检测图

从上图可以看出，传统单DFB与EML激光器光功率检测的不同。对于单DFB激光器，通常采用一个背光PIN管来检测光发射功率。而EML使用一种更为直接的方法来检测DFB前向光功率的大小。EAM调制器吸收DFB的输出光的大小将取决于加在调制器上的偏置电压的大小。被吸收的光将产生光电流，就像PIN管一样。调制器上的光电流能够非常精确的检测EML的前向输出功率。APC的设置点将设置在需要光输出功率时测的调制器电流。

分解见下图

AD8029和MBT3906DW DATASHEET：

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AD8029为低功耗、高速、轨到轨运算放大器；AD8029和MMBT222AT的功能是将电压V-BIAS（V-BIAS为MCU D/A产生）转换为电流，电流从MMBT2222AT射极流出通过R5和R7到地，比例的转换成调制器偏制电压V-MOD；通过MCU对V-BIAS的控制完成对V-MOD的控制。MBT3906DW为两个PNP管，构成一个电流镜，IC1IC2；电流IC1经R9转换成电压，该电压的值即表示TOSA光发射功率的大小。

b）BIAS-T

Bias-T用于将直流或者低频信号叠加到射频信号上，且使彼此互不影响。它实质上是一个同向双工器，能够从高频信号中分离出低频信号，传向不同的终端。在交叉点处，低频结构对所有在其截止频率之上的频率表现出一个高阻抗;高频结构则相反，对在其截止频率之下的所有频率表现出高阻抗。一般可以通过由集总元件或分立元件制成的互补式滤波器来实现这种结构。对于数字应用而言，通常采用集总元件来实现，如果采用分立元件，则需要很高的带宽。

OC- 192的Bias-T的带宽范围在15—20G。所以通常用串联电感来覆盖这个范围的带宽。

电感值依次减小。另外，传统感性的Bias使用电阻和各个电感并联来减小Q值。该种方法制作的Bias-T的结构、损耗均转大。

该设计中采用磁珠来替代电感作为并联元件。磁珠是一种由嵌入在铁氧体里的感性材料组成的。其涡流损耗同铁氧体材料的电阻率成反比，涡流损耗随信号频率的平方成正比。所以磁珠对直流损耗非常小，而能消除传输线中绝大部分RF噪声。磁珠有更高的带宽，因为它的等效电路是由L和R组成，而非L和C。所以没有串联谐振点，封装紧凑，直流损耗小。

使用磁珠的Bias-T的设计方法和传统的绕线相似。高频率磁珠在高速线部分，低频率磁珠在供应电源部分。这里可选用BLM18HG102SN1D（高频）和BLM18RK102SN1D（低频）。

磁珠没有足够的带宽来覆盖3—4G的频率范围，事实上这部分就变成了一个低阻抗终端。考虑到这一点，两个磁珠之间必须用一个变换器，它采用1/4波长传输线结构，将第二个磁珠的低输入阻抗变换为高阻抗。特征阻抗为Zo,长度为L、负载为ZL传输线的输入阻抗为:

ZjZ0Tan(BL) ZinZ0LZ0jZLTan(BL)如果ZL很小，则可以近似为：ZinjZ0Tan(BL)

当BL约为90度时，则可以得到很高的输入阻抗。

影响Bias-T性能的因素有：插入损耗 截止频率 温度 串行电阻 寄生电阻 RF到DC隔离

此处采用单端驱动激光器，对不用的一端采用一个50欧姆电阻端接到地处理。

c）激光器使能电路

激光器使能电路

NC7SZ04为一非门；MMBF2202PT1为P沟道增强型MOS管

NC7SZ04为一非门；当FLTN-DISN为高电平，则输出反向为低；此时，Vgs《-2V则MOS管导通，VBSRCVCC5TVSDIDR14，激光器工作；当FLTN-DISN为低电平，则输出反向为高电平；此时，Vgs 》-2V，PMOS关闭，集电极开路，此时激光器被关断。通过FLTN-DISN的电平来控制BSRC，从而控制激光器偏置电流使能。

3）TOSA

10T3001为1310 EML TOSA（参照如上图）；LASER-A为激光器偏置；MOD-C为数据输入脚和调制器偏置电流输入脚；THERMISTOR为热敏电阻

EML激光器芯片的激光器工作于恒定功率或CW模式。输入信号加在调制器上，因此调制器像一个开关，让光通过或把光关断。这使得产生的信号的啁啾声（Chirp）非常小，囚此可以在标准的光纤上传播非常长的距离，并且信号的失真很小。

如图所示，3脚连接BSNK；2脚连接BSRC；BSNK和BSRC构成LA的偏置控制电路。4为数据输入端和调制器偏制电流输入端，图中MPD和电阻R构成EAM；脚1为温度检测脚，外部通过一电阻连向一参考电压，通过该脚的电压变化即可检测到TOSA内温度的变化。

4）TOSA驱动器VSC7982

VSC7982 DATASHEET：

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使用外部DA实现设置偏置电流

上图中，通过一个外部DA产生BIASMAX输入到运算放大器正向输入端，与运放相连的三极管IC：ICIBVBIASMAX；上面两三极管构成电流镜，产生与IC同值大小的电

1K流从BIASMON出经一电阻到地转换成电压，该电压可检测偏置电流大小。本设计中

VBIASMAX由VSC7982内部参考电压经一电阻产生。

BIASMAX设置最大偏置电流BSRC输出和BSRK输入；通过BIASMON来检测BSRC或BSRK的大小。电流的方向由SRC_SNKN决定；IOB为从BSRC流出或BSRK流入的电流。

偏置电流大小为：IOBGIOBVBIASMAX 原理参照调制电流设置

使用一个外部电阻实现调制电流设置

调制设置电压：VMODSETVREF100K

100KRMODSET内部调制电流： IMODGIOMVMODSET 调制电流检测：VMODMONIMODMONRMODMONIMODRMODMON 100最大检测调制电流为1.5mA，RMODMON为1K，所以最大调制检测电压为1.5V。

在上图中，OUT输出端在内部上拉50欧姆电阻到VCC，然后输出接负载RL。由此可分析：

内部调制电流： IMODVV RL50输出调制电流： IOMV RL得：IOMIMOD50

50RL

自动功率控制（APCREF直接连向TX-POWER）

自动功率控制功能通过调整激光器偏置电流的大小确保恒定的光输出功率。此处的APC电路和锁相环的原理很象。如上图所示，通常是将激光器背光检测PD脚连向VSC7982的MD脚，通过内部电流镜产生成比例的电流，在APCREF脚连一电阻RAPCREF到地，将电流转换成电压。此处没有采用背光检测来检测光输出功率，而是将光发射功率检测TX-POWER（TX-POWER为电压信号）直接连向APCREF脚，这里就不用考虑选择RAPCREF的大小。通常APCSET脚通过其内部产生的参考电压VREF通过分压后连到内部运放反相输入端，本设计中直接从MCU D/A产生VAPC连向APCSET。当激光器电流达到最大时，VAPCSET和VAPCREF接近相等。偏置电流达到最大时，EOLN被置低电平。

APC中的偏置电流由BIASMAX决定。

EOLN逻辑图

失效显示作用是在发生故障时关断激光器并锁定错误。

EOL-INT是内部信号，当偏置电流达到设定值BIASMAX 的95%时，该信号被设置为高。当LCLRN为低时，错误不会被锁住。当电源重启时，TX-DIS被置高；或LCLRN被置低时，EOLN锁定被清除。通常情况下，将EOLN和FLTB-DIS连起来确保在故障期间激光器被关断。

如果LCLRN被设为低，连接EOLN和FLTB-DIS，失效条件产生，电路可能会振荡，因为故障没有被锁定。这是因为当偏置电流被使能时，故障锁定被清除了。

要注意的是不管LCLRN的状态是什么，TX-DIS依然能够关断激光器。

故障和控制逻辑图

当FLT-BYT为高电平时，它将阻止由于故障而要关断的调制和偏置电流。但是它不能影响TX-DIS的功能。当TX-DIS为高时，即使FLT-BYT为低，它依然可以关断激光器。

交叉点控制

交叉点控制电压可以控制输出数据眼图交叉点从20%-85%之间变化

眼图交叉点与CPSET控制电压关系图

1.FLT-BYP 高电平时阻止激光器偏置和调制电流被关断

4. TERM 输入端接（0.1UF到地） 3/5. DATAP/N 数据差分输入

7.TX-DIS 发射使能（悬空则输出关断） 8.VREF 输出1.2V参考电压

9.MODSET 设置调制电流（使用电压或连一个电阻到VREF设置调治电流） 10.BIASMAX 设置最大的偏制电流（使用电压或连一个电阻到VREF设置最大的偏制电流；APC功能可以减小该值，不能增加）

11.CPSET 设置交叉点（使用电压或连一个电阻到VREF设置交叉点）

12.APCSET 设置自动功率控制（使用电压或连一个电阻到VREF设置最佳的平均光功率）

15.APCREF 自动功率控制参考输出 16.MD 连向一个检测背光PD

17. SRC-SNKN 偏制选择（拉电流连向GND/灌电流连向VCC） （对检测PD 见APC图）

18 BSNK 激光器拉电流输出（VCC时关断LA偏制） 20/22 OUT/OUTN 数据差分输出 24 BSRC 激光器灌电流输出

25. LCLRN 闭锁清除和使能（连向VCC 默认闭锁 GND立即清除） 26 VTEMP 温度检测电压

29. FLTN-DISN 偏制和调制电流使能（GND使能 VCC不能使能） 30. EOLN 激光器失效显示 31. BIASMOD 偏置电流检测 32. MODMOD 调制电流检测 时序图：

5）发射信号调理器：GN2004S

GN2004S DATASHEET：

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均衡器和CDR

信号调节器接收从XFI接口出来的数据后，GN2004S内部的均衡器首先将数据进行整形重建，以消除趋肤效应和介质损耗带来的确定性抖动，随后用CDR进行时钟和数据恢复。

1）均衡电路的输出波形是升余弦波,而升余弦波能在所有的判决时刻都没有码间干扰。因此均衡电路的所起的作用就是对某些频率成分进行补偿,进行抑制或者滤波,同时还能够滤除部分噪声。它的主要目的是对经过光纤线路传输、光/电转换和放大后已发生畸变的和有严重码间干扰的信号进行补偿,使其变为码间干扰尽可能小的信号,以利于定时判决。

2）再生电路包括判决电路和时钟提取电路,它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元的时钟,并逐个地对码元波形进行取样判决,以得到原发送的码流。

在GN2004S中，EQP/N为从XFI接口传输过来的差分数据，通过内部均衡器进行整形；同时，在LOS电路中通过LOSADJ脚设置信号丢失门限电平，对输入信号进行判决；通过LOS脚输出电平来对信号是否超过门限进行指示。LOS输出为0表示信号输入信号超过门限；反之为1表示信号幅度低于门限，信号丢失。通过相位检测器来检测信号频率是否失锁，当信号频率偏差超过一定范围时，PLL失锁，PLL输出低电平。数据分成两路，一路用来恢复时钟信号；利用恢复的时钟信号对数据进行取样判决，从而恢复出原

发送的信号。在这个过程中，可以通过RTEN来实现CDR的使能；同时可通过POLInv来控制输出信号的极性；SWNGSel用来控制输出信号的幅度，通过控制SWNGSel信号的电平来控制输出信号是高差分还是低差分输出。

1 POLInv SDO输出反向控制

2 RTEn Retimer Enable Control Input（0：CDR旁路掉；1：CDR工作） 3 EQVcc 均衡电源 4 EQVee 均衡地

5/6 EQInP/N 差分数据输入 7 PDVcc CDR电源 8 PDVee CDR地

9 SWNGSel 数据输出幅度控制（0：低差分摆幅500mV；1：高差分摆幅700mV） 10 LOS 信号丢失输出（0：信号输入信号超过门限；1：信号幅度低于门限） 11 LOSAdj Loss 门限调整输入

12 NC No Connect. Reserved for future functionality expansion. 13 SDOVcc SDO输出缓冲电源 14 SDOVee SDO输出缓冲地 15/16 SDON/P 差分数据输出

17 LBSDON Loop Back Serial Data Output (Negative) 18 LBSDOP Loop Back Serial Data Output (Positive) 19 LBWCtrl PLL Loop Bandwidth Control Input 20 LF PLL Loop Filter Capacitor 21 VCOVcc VCO电源 22 VCOVee VCO地

23 LOL 锁定检测丢失输出（0：PLL锁定丢失；1：PLL锁定） 24 LBEn Loop Back 使能控制（0：无LBSDON/P信号；1：有）

2. 接收部分

1）接收信号调理器；GN2003S

GN2003S DATASHEET：

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此处UMX1N作用为增强驱动能力，因为LOS与LOL输出缓冲为LVCMOS 驱动能力为100uA

（3.3V LVCMOS： VCC：3.3V；VOH>=3.2V；VOL<=0.1V；VIH>=2.0V；VIL<=0.7V。 2.5V LVCMOS： VCC：2.5V；VOH>=2V；VOL<=0.1V；VIH>=1.7V；VIL<=0.7V。）

10G限幅放大器和CDR

从前置放大器出来的差分信号进入GN2003S，首先通过限幅放大器进行限幅放大，然后经过CDR进行时钟和数据恢复。基本原理同GN2004S。

1 LOS Loss of Signal Indicator Output 2 LAVcc Limiting Amplifier Power Supply 3 LAVee Limiting Amplifier Ground

4 LAIP Limiting Amplifier Input (Positive) 5 LAIN Limiting Amplifier Input (Negative) 6 LACT Limiting Amplifier Center Tap 7 PDVcc Phase Detector Power Supply 8 PDVee Phase Detector Ground 9 ConComp Connector Compensation

10 LOSAdj Loss of Signal Level Adjust Input 11 RTEn Retimer Enable Control Input

12 POLInv SDO Output Polarity Inversion Control Input 13 SDOVcc SDO Output Buffer Power Supply 14 SDOVee SDO Output Buffer Ground 15 SDON Serial Data Output (Negative) 16 SDOP Serial Data Output (Positive)

17 LBSDIP Loop Back Serial Data Input (Positive) 18 LBSDIN Loop Back Serial Data Input (Negative) 19 LBWCtrl PLL Loop Bandwidth Control Input 20 LF PLL Loop Filter Capacitor

21 VCOVcc VCO Power Supply 22 VCOVee VCO Ground

23 LOL Loss of Lock Monitor Output 24 LBEn Loop Back Enable Control Input

2）ROSA及收光功率检测

此处GN2003S与ROSA之间采用交流耦合， MAX4006 DATASHEET：

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AC6539为10G高增益ROSA；MAX4006为高精度电流检测器

AC6539中，光电二管用来检测光纤上传来的光信号并把它转换成电信号。紧跟其后的跨阻放大器(TIA)首先进行电流到电压的转换，形成的单端电压经TIA放大后一般还需转换成差分信号。

MAX4006为光电二极管提供灌电流；通过电流镜出来的电流为光电管电流的1/10，

MAX4006内部有一个10K电阻，电流通过10K精密电阻转换为输出电压，输出电压即为光接收功率；其输出电压与光电管电流的关系为1V/Ma。

3. MCU

注：下图中检测管脚后扩号内型号为其连向的IC

Analog Devices ADuC7021是基于ARM7TDMI的控制器集成了8通道12位的ADC（1MSPS）,2通道12位带缓冲的DAC,电压比较器,62KB可在系统中编程（ISP）的片内闪速/电擦除存储器和8KB RAM, 串行接口包括UART,SPI和2个I2C,用于下载/调试的JTAG端口,4 个定时器,14个通用 I/O引脚,片内可编程逻辑阵列（PLA）。CPU时钟高达45MHz,片内晶体振荡器和片内PLL。

1）A/D（模拟量检测输入）

1. MON-5V

2. TEMP2（TOSA-10T3001） TOSA温度

3. TX-POWER（MBT3906DW1T1） 光发射功率 4. MON-3V3

37. MMON（VSC7982） 调制电流

38. RX-POWER（ROSA-AC6539） 收光功率 39. BMON（VSC7982） 偏制电流

40. TEMP1（VSC7982） VSC7982温度

2）D/A（控制模拟量输出）

6. VAPC（VSC7982） 自动功率控制 7. V-BIAS（AD8029） 控制调治电压

3）使能控制及监测

11. MOD-DESEL（XFI） 输出显示调制没准备好 18. -INTERRUPT（XFI） 20. P-DOWN（） 21. MOD-NR（）

22. RX-LOS（GN2003S） 收丢失

23. LBEN（GN2004S/GN2003S） Loop Back 使能控制（0：无LBSDON/P信号；1：有）

26. RX-LOCK（GN2003S） 收失锁（0：PLL锁定丢失；1：PLL锁定）

27. LCLRN（VSC7982） 错误清除和使能（连向VCC 错误 GNF立即清除） 28. FLTN-DISN（VSC7982） 偏制和调制电流使能（GND使能 VCC关使能） 29. TX-LOCK（GN2004S） 发失锁（0：PLL锁定丢失；1：PLL锁定） 30. FLTBYP（VSC7982） （GND关断偏制和调制电流 VCC不能使能） 31. TX-DIS（VSC7982） 发射使能（悬空则输出关断）

32. SCL（XFI） IIC时钟输入 33. SDA（XFI） IIC数据输入

4. XFI接口

Pin 1 2 3 4 Logic Symbol GND VEE5 Mod_DeSel Interrupt TX_DIS Name/Description Module Ground Optional -5.2V Power Supply Module De-select; When held low allows module to respond to 2-wire serial interface Interrupt; Indicates presence of an important condition which can be read over the 2-wire serial interface Transmitter Disable; Turns off transmitter laser output LVTTL-I LVTTL-O 5 LVTTL-I 6 7 8 9 10 LVTTL-I/O LVTTL-I/O LVTTL-O LVTTL-O LVTTL-O VCC5 GND VCC3 VCC3 SCL +5V Power Supply Module Ground +3.3V Power Supply +3.3V Power Supply 2-Wire Serial Interface Clock 11 SDA 2-Wire Serial Interface Data Line 12 Mod_Abs Indicates Module is not present. Grounded in the Module 13 Mod_NR Module Not Ready; Indicating Module Operational Fault 14 15 16 17 18 19 20 21 RX_LOS GND GND RD- RD+ GND VCC2 P_Down/RST Receiver Loss Of Signal Indicator Module Ground Module Ground Receiver Inverted Data Output Receiver Non-Inverted Data Output Module Ground +1.8V Power Supply Power down; When high, requires the module to limit power consumption to 1.5W or below. 2-Wire serial interface must be functional in the low power mode. CML-O CML-O LVTTL-I 22 23 24 PECL-I PECL-I VCC2 GND RefCLK+ +1.8V Power Supply Module Ground Reference Clock Non-Inverted Input, AC coupled on the host board 25 26 27 28 29 30 RefCLK- GND GND TD- TD+ GND Reference Clock Inverted Input, AC coupled on the host board Module Ground Module Ground Transmitter Inverted Data Input Transmitter Non-Inverted Data Input Module Ground CML-I CML-I 1. Module ground pins Gnd are isolated from the module case and chassis ground within the module. 2. Shall be pulled up with 4.7K-10Kohms to a voltage between 3.15V and 3.45V on the host board. 3. The 1.8 V power supply can be optionally programmed to voltages lower than 1.8 V in modules supporting the variable power supply. 注：淡紫色为悬空管脚，

参考文献：

ASIP common design for 1310 and 1550 EMLs

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2. EML LR 80KM XFP Reference Design Schematic

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3. Advantages of IC-Based Hot-Swap Circuit Protection

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4. XFP_MSA-4.5

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5. MAXIM方案

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6.