Lichtspiele (Fortsetzung der Coverstory aus Elektronikschau 6, Seite 20)

Die Anpassung von Lasertreiber-Schaltungen an kommerziell verfügbare Laserdioden kann eine komplizierte und frustrierende Angelegenheit sein. Folgender Artikel bietet Entwicklern von optischen Systemen eine Anleitung, um diesen zeitraubenden Prozess so weit wie möglich zu vereinfachen.

Fehlersuche
Die Erfahrung zeigt, dass trotz sorgfältigstem Entwurf der Schnittstelle zwischen Treiber und Laserdiode der optische Ausgang üblicherweise nicht die optimale Leistung zeigt, wenn das System zum ersten Mal hochgefahren wird. Dadurch sind meist Optimierungen und Fehlersuche notwendig. Die folgenden Optimierungsrichtlinien basieren auf dem sichtbaren Ausgang eines Oszilloskops, das über einen optisch-/elektrischen Konverter am Ausgang der Laserdiode angeschlossen ist. Der Eingang des Lasertreibers wird von einer Zufallsbitfolge getrieben. Der Oszilloskopausgang kann ? wenn durch den Bitfolgentakt getriggert ? die Wellenform anzeigen oder ? wenn durch den Bittakt getriggert ? ein Augendiagramm. Es folgen Beschreibungen von acht gängigen Schnittstellenproblemen zusammen mit Abbildungen der Wellenform, eine Liste möglicher Ursachen und Vorschläge für Lösungen. Alle Fehlerquellen beziehen sich auf die in Bild 11 dargestellte Schnittstellenschaltung.
Stauchung der Wellenform (Bild 12)
Problembeschreibung: Kein klar ausgeprägtes Augendiagramm. Dunkle horizontale Linie im Bodenbereich des Augendiagramms. Herabsetzen des Biasstroms kann den oberen Bereich des Augendiagramms weiter stauchen, aber der dargestellte Bodenbereich bewegt sich nicht.
Mögliche Ursachen: Der Biasstrom ist zu niedrig eingestellt. Der digitale Low-Zustand befindet sich unter dem Schwellenwert des Lasers.
Mögliche Lösungen: Der Biasstrom des Lasers ist zu erhöhen, bis der Boden des Augendiagramms anfängt, sich im Oszilloskopbild nach oben zu bewegen. Dies zeigt an, dass der digitale Low-Zustand über den Schwellenwert des Lasers angehoben wurde. Das Augendiagramm sollte mit zunehmendem Biasstrom deutlicher werden.

Kippschwingungen (Bild 13)
Problembeschreibung: Hohe Überschwinger in der angezeigten Wellenform. Eine dunkle horizontale Linie am unteren Rand des Augendiagramms. Das Herabsetzen des Biasstroms kann dazu führen, dass der digitale High-Zustand sich nach unten bewegt, während die Überschwinger konstant bleiben oder noch größer werden. Der Boden der Wellenform (digitaler Low-Zustand) bewegt sich mit abnehmendem Biasstrom nicht.
Mögliche Ursachen: Der Biasstrom ist zu niedrig eingestellt. Der digitale Null-Zustand befindet sich unter dem Schwellenwert des Lasers. Es wird zusätzliche Zeit benötigt, um den Laser von dort auf einen High-Zustand zu schalten. Dies führt zu einer verzögerten ansteigenden Flanke. Diese Schaltverzögerung kann zur Folge haben, dass der Laser den digitalen High-Zustand “überschießt”, sobald der Schwellenwert überwunden wird. Dies wird Kippschwingung genannt.
Mögliche Lösungen: Der Biasstrom ist zu erhöhen, bis der Boden der Wellenform sich aufwärts bewegt. Dies zeigt an, dass der digitale Low-Zustand über den Schwellenwert gehoben wurde. Das Überschwingen sollte sich drastisch vermindern, sobald der Schwellenwert auch im digitalen Low-Zustand überwunden ist.

Überschwinger (Bild 14)
Problembeschreibung: Die steigende Flanke schwingt über den digitalen High-Zustand. Die relative Amplitude des Überschwingers bleibt ungefähr konstant, auch wenn Bias- und Modulationsstrom verändert werden. Ein Nachschwingen ist nicht zu beobachten.
Mögliche Ursachen: steigende Flanke zu schnell oder als Pullup eingesetzte Ferritperlen haben eine außerordentlich hohe Güte.
Mögliche Lösungen: a) Einfügen eines Tiefpassfilters mit einer Grenzfrequenz von 75 % der Datenrate. Dies verringert sowohl steigende als auch fallende Flanken und dämpft das Überschwingen; b) ein niedrigerer Widerstandswert parallel zur Ferritperle (RP in Bild 11) verschlechtert die Güte; c) Anpassen des Serienwiderstandes RD in Bild 11.

Unterschwinger (Bild 15)
Problembeschreibung: Steigendeising und/oder fallende Flanken erreichen den High- bzw. Low-Zustand nicht in der ersten Hälfte des Bitintervalls.
Mögliche Ursachen: Zu hoch bedämpfte Ausgänge. In Bild 15 wurde das Unterschwingen durch einen Kondensator von 0,5 pF verursacht, der zwischen OUT+ und OUT- angebracht wurde, um ein Nachschwingen zu dämpfen.
Mögliche Lösungen: a) Wenn möglich, die Kapazität zwischen OUT+ und OUT- verringern; b) Reduzieren der Lastkapazität an OUT+; c) Reduzieren des Wertes des Serienwiderstandes (RD in Bild 11).

Überschwingen (Bild 16)
Problembeschreibung: Steigende und/oder fallende Flanken weisen Überschwinger auf ? relativ zu den korrekten Zuständen in einem bedämpften Bitmuster.
Mögliche Ursachen: Impedanzunregelmäßigkeiten, überhöhte Induktivitäten in der Schaltung, Resonanzeffekte in verwendeten Komponenten. In Bild 14 wurde das Überschwingen durch Entfernen der Parallelwiderstände zu den Ferritperlen verursacht (RP in Bild 11).
Mögliche Lösungen: a) Impedanzunregelmäßigkeiten sind soweit wie möglich zu vermeiden; b) Reduzieren von parasitären Induktivitäten durch Verkürzen der Leitungslängen zur Laserdiode; c) Erhöhen der Parallelwiderstände zu den Ferritperlen (RP in Bild 11); d) die Werte von RF und CF (siehe Bild 11) sind zu justieren, um parasitäre Effekte des Lasergehäuses auszugleichen.

Reflexionen (Bild 17)
Problembeschreibung: Reflexionen, hervorgerufen durch Impedanzunregelmäßigkeiten der Microstrip-Leitung, können sich als Überschwinger, Unterschwinger, Nachschwinger oder als andere Störungen im Augendiagramm bemerkbar machen. Ein Weg um herauszufinden ob Reflexionen die Ursache sind, ist die Herabsetzung der Bitrate, um die Zeitbasis im Oszilloskop zu erweitern wie in Bild 17.
Mögliche Ursachen: Impedanzunregelmäßigkeiten in der Schnittstellenschaltung.
Mögliche Lösungen: a) Wichtig ist eine so kurz wie möglich ausgeführte Verbindung zwischen Treiber und Laser; b) die Regeln zur Impedanzauslegung auf der Platine sind genauestens zu beachten; c) zum Aufspüren der Stellen, an denen Impedanzunregelmäßigkeiten auftreten, sollte ein Time Domain Reflectometer (TDR) herangezogen werden; danach Platinenlayout verbessern; d) die Werte der Komponenten für das Kompensationsnetzwerk (RF und CF in Bild 11) sind so anzupassen, um eine bessere Impedanzanpassung am Lastende der Microstrip-Leitung zu erreichen.

Doppellininenmuster
im Augendiagramm (Bild 18)
Problembeschreibung: Teile des Augendiagramms zeigen zwei unterschiedliche Linien. Dieser Doppellinieneffekt kann sich mit unterschiedlichen Datenmustern am Eingang verändern.
Mögliche Ursachen: Bitmusterabhängiger Jitter rührt von hohen Veränderungen in der Anzahl von aufeinanderfolgenden Bits her, die im NRZ-Datenstrom enthalten sind und die gegen die verfügbare Bandbreite arbeiten. Es gibt eine Anzahl von Bedingungen, die diesen Effekt verursachen. Die Störungen in Bild 18 wurden durch eine Erhöhung des Modulationsstroms bis zur Sättigung der Ausgangstransistoren verursacht, die somit in ihrer schnellen Schaltfähigkeit begrenzt wurden. Die herabgesetzte Schaltgeschwindigkeit begrenzt die Bandbreite während der steigenden Flanken.
Die Festlegung der niedrigeren 3-dB-Grenzfrequenz ist wichtig und muss so gesetzt werden, dass die tiefen Frequenzen der langen, aufeinanderfolgenden Bitströme passieren können (Bild 19) ? dadurch wird bitmusterabhängiger Jitter unterdrückt. Bitmusterabhängiger Jitter entsteht auch aufgrund nicht ausreichender, hochfrequenter Bandbreite (Bild 20). Falls die Verstärker nicht schnell genug sind, um komplette Umschaltvorgänge während Einzelbitmustern zu erlauben, oder falls die Verstärker eine zu langsame Einschwingzeit haben, kann hochfrequenter bitmusterabhängiger Jitter die Folge sein.
Mögliche Lösungen: a) Erhöhung des Kapazitätswertes des Wechselspannungs-Koppelkondensators (CD in Bild 11); b) Erhöhung des Widerstandswertes für den seriellen Dämpfungskondensator (RD in Bild 11); c) Erhöhung von VCC; d) Verkleinern des Modulationsstroms.

Asymmetrisches
Augendiagramm (Bild 21)
Problembeschreibung: Die Anstiegszeit unterscheidet sich deutlich von der Abfallzeit (wie in Bild 21) und/oder die Nulldurchgänge des Augendiagramms befinden sich nicht in Diagrammmitte (Pulsbreitenstörung).
Mögliche Ursachen: Asymmetrische Anstiegs- und Abfallzeiten können ihre Ursache in unterschiedlichen Strompfaden während der Anstiegs- und Abfallzeit haben. Dies geschieht, weil jeder Pfad seine eigenen Lade- bzw. Entladecharakteristik hat. Eine Pulsbreitenstörung ergibt sich, wenn der Mittelpunktdurchgang eines 0-1-Übergangs und eines 1-0-Übergangs aufgrund von Gleichspannungs-Offsets nicht auf der gleichen Höhe auftreten (Bild 22).
Ungleiche Flankengeschwindigkeiten bei fallenden und steigenden Flanken sowie Gleichspannungsoffsets führen jeweils zu asymmetrischen Augendiagrammen.
Mögliche Lösungen: a) jegliche Störungen, die bereits dem Datenstrom am Eingang des Treibers anhaften, sind zu vermeiden. Ein möglicher Weg ist es, die Daten einzutakten und zu latchen; b) Einsatz eines Lasers mit identischen Anstiegs- und Abfallzeiten; c) die Werte der Dämpfungswiderstände (RP und RD in Bild 11) sind anzupassen; d) die schnelle Flanke kann mit einem Tiefpassfilter etwas “gebremst” werden ? dessen Grenzfrequenz sollte 75 % der Datenrate betragen.

Maxim Integrated Products
Tel. (0800) 29-5954
freesamples.gmbh@maxim-ic.com
http://www.maxim-ic.com