DE19518929A1 - Laser driver circuit - Google Patents
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Abstract
Description
Moderne Lasertreiber müssen in der Lage sein, große Ströme mit hohen Datenraten in ein 50-Ohm-Lasermodul zu treiben. Bei hohen Datenraten, etwa im Gigabaudbereich, kann allerdings das Lasermodul nicht als ideale 50-Ohm-Last behandelt werden: Impulse, die auf einer 50-Ohm-Leitung zum Modul laufen, wer den dann am Lasermodul merklich reflektiert und laufen zum Lasertreiber zurück. Besitzt auch der Lasertreiber keinen idealen 50-Ohm-Ausgang, so wird der rücklaufende Impuls sei nerseits reflektiert und überlagert sich den im Lasertreiber erzeugten Impulsen. Folgen dieses Effektes sind stärkeres Überschwingen und größerer Jitter der Datenimpulse [IEEE J. Solid-State Circuits 25 (1990)3, 763 . . . 766]. Um dies zu ver meiden, ist ein möglichst gut an die 50-Ohm-Leitung angepaß ter Ausgang des Lasertreibers anzustreben.Modern laser drivers must be able to handle large currents to drive into a 50-ohm laser module with high data rates. At high data rates, for example in the gigabaud range, can the laser module is not treated as an ideal 50-ohm load: Pulses that run on a 50-ohm line to the module, who which is then noticeably reflected on the laser module and runs to the Laser driver back. The laser driver also does not have one ideal 50-ohm output, so will be the returning pulse on the other hand, it reflects and overlaps that in the laser driver generated pulses. The consequences of this effect are stronger Overshoot and larger jitter of data pulses [IEEE J. Solid-State Circuits 25 (1990) 3, 763. . . 766]. To ver this avoid, is a well matched to the 50-ohm line to aim for the output of the laser driver.
Hauptursache für einen hohen Reflexionsfaktor eines Laser treibers ist die Kollektorkapazität des Treibertransistors. Um hohe Ströme treiben zu können, müssen die Ausgangstransi storen groß ausgelegt werden, was mit großen Kollektorkapa zitäten verbunden ist und damit einen bei hohen Frequenzen sich störend bemerkbar machenden Ausgangsreflexionsfaktor zur Folge hat. So kann beispielsweise bei einer typischen Aus gangskapazität von 1 pF und einem chipinternen ohmschen Ab schlußwiderstand von 50 Ohm der Betrag des Reflexionsfaktors bei einer Frequenz von 3,7 GHz den Wert 0,5 annehmen.The main cause of a high reflection factor of a laser driver is the collector capacity of the driver transistor. In order to be able to drive high currents, the output transis can be designed large, what with large collector's capa is connected with one another at high frequencies disturbing noticeable output reflection factor Consequence. For example, with a typical out output capacity of 1 pF and an on-chip ohmic Ab termination resistance of 50 ohms the amount of the reflection factor assume the value 0.5 at a frequency of 3.7 GHz.
Um den Ausgangsreflexionsfaktor bei Treibern für hohe Daten raten und große Ströme zu reduzieren, wird zuweilen ein Se rienwiderstand in den Ausgangszweig des Treibers gelegt; da durch wird allerdings der interne Hub der Transistoren ver größert (im Extremfall verdoppelt), so daß Probleme mit der Spannungsfestigkeit der Transistoren entstehen. Man kann auch die Leitungslänge zwischen Lasertreiber und Lasermodul im Hinblick auf die Datenrate so abgleichen, daß sich Mehrfach reflexionen möglichst wenig auswirken. Nachteil sind hierbei die Abhängigkeit der Leitungslänge von der Bitrate und der kritische Leitungsabgleich als solcher.The output reflection factor for drivers for high data guessing and reducing large currents sometimes becomes a se series resistance placed in the output branch of the driver; there however, the internal stroke of the transistors is ver enlarged (doubled in extreme cases), so that problems with the Dielectric strength of the transistors arise. One can also the cable length between the laser driver and the laser module in the Adjust in terms of the data rate so that there are multiple impact reflections as little as possible. Disadvantages are the dependence of the line length on the bit rate and the critical line alignment as such.
Die Erfindung geht demgegenüber einen anderen Weg, um bei ei ner Lasertreiberschaltung eine unzulässige Verschlechterung des Reflexionsfaktors zu vermeiden.In contrast, the invention takes a different approach to egg ner laser driver circuit an impermissible deterioration to avoid the reflection factor.
Dazu wird erfindungsgemäß die Lasertreiberschaltung als mono lithisch integrierter Kettenverstärker mit n ausgangsseitig in den n Querzweigen eines - beiderseits (intern und durch die externe Last) zumindest angenähert mit dem jeweiligen Wellenwiderstand abgeschlossenen - Tiefpaßkettenleiters lie genden, jeweils für einen (vorzugsweise n-ten) Teil des durch die beiden Kettenleiterabschlüsse insgesamt fließenden Ge samtstroms ausgelegten Treiberstufen ausgebildet, deren pa rasitäre Ausgangstransistor-Kapazitäten Querkapazitäten des Tiefpaßkettenleiters bilden; die Längsinduktivitäten des Tiefpaßkettenleiters können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung durch Bondinduktivitäten gebildet sein, über die die Ausgänge der einzelnen Treiberstufen miteinander bzw. mit den beiderseitigen Abschlüssen des Tiefpaßkettenleiters, d. h. dem internen Abschluß sowie dem Ausgang zur Last, verbunden sind.For this purpose, according to the invention, the laser driver circuit is mono lithically integrated chain amplifier with n output side in the n transverse branches of one - on both sides (internally and through the external load) at least approximates the respective one Characteristic impedance closed - low-pass chain conductor lie end, each for a (preferably nth) part of the the two chain ladder ends total flowing Ge designed with the current of the driver stages, the pa racy output transistor capacities cross capacitance of the Form low-pass chain ladder; the longitudinal inductances of the Low pass chain ladder can in a further embodiment Invention be formed by bond inductors over the the outputs of the individual driver stages with each other or with the mutual ends of the low-pass chain ladder, d. H. the internal termination and the output to the load are.
Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß der Einsatz von Ketten verstärkern als Breitbandverstärker mit besonders breiten Übertragungsfrequenzbereichen in diskreten Aufbauten [siehe z. B. Zinke, Brunswig: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Ber lin/Göttingen/Heidelberg/New York 1965, Seiten 363-367; Philippow: Taschenbuch Elektrotechnik, Band 3, Berlin 1969, Seiten 586-587] oder auch in monolithisch integrierten GaAs-Mikrowellenschaltungen [IEEE 10th Annual GaAs IC Sympo sium Technical Digest 1988, pp. 109-111]) bekannt ist. Nähere Berührungspunkte mit Lasertreibern in integrierten Siliziumschaltungen sind nicht gegeben. It should be noted at this point that the use of chains amplify as a broadband amplifier with particularly wide Transmission frequency ranges in discrete structures [see e.g. B. Zinke, Brunswig: Textbook of high frequency technology, Ber lin / Göttingen / Heidelberg / New York 1965, pages 363-367; Philippow: Taschenbuch Elektrotechnik, Volume 3, Berlin 1969, Pages 586-587] or also in monolithically integrated GaAs microwave circuits [IEEE 10th Annual GaAs IC Sympo sium Technical Digest 1988, pp. 109-111]) is known. Closer points of contact with laser drivers in integrated Silicon circuits are not available.
Die Erfindung bringt den Vorteil eines in einem breiten Fre quenzbereich sehr niedrigen Reflexionsfaktors des Lasertrei bers mit sich.The invention has the advantage of a wide range very low reflection factor of the laser range bers with himself.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die einzelnen Treiberstufen mit einer der jeweiligen Signallaufzeit bis zu der betreffenden Treiberstufe entsprechenden Verzögerung an gesteuert werden; es ist aber auch möglich, daß die einzelnen Treiberstufen der jeweiligen Signallaufzeit bis zu der be treffenden Treiberstufe hin entsprechend unterschiedliche in nere Signallaufzeiten aufweisen.In a further embodiment of the invention, the individual Driver stages with a respective signal runtime up to corresponding delay to the driver stage concerned being controlled; but it is also possible that the individual Driver stages of the respective signal runtime up to the be corresponding driver level correspondingly different in have longer signal propagation times.
Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus der nachfol genden näheren Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnun gen ersichtlich. Dabei zeigtFurther special features of the invention will become apparent from the following ing closer explanation of the invention with reference to the drawing gene visible. It shows
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer zweistufigen Lasertreiber schaltung in Form einer Kettenverstärkerschaltung und Fig. 1 is a schematic diagram of a two-stage laser driver circuit in the form of a chain amplifier circuit and
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer solchen zweistufigen Laser treiberschaltung; Fig. 2 is a block diagram of such a two-stage laser driver circuit;
Fig. 3 verdeutlicht den Verlauf ihres Ausgangsreflexionsfaktors. Fig. 3 illustrates the course of its output reflection factor .
In Fig. 1 ist schematisch eine Lasertreiberschaltung darge stellt, bei der eine mit einer Ausgangstransistorkapazität behaftete Transistorstromquelle nach dem Prinzip des Ketten verstärkers in zwei Hälften J1, J2 geteilt ist und deren nun mehr zwei halbe Ausgangstransistorkapazitäten C1, C2 in einer LC-Leitung L01, C1, L12, C2, L2a in Kette geschaltet sind. Gegenüber der mit der Ausgangstransistorkapazität C1 behafte ten Stromquelle J1 gibt dabei die mit der Ausgangstransistor kapazität C2 behaftete Transistorstromquelle J2 ihren Strom um die Gruppenlaufzeit vom Schaltungsknoten N1 zum Schal tungsknoten N2 verzögert ab, so daß sich die Teilwellen der beiden Ströme am Schaltungsknoten N2 phasenrichtig addieren. Die Induktivitäten L01, L12, L2a können einem gewünschten WellenwiderstandIn Fig. 1, a laser driver circuit is schematically Darge, in which a transistor current source with an output transistor capacitance is divided according to the principle of the chain amplifier in two halves J1, J2 and the more two half output transistor capacitances C1, C2 in an LC line L01, C1, L12, C2, L2a are connected in a chain. Compared to the current transistor J1 afflicted with the output transistor capacitance C1, the transistor current source J2 afflicted with the output transistor capacitance C2 outputs its current with a delay of the group delay from the circuit node N1 to the circuit node N2, so that the partial waves of the two currents add up in phase at the circuit node N2. The inductors L01, L12, L2a can have a desired characteristic impedance
von beispielsweise 50 Ω entsprechend mitof 50 Ω, for example With
dimensioniert sein, wobei die LC-Kette intern, d. h. auf der linken Seite, mit einem ohmschen Widerstand R0 von der Größe des Wellenwiderstands W der LC-Kette L01, C1, L12, C2, L2a abge schlossen ist; die am Treiberausgang a′, a′′ wirksame Ausgangs impedanz Ra ist dann bis zur Grenzfrequenz des LC-Tiefpasses L01, C1, L12, C2, L2a näherungsweise gleich dem Wellenwider stand von im Beispiel 50 Ω. Ein 50-Ω-Lasermodul M₅₀ ist dann über eine Leitung L₅₀ mit einem Wellenwiderstand von im Bei spiel 50 Ω weitgehend reflexionsfrei mit dem Treiberausgang a′, a′′ verbunden.be dimensioned, the LC chain internally, i. H. on the left Side, with an ohmic resistance R0 the size of the Wave resistance W of the LC chain L01, C1, L12, C2, L2a abge is closed; the output effective at driver output a ′, a ′ ′ Impedance Ra is then up to the cutoff frequency of the LC low pass L01, C1, L12, C2, L2a approximately equal to the wave resistance stood at 50 Ω in the example. A 50 Ω laser module M₅₀ is then over a line L₅₀ with a characteristic impedance of in play 50 Ω largely reflection-free with the driver output a ′, a ′ ′ connected.
Um den gleichen Spannungshub am Treiberausgang a′, a′′ schon mit niedrigeren Strömen der Stromquellen J1, J2 zu erzielen, kann, in Abweichung von der im vorstehenden erläuterten Di mensionierung und unter Inkaufnahme einer gewissen Fehlanpas sung, der Kettenverstärker-Lasertreiber intern auch mit einem Widerstand R0 abgeschlossen werden, der größer als die gemäß Fig. 1 durch die Leitung L₅₀ und das Lasermodul M₅₀ gebildete Last des Lasertreibers ist. In der LC-Tiefpaßkette kann dann eine schrittweise Anpassung von einem mit der Last von im Beispiel 50 Ω zumindest angenähert angepaßt abgeschlossenen Ausgangswiderstand Ra an den internen Abschlußwiderstand R0 von beispielsweise 100 Ω bewirkt werden, wozu man den Wert des QuotientenIn order to achieve the same voltage swing at the driver output a ', a''with lower currents from the current sources J1, J2, the chain amplifier laser driver can also be used internally, in deviation from the dimensioning explained above and accepting a certain mismatch a resistor R0 to be completed, which is greater than the load of the laser driver formed by the line L₅₀ and the laser module M₅₀ as shown in FIG. 1. In the LC low-pass chain, a gradual adaptation of an output resistance Ra terminated with the load of at least 50 Ω in the example to the internal terminating resistance R0 of, for example, 100 Ω can then be effected, for which purpose the value of the quotient
der einzelnen LC-Glieder (L2a, (1-p)·C2; p·C2, (1-q)·L12; q·L12, (1-r)·C1; r·C1, L01; worin p, q, r jeweils kleiner als 1 sind) vom Ausgang a′, a′′ zurückschrei tend, schrittweise von (im Beispiel) ca. 50 Ω auf ca. 100 Ω erhöhen kann, indem die Ausgangstransistoren der Verstärker stufen (J2, J1) und damit ihre Kollektorkapazitäten vom Aus gang a′, a′′ zurückschreitend entsprechend verkleinert werden.of the individual LC elements (L2a, (1-p) · C2; p · C2, (1-q) · L12; q · L12, (1-r) · C1; r · C1, L01; where p, q, r are smaller than 1) from the exit a ′, a ′ ′ tend, gradually from (in the example) approx. 50 Ω to approx. 100 Ω can increase by the output transistors of the amplifier levels (J2, J1) and thus their collector capacities from the outside corridor a ′, a ′ ′ can be reduced accordingly.
Ein weitere schaltungstechnische Einzelheiten zeigendes Block schaltbild einer solchen als monolithisch integrierter Ketten verstärker ausgebildeten Lasertreiberschaltung gemäß der Er findung ist in Fig. 2 dargestellt. Gemäß Fig. 2 sind auf einem Chip Ch zwei Transistor-Verstärkerstufen J1, J2 vorgesehen, die jeweils für den halben durch die beiden Kettenleiterab schlüsse (R0; L₅₀-M₅₀) insgesamt fließenden Gesamtstroms aus gelegt sind. Die parasitären Kapazitäten der Ausgangstransi storen der beiden Verstärkerstufen J1, J2 sind in Fig. 2 mit C1 und C2 angedeutet. Mit Bondinduktivitäten L01, L12 und L2a werden die Verstärkerausgänge mit dem Treiber-Abschlußwider stand R0, miteinander und mit der Ausgangsleitung L₅₀ verbun den.Another circuit-technical details showing block diagram of such a laser driver circuit designed as a monolithically integrated chain amplifier according to the invention is shown in FIG. 2. Referring to FIG. 2, two transistor amplifier stages J1, J2 are provided on a chip Ch, each for half by the two connections Kettenleiterab; total flowing (R0 L₅₀-M₅₀) the total current from are laid. The parasitic capacitances of the output transistors of the two amplifier stages J1, J2 are indicated in Fig. 2 with C1 and C2. With bond inductances L01, L12 and L2a, the amplifier outputs with the driver terminating resistor R0 were connected to each other and to the output line L₅₀.
Von zwei Eingangsklemmen IN, IN_ her wird das differentielle Eingangssignal über Leistungsteiler den beiden Verstärker stufen J1 und J2 des in Fig. 2 skizzierten Lasertreibers zuge führt; über die Bondinduktivitäten L01, L12, L2a werden die Signale ausgekoppelt (und im Falle der Bondinduktivität L12 auch wieder eingekoppelt).From two input terminals IN, IN_ forth, the differential input signal is supplied via power dividers to the two amplifier stages J1 and J2 of the laser driver outlined in FIG. 2; The signals are coupled out via the bond inductances L01, L12, L2a (and also coupled in again in the case of the bond inductance L12).
Die Verzögerung der Verstärkerstufe J2 gegenüber der Ver stärkerstufe J1 kann, wie dies auch in Fig. 2 angedeutet ist, mit Hilfe einer entsprechend verzögerten Ansteuerung der Ver stärkerstufe J2 über eine Verzögerungs-Doppelleitung VL auf dem Keramiksubstrat des Lasertreiber-Chips Ch mit einer Lauf zeit von im Beispiel 22 ps bewirkt werden.The delay of the amplifier stage J2 compared to the amplifier stage J1 can, as is also indicated in FIG. 2, with the aid of a correspondingly delayed control of the amplifier stage J2 via a delay double line VL on the ceramic substrate of the laser driver chip Ch with a running time of 22 ps in the example.
Es ist aber auch möglich, daß die Treiberstufen J1, J2 - ggf. der Signallaufzeit bis zur Treiberstufe J2 entsprechend - un terschiedliche innere Signallaufzeiten aufweisen, so daß es dann insoweit keiner verzögerten Ansteuerung der Treiberstufe J2 bedarf.But it is also possible that the driver stages J1, J2 - if necessary corresponding to the signal runtime up to driver level J2 - un have different internal signal propagation times, so that it then no delayed activation of the driver stage J2 required.
Der vom Prinzip des Kettenverstärkers Gebrauch machende, bei spielsweise in Siemens-B6HF-Bipolartechnologie implementierte Lasertreiber weist in einem breiten Frequenzbereich einen ganz wesentlich geringeren Ausgangsreflexionsfaktor auf als ein gewöhnlicher Lasertreiber. Dies verdeutlicht Fig. 3, in der in Kurve 1 über der Frequenz der Ausgangsreflexionsfaktor eines gewöhnlichen Lasertreibers mit einer Ausgangstransi storkapazität von ca. 1 pF dargestellt ist und in Kurve 2 der Ausgangsreflexionsfaktor eines vom Prinzip des Kettenverstär kers Gebrauch machenden zweistufigen Lasertreibers mit einer Ausgangstransistorkapazität von dann 2 · 0,5 pF. Man erkennt, daß der Kettenverstärker-Lasertreiber entscheidende Vorteile gegenüber dem gewöhnlichen Lasertreiber aufweist.The laser driver, which uses the principle of the chain amplifier and is implemented, for example, in Siemens B6HF bipolar technology, has a significantly lower output reflection factor than a conventional laser driver in a wide frequency range. This is illustrated in FIG. 3, in which the output reflection factor of an ordinary laser driver with an output transistor capacity of approximately 1 pF is shown in curve 1 versus frequency and in curve 2 the output reflection factor of a two-stage laser driver using the principle of the chain amplifier with an output transistor capacity of then 2 x 0.5 pF. It can be seen that the chain amplifier laser driver has decisive advantages over the conventional laser driver.
Abschließend sei noch bemerkt, daß die Erfindung nicht auf eine zweistufige Kettenverstärker-Lasertreiberschaltung be schränkt ist, daß die Lasertreiberschaltung gemäß der Erfin dung vielmehr ganz allgemein als monolithisch integrierter Kettenverstärker mit n ausgangsseitig in den n Querzweigen eines - beiderseits zumindest angenähert mit seinem Wellen widerstand abgeschlossenen - Tiefpaßkettenleiters liegenden, jeweils für den n-ten Teil des Gesamtstroms ausgelegten Trei berstufen ausgebildet sein kann, deren parasitäre Ausgangs transistor-Kapazitäten die Querkapazitäten des Tiefpaßketten leiters bilden. Dies bedarf hier indessen keiner weiteren Er läuterungen, da das zum Verständnis der Erfindung nicht mehr erforderlich ist.Finally, it should be noted that the invention is not based on a two-stage chain amplifier laser driver circuit be is limited that the laser driver circuit according to the Erfin rather in general as a monolithically integrated Chain amplifier with n output side in the n cross branches one - on both sides at least approximately with its waves resistance completed - low-pass chain conductor lying, each designed for the nth part of the total current can be formed, their parasitic output transistor capacitance the cross capacitance of the low pass chain form head. However, this does not require any further He clarifications, since this is no longer necessary to understand the invention is required.
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