设计目标

设计具有成本效益、高效、小型、具有竞争力的电路来整合 AMC60704 电源轨，用于偏置电流输出数模转换器 (IDAC) 和电压输出数模转换器 (VDAC)。

设计说明

此电路设计创造了一种方法，允许一个 3.3V 主电源为多个 AMC60704 输入供电。重要的电源是 PVDD，其为电吸收调制激光器 (EML) 中偏置激光器的 IDAC 供电。另一个重要电源是 VSS，这是为负范围内的 VDAC 供电的输入，因为 VSS 用于偏置 EML 中的电吸收调制器 (EAM)。

通过将直流/直流转换器放置在 PVDD 和 VSS 电源轨上，设计人员可以提供 3.3V 电源，而转换器可以逐步降低输入电压并将其反转至 PVDD 和 VSS 范围内所需的值。推荐的 TPS6285A 和 LM27761 器件是小型、低成本且高效的直流/直流转换器，可对 PVDD 和 VSS 的输入电压进行逐步降低和反转。该设计可用于 400G 的光学模块应用。此外，可以创建 800G 设计，但 800G 设计需要额外的 AMC60704 和 LM27761 器件。

应用方框图

设计说明

1. 该设计侧重于 EML 应用，从而 VCC 正电源轨接地。
2. 此设计可以在 400G 应用中使用。此外，可以创建 800G 设计，但 800G 设计需要额外的 AMC60704 和 LM27761。
3. 为了在 EML 应用中偏置 VDAC，VSS 电源轨的工作电压范围为 –2.5V 至 –5.5V。此电路设计使用 –3.3V 电源为 VDAC 供电。
4. AMC60704 有四个 VDAC 通道，每个通道都能产生 50mA 输出。在 400G 应用中，会使用所有 4 个通道。此电路设计使用全部四个 VDAC 通道。
5. LM27761 的最大输出电流为 250mA，可配置输出范围为 –1.5V 至 –5V，这让此器件非常适合 VSS 电源轨。下图 展示了典型的 LM27761 原理图。
   LM27761
6. 可从外部配置 LM27761 的输出电压。R₁ 和 R₂ 的值确定了输出电压设置。使用 方程式 计算输出电压。R₂ 的值不得小于 50kΩ。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=-1.22\mathrm{V}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\right)$
   • 此设计在 –2.85V VSS 下运行，因此 R₁ = 30.1kΩ 且 R₂ = 39kΩ，以便为电流源留出足够的余量。
7. 可以使用不同的输出电容值来降低电荷泵纹波、缩小设计尺寸或降低设计成本。在典型应用中，建议使用 4.7µF 低 ESR 陶瓷电荷泵输出电容器 (C₃)。
8. 增加输入电容会使输入电压纹波成比例降低。输入电压、输出电流和飞跨电容也会在一定程度上影响输入纹波电平。建议在输入端使用 4.7µF 低 ESR 陶瓷电容器。
9. 飞跨电容器可影响输出电流能力和纹波幅度。在典型的大电流应用中，建议将 0.47µF 或 1µF 10V 低 ESR 陶瓷电容器用于飞跨电容器。
10. LDO 输出电容器 (C₄) 值和 ESR 会影响稳定性、输出纹波、输出噪声、PSRR 和瞬态响应。LM27761 只需使用 2.2µF 陶瓷输出电容器即可实现稳定运行。
11. 为了在 EML 应用中偏置 IDAC，PVDD 电源轨的工作电压范围为 1.5V 至 2.2V。此电路设计使用 1.8V 电源为 IDAC 供电。
12. AMC6V704 有四个 IDAC 通道，每个通道都有一个 200mA 满量程输出。IDAC 的最大输出电流为 800mA。
13. 本设计选用 TPS62825A 的原因在于该器件的最大输出电流为 2A，且可调输出电压范围为 0.6V 至 4V。这些转换器保持连续的导通模式运行，并在整个负载范围内保持极低的输出电压纹波。下图 展示了典型的 TPS62825A 原理图。
    TPS62825A 原理图
14. 使用以下公式设置 TPS62825A 上的输出电压。
    $\mathrm{R}1=\mathrm{R}2\times (\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{F}\mathrm{B}}}-1)$
    其中
    • V_FB 为 0.6V
15. R₂ 必须高于 100kΩ，以便在轻负载下实现高效率，同时提供可接受的噪声灵敏度。以下公式显示了如何针对给定的 R₂ 值计算前馈电容器 C₃ 的值。对于建议的 100kΩ R₂ 值，使用了 120pF 前馈电容器。
    ${\mathrm{C}}_3=\frac{12\mathrm{\mu }}{{\mathrm{R}}_2}$
16. 考虑到直流偏置降额电容，TPS62825A 的最小有效输出电容 C₂ 为 10µF。
17. 必须存在 3µF 的最小有效输入电容 C₁，但较大的值会降低输入电流纹波。TPS62825A 使用了 4.7µF 输入电容器。
18. 将 TPS62825A 添加到系统中后，IDAC 的功率耗散现在是 TPS62825A 输出电压和电流输出、PVDD 电源电压、电流输出和 IDAC 引脚电压的函数。使用此公式计算功率耗散。V_HEADROOM 电压计算为 PVDD 和 V_IDACx 之间的差值。
    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. 通过将 PVDD 电源和 V_IDAC 之间的电压差 V_HEADROOM 最小化，可以降低功率耗散。最小 PVDD 为 1.5V。
    2. 可使用以下公式计算输出负载。
       $\mathrm{L}\mathrm{O}\mathrm{A}\mathrm{D}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}}}$
20. 封装尺寸比较 显示了此设计中使用的产品。之前讨论了如何选择关键无源元件。有关详尽信息，请参阅产品数据表。由于光学模块内的高通道密度，此设计的关键要求是采用小封装尺寸。下图 显示了封装尺寸的比较。
    封装尺寸比较
21. 为了在该市场中展开竞争，此设计针对集成器件创建了一种低成本解决方案。

设计测量

测试 1：电源斜升响应

电源斜升响应 显示了电源斜升响应测试设置和测试点。

电源斜升响应

电源斜升响应 图显示了系统中的电源发生上电触发后所需的响应时间。Tektronix TBS 2000B 示波器用于探测每个电源输入，以测量此测试的斜升。

电源斜升响应

测试 2：系统功率效率与 IDAC 之间的关系

此效率测试将 TPS62825A 输入电源的功率耗散对照 4.99Ω 负载下 IDAC 的功率耗散进行衡量。随着 IDAC 代码的变化，IDAC 的输出以及输入功率也会发生变化。IDAC 测试设置 显示了此测试的设置。

IDAC 测试设置

IDAC 效率与 IDAC 输出之间的关系

IDAC 功率与 IDAC 输出之间的关系

IDAC 系统功率与 IDAC 输出之间的关系

测试 3：系统功率效率与 VDAC 之间的关系

该测试显示了 LM27761 输入功率和 VDAC 输出的功率耗散。下图 显示了设置和测试点。在电流测量配置中使用 DMM，测量 LM27761 的输入电流，由此可计算系统功率。通过更改 VDAC 代码，VDAC 的输出以及系统电流都会发生变化。通过在输出端放置一个负载电阻器，可以计算流经负载的电流。在 -2.5V 的满量程电压输出下，最大输出电流为 50mA，最大电阻负载为 50Ω。

VDAC 测试设置

VDAC 效率与 VDAC 电流驱动输出间的关系

VDAC 系统功率与 VDAC 电流驱动输出间的关系

VDAC 系统功率与负载功率之间的关系

设计中采用的器件

其他资源

• 德州仪器 (TI)，TPS6282xAEVM-126 评估模块用户指南
• 德州仪器 (TI)，LM27761EVM 用户指南
• 德州仪器 (TI)，利用低噪声电荷泵轻松产生负电压技术文章
• 德州仪器 (TI)，AMC6V704 评估模块用户指南
• 德州仪器 (TI)，AMC6V704 具有电流和电压输出 DAC 和多通道 ADC 的 4 通道光学监测器和控制器数据表
• 德州仪器 (TI)，AMC6V704EVM 评估板工具页面

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