วงจรอิเล็กทรอนิกส์ของโมดูล: ไดรเวอร์, TIA/LA, DSP, ตัวควบคุม และภาคจ่ายไฟ

เบื้องหลังชุดประกอบย่อยเชิงแสงทั้งสองชุดคือแผงวงจรขนาดเล็กที่ทำหน้าที่ทุกอย่างที่เหลือ ได้แก่ แปลงบิตไฟฟ้าจากโฮสต์ให้เป็นกระแสเลเซอร์ แปลงกระแสโฟโตกลับเป็นข้อมูลที่สะอาด รักษาเลเซอร์ให้มีกำลังคงที่ตลอดช่วงอุณหภูมิและอายุการใช้งาน วัดค่าและรายงานผล ทำตามพินความเร็วต่ำ และทำงานอยู่ภายในงบประมาณไฟเลี้ยงที่เข้มงวด หน้านี้ไล่ดูบอร์ดทีละบล็อก และเชื่อมโยงแต่ละบล็อกเข้ากับสิ่งที่คุณเห็นจากภายนอก ได้แก่ พิน, ไบต์หน่วยความจำ และค่า DDM

แผนภาพบล็อก

                    ┌─────────────── module PCB ───────────────┐
host Tx lanes ──►  CDR / DSP ──► laser DRIVER ──► TOSA (laser + MPD)  ──► fibre
                    (retime,       (bias +           │
                     equalise,      modulation)      │ monitor current
                     gearbox)                        ▼
                                              ┌── MCU ───┐  ◄── I²C (SCL/SDA)
                                              │ APC loop │  ◄── TX_DISABLE, RS0/1, LPMode…
                                              │ ADC/DDM  │  ──► TX_FAULT, RX_LOS, IntL
                                              │ memory   │
                                              └──────────┘
host Rx lanes ◄──  CDR / DSP ◄── LA / linear amp ◄── TIA ◄── ROSA (PD)  ◄── fibre
                                                                 │
power 3.3 V ──► inrush limiter ──► LDO / DC-DC (1.8 V, 1.2 V, 0.9 V …) ──► every block

ส่วนเชิงแสง: TOSA, ROSA, BOSA บล็อกสัญญาณนาฬิกา: CDR รายละเอียดเชิงลึกของ DSP: การมอดูเลตและ DSP

ไดรเวอร์เลเซอร์

ฟังก์ชัน	วิธีการ	สิ่งที่คุณเห็น
กระแสไบอัส — รักษาเลเซอร์ให้อยู่เหนือค่าเกณฑ์	แหล่งกระแสที่ควบคุมได้ กำหนดค่าโดยลูป APC ของ MCU	ไบอัส Tx ใน DDM เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิและอายุการใช้งาน (ไบอัส Tx และการเสื่อมสภาพ)
กระแสมอดูเลชัน — เลขหนึ่งและเลขศูนย์	สวิตช์กระแสความเร็วสูง (NRZ) หรือไดรเวอร์แบบหลายระดับ (PAM4); สวิงกระแส 20–80 mA บน DFB 10G, ไม่กี่ mA บน VCSEL	อัตราส่วนการดับแสง; ไม่ปรากฏใน DDM
การขับ EML	สวิงแรงดันไฟฟ้า 1.5–2.5 V คร่อมตัวมอดูเลเตอร์ แทนที่จะเป็นกระแสเข้าเลเซอร์	โมดูล EML: ฟิลด์ไบอัสเป็นของส่วน DFB เท่านั้น
พรีเอมฟาซิส/ดีเอมฟาซิส, การปรับรูปตา	โปรแกรมได้โดยผู้ผลิตในขั้นตอนการผลิต	ความสอดคล้องกับมาสก์ตา
TX_DISABLE	พิน (หรือบิตซอฟต์) ปิดกั้นเอาต์พุตสเตจของไดรเวอร์; ปิดภายใน ~10 µs เปิดภายใน 1 ms	กำลัง Tx ลดลงถึงพื้น
TX_FAULT	ไดรเวอร์ตรวจพบกระแสเกิน เลเซอร์ขาดวงจร หรือ APC ล้มเหลว แล้วยกแฟล็กขึ้น; โฮสต์พัลส์ TX_DISABLE เพื่อรีเซ็ต	เหตุขัดข้องที่ถูกล็อกค้างไว้ที่ฝั่งโฮสต์ — ความล้มเหลว

สายสัญญาณตัวรับ: TIA และ LA

บล็อก	หน้าที่	พารามิเตอร์สำคัญ
TIA (ตัวขยายทรานส์อิมพีแดนซ์)	แปลงกระแสโฟโตไดโอด (µA) เป็นแรงดันไฟฟ้า (mV); มักติดตั้งอยู่ภายใน ROSA ห่างจากโฟโตไดโอดไม่กี่มิลลิเมตรเพื่อให้สัญญาณรบกวนต่ำ	ทรานส์อิมพีแดนซ์ (kΩ), สัญญาณรบกวนอินพุต (กำหนดความไว), แบนด์วิดท์ ≈ 0.7 × อัตราสัญลักษณ์; ใน PAM4 ใช้ TIA แบบเชิงเส้นร่วมกับ AGC เพื่อให้ทั้งสี่ระดับยังคงแยกออกจากกันได้
LA (ตัวขยายแบบจำกัด) — NRZ	ปรับเอาต์พุตของ TIA ให้เป็นระดับดิจิทัลคงที่ไม่ว่าแอมพลิจูดอินพุตจะเป็นเท่าใด; มีตัวเปรียบเทียบตรวจจับสัญญาณอยู่ภายใน	ค่าเกณฑ์ assert/de-assert ของ LOS (ฮิสเทอรีซิส ~2 dB) → พินและไบต์ RX_LOS
ตัวขยายเชิงเส้น + ADC — PAM4	ส่งสำเนารูปคลื่นที่ตรงตามจริงให้ DSP	ENOB, แบนด์วิดท์
ตัวตรวจติดตาม Rx	สำเนาของกระแสโฟโตเฉลี่ย ถูกแปลงเป็นดิจิทัลโดย MCU	กำลัง Rx ใน DDM — ค่า DDM ที่น่าเชื่อถือที่สุด (ความแม่นยำและขีดจำกัด)

สิ่งที่โฟโตไดโอดเองมีส่วนสร้าง: ตัวรับ

การรีไทม์และการประมวลผลสัญญาณ

CDR/รีไทเมอร์ — กู้คืนสัญญาณนาฬิกาและปรับจังหวะเวลาข้อมูลใหม่ที่ฝั่งใดฝั่งหนึ่งหรือทั้งสองฝั่ง พบใน SFP+ (ฝั่งโฮสต์), SFP28/QSFP28 (ทั้งสองฝั่ง) มีตัวเลือกให้บายพาสได้ (CDR)
DSP — ในโมดูล PAM4 มาแทนที่คู่ LA/CDR ด้วย ADC → อีควอไลเซอร์ → การตัดสินใจ → DAC และยังทำหน้าที่เกียร์บอกซ์ (8 เลนฝั่งโฮสต์ที่ 50G ↔ 4 เลนฝั่งสื่อที่ 100G) รวมถึง FEC ในโมดูลโคฮีเรนต์ เป็นชิปที่กินกำลังไฟมากที่สุดบนบอร์ด (3–6 W ในโมดูล 400G) — การมอดูเลตและ DSP
การออกแบบแบบเชิงเส้น (LPO) ตัด DSP ออกไปและปล่อยให้ SerDes ของโฮสต์ทำอีควอไลซ์เอง โมดูลจึงเหลือเพียงไดรเวอร์ + TIA เท่านั้น

ไมโครคอนโทรลเลอร์

MCU เป็นตัวควบคุมการทำงานของโมดูล: สุ่มตัวอย่างอุณหภูมิ, Vcc, ไบอัส, ตัวตรวจติดตาม Tx และ Rx ผ่าน ADC แล้วแปลงค่าด้วยการสอบเทียบจากโรงงาน; รันลูปควบคุม APC และ TEC ในกรณีที่มี; เทียบกับค่าเกณฑ์แล้วยกแฟล็กและ IntL ขึ้น; ตอบสนองบัสสองสาย โดยจำลองแผนผังหน่วยความจำพร้อมเพจและแบงก์ของมัน; บังคับใช้รหัสผ่านและการป้องกัน; และในโมดูล CMIS จะรันเครื่องสถานะและ CDB ด้วย รายละเอียดและเหตุผลว่าทำไมเรื่องนี้จึงสำคัญต่อการเขียนโค้ด: ตัวควบคุมและเฟิร์มแวร์

การกระจายไฟเลี้ยง

สเตจ	จุดประสงค์	หมายเหตุ
ตัวจำกัดกระแสพุ่งเข้า/ตัวควบคุมฮอตสวอป	ไล่ระดับกระแสขึ้นตอนเสียบเข้า เพื่อไม่ให้รางไฟของโฮสต์ตก	ข้อกำหนด SFF-8431 และ QSFP จำกัดกระแสพุ่งเข้าไว้; ตัวจำกัดที่เสียจะแสดงอาการเป็นโมดูลข้างเคียงรีเซ็ตตอนเสียบ
LDO	3.3 V → 1.8 / 1.2 / 0.9 V สำหรับไดรเวอร์, TIA, CDR	เรียบง่าย สัญญาณรบกวนต่ำ ประสิทธิภาพ ~70–80 % — ใช้ได้ดีจนถึง ~1.5 W
ตัวควบคุมแรงดันแบบสวิตชิง (บั๊ก)	สำหรับโมดูล 400G ขึ้นไป/โคฮีเรนต์ที่ใช้ DSP	ประสิทธิภาพ 85–90 %; เหตุผลที่โมดูล 12 W ไม่กลายเป็นฮีตเตอร์ 15 W
การกรองสัญญาณ	เฟอร์ไรต์บีดและตัวเก็บประจุที่อินพุต 3.3 V	ข้อกำหนดต้องการสิ่งนี้เพื่อกันสัญญาณรบกวนของบัสไม่ให้เข้าถึงโฮสต์
การประกาศคลาสกำลังไฟ	ไบต์ข้อมูลระบุตัวตนบอกโฮสต์ถึงการใช้กระแสในกรณีเลวร้ายที่สุด	ไฟเลี้ยงและความร้อน

Vcc ใน DDM วัดหลังฟิลเตอร์อินพุต — โดยทั่วไปต่ำกว่ารางไฟของโฮสต์ 50–150 mV (อุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้า)

พินความเร็วต่ำและใครเป็นผู้จัดการ

พิน	ตระกูล	จัดการโดย	ผล
TX_DISABLE	SFP, XFP	การเปิดใช้งานไดรเวอร์ (ฮาร์ดแวร์) + MCU (บิตซอฟต์)	เลเซอร์ดับ
TX_FAULT	SFP, XFP	การตรวจจับเหตุขัดข้องของไดรเวอร์ → MCU → พิน	เหตุขัดข้องถูกล็อกค้าง
RX_LOS	SFP, XFP	การตรวจจับสัญญาณของ LA → พินและไบต์สถานะ	ไม่มีแสง
RS0 / RS1	SFP+	การเลือกแบนด์วิดท์ของ CDR/LA ผ่าน MCU	การเลือกอัตรา
MOD_ABS / ModPrsL / PRSn	ทั้งหมด	สายกราวด์ภายในโมดูล	การมีอยู่ของโมดูล
LPMode / LPWn	QSFP, CMIS	MCU ปิดบล็อกที่กินกำลังไฟสูง (DSP, เลเซอร์) ไว้	สถานะกำลังไฟต่ำ
ResetL / RSTn	QSFP, CMIS	รีเซ็ต MCU	การเริ่มต้นระบบใหม่
IntL / INT	QSFP, CMIS	ตรรกะแฟล็กของ MCU	อินเทอร์รัปต์
ModSelL	QSFP, QSFP-DD	ตัวถอดรหัสแอดเดรส I²C ของ MCU	การใช้บัสร่วมกัน

นิยามพินตามตระกูล: ฮาร์ดแวร์ SFP, ฮาร์ดแวร์ QSFP

เส้นทางความร้อน

วงจรอิเล็กทรอนิกส์และออปติกระบายความร้อนออกสู่ตัวเรือนโลหะ ซึ่งทำหน้าที่เป็นฮีตซิงก์ของโมดูล จากนั้นฮีตซิงก์ที่ขี่อยู่บนเคจและการไหลของอากาศในตัวเครื่องจะรับช่วงต่อ แผ่นนำความร้อนเชื่อมโยง DSP และไดรเวอร์เลเซอร์เข้ากับตัวเรือน โมดูลที่กำหนดเรตไว้ที่เคส 70 °C อาจมีจังก์ชันของ DSP ร้อนกว่านั้นได้อีก 20–30 °C — นี่คือเหตุผลที่การไหลของอากาศ ไม่ใช่ “ห้องที่เย็น” เป็นตัวกำหนดอายุการใช้งานของโมดูล

สิ่งที่เสียหายบนบอร์ด

ความล้มเหลว	อาการ	แยกจากความล้มเหลวด้านออปติกด้วย
ไดรเวอร์	เหตุขัดข้อง Tx, กำลัง Tx เป็นศูนย์หรือลดลงครึ่งหนึ่งขณะไบอัสปกติหรืออยู่ที่ขีดจำกัด	ค่าไบอัสเทียบกับค่า Tx
TIA / LA	กำลัง Rx อ่านค่าปกติแต่ไม่มีข้อมูล; หรือมี LOS ทั้งที่มีแสงอยู่	Tx ของฝั่งปลายทางและ Rx ของคุณปกติดี แต่ลิงก์ไม่ขึ้น
CDR / DSP	ลิงก์ขึ้นได้ที่อัตราเดียวเท่านั้น, แฟล็ก LOL, BER ฝั่งโฮสต์สูง	ตัวชี้วัด VDM และ FEC
MCU / เฟิร์มแวร์	ไม่มีการตอบสนอง I²C, DDM ค้าง, เครื่องสถานะติดค้าง	มองไม่เห็นโมดูล หรือค่าต่าง ๆ ไม่เปลี่ยนแปลงเลย
ตัวควบคุมแรงดัน	รีเซ็ตเมื่อมีโหลด, Vcc ต่ำ, กระทบโมดูลข้างเคียง	แนวโน้มของ Vcc เทียบกับทราฟฟิก
ตัวจำกัดกระแสพุ่งเข้า	การเสียบทำให้โมดูลอื่นบนการ์ดรีเซ็ต	เกิดขึ้นเฉพาะตอนฮอตปลั๊กเท่านั้น

ใน CodingBox

ทุกอย่างที่วงจรอิเล็กทรอนิกส์วัดและควบคุมปรากฏบนโต๊ะทดสอบ: ค่าและแฟล็กของ DDM บน DDM, สถานะ Tx disable และการเลือกอัตรา, สถานะโมดูล CMIS, และข้อมูลระบุตัวตนที่ประกาศคลาสกำลังไฟและการมีอยู่ของ CDR ใน EEPROM editor โมดูลที่ไบอัสอยู่ที่เพดานของไดรเวอร์ในขณะที่กำลัง Tx ตกลง คือบอร์ดที่กำลังบอกคุณว่าเลเซอร์ของมันหมดอายุแล้ว

หากพบข้อมูลที่ไม่ถูกต้องหรือข้อผิดพลาดในบทความนี้ ให้เลือกข้อความส่วนนั้นแล้วกด Ctrl+Enter เพื่อ