可編程增益 TIA 為信號(hào)處理提供精密放大

作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

將低電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓輸出是廣泛應(yīng)用的基本要求，特別是那些依靠傳感器轉(zhuǎn)換物理現(xiàn)象以進(jìn)行測量、監(jiān)控和檢測的應(yīng)用。當(dāng)這些信號(hào)可預(yù)測且穩(wěn)定時(shí)，跨阻放大器 (TIA) 是一種相對(duì)簡單且可靠的解決方案，但工程師越來越需要一種具有精密放大功能的更復(fù)雜的選項(xiàng)，可以適應(yīng)可變輸入電流或高動(dòng)態(tài)范圍。

TIA 用于通過反饋電阻將輸入電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。它們提供了一種相對(duì)簡單且經(jīng)濟(jì)高效的方式將小電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

這些設(shè)備廣泛用于將光、電荷或輻射等現(xiàn)象產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為可測量的電壓信號(hào)，這些電壓信號(hào)可以被放大和調(diào)節(jié)以進(jìn)行信號(hào)處理和長距離傳輸。因此，它們廣泛應(yīng)用于光纖通信、光和輻射傳感、粒子探測、光探測和測距 (LiDAR)、醫(yī)療設(shè)備以及利用低功耗傳感器的緊湊系統(tǒng)。

然而，大多數(shù) TIA 以固定增益運(yùn)行，無法適應(yīng)波動(dòng)或?qū)掚娏鞣秶瑥亩拗屏怂鼈冊(cè)趧?dòng)態(tài)條件下的性能。當(dāng)電流水平不在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真、精度降低或性能受限。要使這些適應(yīng)更多變化或動(dòng)態(tài)的條件，需要修改硬件和額外的組件，從而增加了復(fù)雜性并增加了功耗。

可編程增益 TIA (PGTIA) 可以利用單個(gè)放大器來處理高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)、精密分析儀器以及電化學(xué)和生物電信號(hào)檢測等應(yīng)用中遇到的寬動(dòng)態(tài)范圍。

與標(biāo)準(zhǔn) TIA 不同，PGTIA 允許優(yōu)化特定信號(hào)范圍的增益，最大化輸出信號(hào)強(qiáng)度，從而最大化整個(gè)系統(tǒng)的信噪比 (SNR)。這些組件可以動(dòng)態(tài)改變?cè)鲆嬉苑糯笪⑷跣盘?hào)并防止強(qiáng)信號(hào)使輸出飽和。

PGTIA 能夠適應(yīng)不斷變化的信號(hào)條件并動(dòng)態(tài)改變?cè)鲆?，適用于具有寬輸入動(dòng)態(tài)范圍和高精度測量設(shè)備的應(yīng)用。例如，PGTIA 可以動(dòng)態(tài)適應(yīng)測量可變反射光的 LiDAR 系統(tǒng)的信號(hào)電平。

單通道 PGTIA 與雙通道 PGTIA

單通道 PGTIA 非常適合依賴于從單點(diǎn)測量或檢測信號(hào)的應(yīng)用，例如簡單的運(yùn)動(dòng)檢測器或條形碼掃描儀。但許多應(yīng)用需要適應(yīng)性更強(qiáng)的解決方案，以提供更高的精度、進(jìn)一步降低電子噪聲、分析多個(gè)參數(shù)，并在快速發(fā)展的市場中提供卓越的處理和適應(yīng)性。

雙通道 PGTIA 可以同時(shí)處理來自兩個(gè)獨(dú)立輸入源的信號(hào)，使設(shè)計(jì)人員能夠整合差分檢測、噪聲消除和多參數(shù)分析等功能。將雙放大器通道集成到一個(gè)緊湊的封裝中比采用單獨(dú)的單通道器件更具成本效益，并且可以減少對(duì)額外組件的需求。每個(gè)通道都可以針對(duì)不同的輸入范圍進(jìn)行優(yōu)化，為設(shè)計(jì)人員的應(yīng)用提供更大的多功能性。

雙通道 PGTIA 的其他優(yōu)點(diǎn)包括更高效的功耗、最大限度地減少組合分立元件可能產(chǎn)生的寄生效應(yīng)以及減少所需的電路板空間。雙通道可用于多種應(yīng)用設(shè)計(jì)目的，例如：

• 從獨(dú)立數(shù)據(jù)源同時(shí)獲取數(shù)據(jù)以提高效率
• 提供測量冗余以提高可靠性
• 從兩個(gè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)比較測量

雖然雙通道 PGTIA 的單位成本可能比單通道替代品稍高，但組件數(shù)量的減少、裝配的簡化和質(zhì)量控制的改進(jìn)很可能足以抵消這一影響。

ADI 高度集成、緊湊的 PGTIA

[Analog Devices, Inc.] (ADI) 為需要精密 PGTIA 的應(yīng)用提供緊湊、靈活的解決方案，例如光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、光電探測器接口和精密儀器。

ADA4351-2 （圖 1）是一款單片雙通道[PGTIA，采用 3 mm x 3 mm 引線框架芯片級(jí)封裝 (LFCSP)，無外露焊盤。每個(gè)通道都有兩個(gè)可選擇的反饋路徑，其中每個(gè)反饋路徑的增益由外部電阻器設(shè)置。

圖 1：ADI 的 ADA4351-2 PGTIA 提供單片雙通道選項(xiàng)，可在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)精確測量小電流。 （圖片來源：Analog Devices, Inc.）

ADA4351-2 可以滿足一系列依賴于高精度、靈敏度和適應(yīng)性的應(yīng)用的需求。其多功能性使其非常適合需要精確信號(hào)放大、高動(dòng)態(tài)范圍和集成功能的應(yīng)用，例如光通信、醫(yī)學(xué)成像、光譜學(xué)和科學(xué)儀器。其工作溫度范圍為-40°C至+125°C。

ADA4351-2 的緊湊設(shè)計(jì)和直接驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的能力可以簡化系統(tǒng)架構(gòu)、減少組件數(shù)量并增強(qiáng)可靠性。它可以直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè) 16 位精密 ADC（圖 2，其中所示之一），例如 ADI 的 AD4695 和[AD4696]，為開發(fā)人員提供用于精密電流測量應(yīng)用的完整模擬前端。

圖 2：驅(qū)動(dòng) ADC（例如 ADI 的 AD4695/AD4696）的 1/2 ADA4351-2 原理圖。 （圖片來源：Analog Devices, Inc.）

ADA4351-2 提供不同的模擬和數(shù)字輸入，可以在雙極性電源下運(yùn)行，以完成高性能模擬任務(wù)，同時(shí)保持與接地參考數(shù)字系統(tǒng)的無縫和低噪聲通信。數(shù)字電源提供了獨(dú)立于模擬電源范圍來控制開關(guān)邏輯的靈活性。

該解決方案簡化了混合信號(hào)環(huán)境的設(shè)計(jì)，因?yàn)?ADA4351-2 可以集成到需要高性能模擬處理的系統(tǒng)中，同時(shí)保持與低壓數(shù)字控制邏輯的兼容性。

其模擬電路可以使用單電源（2.7 V 至 5.5 V）或雙電源（±1.35 V 至±2.75 V），從而支持單向和雙向輸入信號(hào)。它可以直接驅(qū)動(dòng)參考電壓高達(dá) 5.5 V 的 ADC。

數(shù)字輸入適用于 1.62 V 至 5.5 V 之間的電源，使其與 1.8 V、3.3 V 或 5 V 的常見邏輯電平兼容，具體取決于施加到數(shù)字電源引腳（DVSS 和 DVDD）的電壓。

每個(gè)增益設(shè)置的兩個(gè)集成、低截止泄漏專有開關(guān)以開爾文配置排列，以減少由于 CMOS 開關(guān)的非理想性而導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性。先進(jìn)的開關(guān)技術(shù)使其成為許多應(yīng)用的高效解決方案，與使用分立元件相比，PCB 占地面積顯著減少。

ADA4351-2 的增益帶寬積為 8.5 MHz，可處理高頻信號(hào)。用戶可編程增益可優(yōu)化寬輸入電流范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)范圍。

ADA4351-2 原型設(shè)計(jì)和測試

ADI 的[EVAL-ADA4351-2EBZ] 評(píng)估板（圖 3）允許設(shè)計(jì)人員在轉(zhuǎn)向定制 PCB 設(shè)計(jì)之前使用 ADA4351-2 快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)、測試和優(yōu)化應(yīng)用。

圖 3：EVAL-ADA4351-2EBZ 配備了關(guān)鍵組件，允許用戶使用 ADA4351-2 PGTIA 運(yùn)行和評(píng)估應(yīng)用程序。 （圖片來源：Analog Devices, Inc.）

該板支持光電二極管接口、增益選擇和其他應(yīng)用的快速配置，使其成為開發(fā)用于光學(xué)、儀器和數(shù)據(jù)采集場景的精密模擬前端系統(tǒng)的實(shí)用工具。

它預(yù)先配置了演示 ADA4351-2 關(guān)鍵特性所需的組件，包括可編程跨阻增益、低噪聲操作和寬動(dòng)態(tài)范圍。每個(gè)通道上都有一個(gè)未填充的光電二極管插槽，支持快速原型設(shè)計(jì)。

輸入和輸出處的開放式電阻器和電容器封裝允許安裝具有用戶定義的修改值的組件，例如低通濾波器 (LPF) 或分壓器。邊緣安裝的 SMA 連接器和測試點(diǎn)允許將測試設(shè)備直接連接到兩個(gè)通道的輸入和輸出以及增益開關(guān)控制引腳。

開發(fā)人員可以探索不同的配置，并使用自己的信號(hào)鏈組件（例如 ADC 或光學(xué)傳感器）測試放大器。

結(jié)論

借助 ADI 的 ADA4351-2 雙通道 PGTIA，開發(fā)人員可為各種光電二極管接口、光學(xué)、儀器儀表和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更精確、更可靠的性能。利用其集成開關(guān)、可編程增益和卓越的噪聲性能，它為同時(shí)處理來自獨(dú)立輸入源的信號(hào)提供了高度適應(yīng)性和高效的解決方案。
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審核編輯 黃宇