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(cè)量、監(jiān)控和檢測(cè)的應(yīng)用。當(dāng)這些信號(hào)可預(yù)測(cè)且穩(wěn)定時(shí)，跨阻放大器 (TIA) 是一種相對(duì)簡(jiǎn)單且可靠的解決方案，但工程師越來(lái)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(guò)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(jiǎn)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(cè)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(zhǎng)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(cè)、光探測(cè)和測(cè)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(wú)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(lái)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(cè)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)鲆妫m用于具有寬輸入動(dòng)態(tài)范圍和高精度測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用。例如，PGTIA 可以動(dòng)態(tài)適應(yīng)測(cè)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(cè)量或檢測(cè)信號(hào)的應(yīng)用，例如簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(chǎng)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(lái)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(cè)、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(cè)量冗余以提高可靠性
• 從兩個(gè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)比較測(cè)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(jiǎn)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(cè)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(wú)外露焊盤(pán)。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(cè)量小電流。 （圖片來(lái)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(jiǎn)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(kāi)發(fā)人員提供用于精密電流測(cè)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(lái)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(wú)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(lái)控制開(kāi)關(guān)邏輯的靈活性。

該解決方案簡(jiǎn)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(jiàn)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(zhuān)有開(kāi)關(guān)以開(kāi)爾文配置排列，以減少由于 CMOS 開(kāi)關(guān)的非理想性而導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性。先進(jìn)的開(kāi)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(cè)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(cè)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(lái)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(kāi)發(fā)用于光學(xué)、儀器和數(shù)據(jù)采集場(chǎng)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(kāi)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(cè)試點(diǎn)允許將測(cè)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(kāi)關(guān)控制引腳。

開(kāi)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(cè)試放大器。

結(jié)論

借助 ADI 的 ADA4351-2 雙通道 PGTIA，開(kāi)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(kāi)關(guān)、可編程增益和卓越的噪聲性能，它為同時(shí)處理來(lái)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