Transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning ger precisionsförstärkning för signalbehandling

Att omvandla en signal med låg ström till en spänningsutgång är ett viktigt krav i en stor mängd tillämpningar, i synnerhet i de som förlitar sig på sensorer för att omvandla fysiska fenomen för mätning, övervakning och detektering. När signalerna är förutsägbara och stabila är transimpedansförstärkare (TIA) en relativt enkel och tillförlitlig lösning, men allt oftare behöver utvecklare ett mer sofistikerat alternativ med precisionsförstärkning som kan anpassas till varierande inströmmar eller höga dynamiska områden.

Transimpedansförstärkare används för att omvandla inström till utspänning via en återkopplingsresistor. De utgör ett relativt enkelt och kostnadseffektivt sätt att omvandla små strömmar till spänningssignaler.

Enheterna används ofta för att omvandla strömmar som produceras av fenomen som ljus, elektrisk laddning eller strålning till mätbara spänningssignaler som kan förstärkas och bearbetas för signalbehandling och långdistansöverföring. De används därför ofta inom fiberoptisk kommunikation, avkänning av ljus och strålar, partikeldetektering, LiDAR (Light Detection and Ranging), medicinteknisk utrustning och i kompakta system med strömsnåla sensorer.

De flesta transimpedansförstärkare arbetar dock med en fast förstärkning och är inte anpassningsbara till variationer eller stora strömområden, vilket begränsar deras prestanda vid dynamiska förhållanden. När strömnivån inte ligger inom konstruktionens parametrar kan det leda till signalförvrängning, minskad noggrannhet eller begränsad prestanda. För att anpassa dem till mer varierande eller dynamiska förhållanden krävs förändring av hårdvaran och ytterligare komponenter, vilket ökar komplexiteten och strömförbrukningen.

Transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning (PGTIA) kan använda en enda förstärkare för att hantera de stora dynamiska intervall som förekommer i tillämpningar som optiska system med hög känslighet, analytiska precisionsinstrument samt elektrokemisk och bioelektrisk signaldetektering.

Till skillnad från vanliga transimpedansförstärkare kan transimpedansförstärkare med programmerbara förstärkning optimera förstärkningen inom ett visst signalområde, vilket maximerar utsignalens styrka och därmed systemets totala signal/brus-förhållande (SNR). Komponenterna kan ändra förstärkningen dynamiskt för att förstärka svaga signaler och förhindra att starka signaler mättar utgången.

Med förmågan att anpassa sig till förändrade signalförhållanden och dynamiskt ändra förstärkningen är transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning lämpliga för tillämpningar med stora dynamiska områden och mätinstrument med hög precision. Transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning kan exempelvis anpassa sig dynamiskt till signalnivåerna i LiDAR-system som mäter variabelt reflekterat ljus.

Transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning och en eller två kanaler

Transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning och en kanal är utmärkta i tillämpningar som bygger på att mäta eller känna av signaler från en enda punkt, som t.ex. i en enkel rörelsedetektor eller en streckkodsläsare. Men många tillämpningar kräver en ännu mer anpassningsbar lösning för att ge större precision, minska elektroniska störningar ytterligare, analysera fler parametrar eller ge överlägsen bearbetning och anpassningsförmåga på snabbt föränderliga marknader.

Transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning och två kanaler kan bearbeta signaler från två oberoende ingångskällor samtidigt, vilket gör det möjligt för konstruktörer att konsolidera funktioner som differentialdetektering, störningsreducering och analys av flera parametrar. Att integrera två förstärkarkanaler i en kompakt kapsling är mer kostnadseffektivt än att använda separata enheter med en kanal och kan minska behovet av ytterligare komponenter. Respektive kanal kan optimeras för olika ingångsintervall, vilket ger konstruktörer större valfrihet för sina tillämpningar.

Andra fördelar med transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning och dubbla kanaler är en effektivare strömförbrukning, minimering av parasitiska effekter som kan uppstå när man kombinerar diskreta komponenter samt ett mindre behov av utrymme på kretskortet. De två kanalerna kan användas för olika tillämpningsändamål, som t.ex.:

• Samla in data från oberoende datakällor samtidigt för att förbättra effektiviteten
• Tillhandahålla redundanta mätningar för att förbättra tillförlitligheten
• Åstadkomma jämförande mätningar av två signaler

Även om transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning och två kanaler kan vara något dyrare per enhet än alternativ med en kanal, kommer detta sannolikt att mer än väl kompenseras av färre komponenter, enklare montering och förbättrad kvalitetskontroll.

Högintegrerade kompakta transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning från ADI

Analog Devices, Inc. (ADI) har en kompakt och flexibel lösning för tillämpningar som kräver transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning och hög noggrannhet, som t.ex. optisk nätverksutrustning, gränssnitt för fotodetektorer och noggrann instrumentering.

ADA4351-2 (figur 1) är en monolitisk transimpedansförstärkare med programmerbar förstärkning och två kanaler i en LFCSP-kapsling på 3 x 3 mm utan exponerad lödyta. Respektive kanal har två valbara återkopplingsvägar, där förstärkningen för respektive återkopplingsväg ställs in med en extern resistor.

Figur 1: Transimpedansförstärkaren ADA4351-2 med programmerbar förstärkning från ADI är ett monolitiskt alternativ med två kanaler för noggrann exakt mätning av små strömmar inom ett stort dynamiskt område. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

ADA4351-2 kan tillgodose behoven i en mängd olika tillämpningar som kräver hög precision, känslighet och anpassningsförmåga. Mångsidigheten gör att den passar bra i tillämpningar som kräver noggrann signalförstärkning, stort dynamiskt område och integrerad funktionalitet, som t.ex. optisk kommunikation, medicinsk bildbehandling, spektroskopi och vetenskapliga instrument. Drifttemperaturområdet är -40 till +125 °C.

Den kompakta konstruktionen av ADA4351-2 och möjligheten att driva en analog- till digitalomvandlare direkt kan förenkla systemarkitekturen, minska antalet komponenter och öka tillförlitligheten. Den kan driva två 16-bitars noggranna analog- till digitalomvandlare direkt (figur 2, en visas), som t.ex. AD4695 och AD4696 från ADI, vilket ger utvecklare en komplett analog front-end för tillämpningar med noggrann strömmätning.

Figur 2: Schematisk bild av ena delen av ADA4351-2 som driver en ADC, som t.ex. AD4695/AD4696 från ADI. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

ADA4351-2 har distinkta analoga och digitala ingångar och kan arbeta med bipolär matning för att utföra högeffektiva analoga uppgifter samtidigt som den har en sömlös, kommunikation med låga störningar i jordade digitala system. De digitala matningarna ger flexibilitet att styra switchens logik separat från det analoga matningsområdet.

Lösningen förenklar konstruktionen i miljöer med blandade signaler eftersom ADA4351-2 kan integreras i system som kräver högeffektiv analog bearbetning samtidigt som den är kompatibel med digital styrlogik med låg spänning.

Den analoga kretsen kan använda antingen en matning (2,7 till 5,5 V) eller en dubbel matning (±1,35 till ±2,75 V), vilket möjliggör både enkelriktade och dubbelriktade insignaler. Den kan direkt analog- till digitalomvandlare direkt med referensspänningar på upp till 5,5 V.

Den digitala ingången arbetar med matningar mellan 1,62 och 5,5 V, vilket gör den kompatibel med vanliga logiknivåer på 1,8, 3,3 eller 5 V, beroende på den spänning som appliceras på de digitala matningsstiften (DVSS och DVDD).

De två integrerade proprietära switcharna med lågt av-läckage per förstärkningsinställning är placerade i en Kelvin-konfiguration för att minska felaktigheter till följd av CMOS-switcharnas icke-perfektion. Den avancerade switchningstekniken gör den till en effektiv lösning i många tillämpningar, med ett betydligt mindre utrymmeskrav på kretskortet jämfört med diskreta komponenter.

ADA4351-2 har en förstärkningsbandbredd på 8,5 MHz för att hantera högfrekventa signaler. Användarprogrammerbar förstärkning gör det möjligt att optimera det dynamiska området över ett stort område av inströmmar.

Prototyptillverkning och testning av ADA4351-2

Utvärderingskortet EVAL-ADA4351-2EBZ (figur 3) från ADI gör det möjligt för konstruktörer att snabbt skapa snabbt prototypkonstruktioner, testa och optimera tillämpningar med ADA4351-2 innan de går vidare till en anpassad kretskortskonstruktion.

Figur 3: EVAL-ADA4351-2EBZ levereras med de viktiga komponenter som gör det möjligt för användare att köra och utvärdera tillämpningar med transimpedansförstärkaren ADA4351-2 med programmerbar förstärkning. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Kortet stödjer snabb konfiguration av gränssnitt för fotodioder, val av förstärkning och andra tillämpningar, vilket gör det till ett praktiskt verktyg för att utveckla noggranna analoga front-end-system för optik, instrumentering och datainsamling.

Den är förkonfigurerad med de komponenter som krävs för att demonstrera de viktigaste egenskaperna hos ADA4351-2, inklusive dess programmerbara transimpedansförstärkning, låga störningsnivå och stora dynamiska område. En tom plats för en fotodiod vid respektive kanal möjliggör snabb framtagning av prototypkonstruktioner.

Tomma platser för resistorer och kondensatorer vid in- och utgång gör det möjligt att installera komponenter med användardefinierade värden för modifieringar, som t.ex. ett lågpassfilter (LPF) eller en spänningsdelare. Kantmonterade SMA-kontakter och testpunkter gör det möjligt att ansluta testutrustning direkt till de båda kanalernas in- och utgångar, likväl som till förstärkningsswitchens styrstift.

Utvecklare kan utforska olika konfigurationer och testa förstärkaren med sina egna komponenter i signalkedjan, t.ex. ADC:er eller optiska sensorer.

Sammanfattning

Med transimpedansförstärkaren ADA4351-2 med programmerbar förstärkning och dubbla kanaler från ADI kan utvecklare uppnå noggrannare och mer tillförlitlig prestanda för olika gränssnitt för fotodioder, i optiska tillämpningar, instrumentering och datainsamling. Med sin inbyggda switchning, programmerbara förstärkning och överlägsna störningsprestanda är den en mycket anpassningsbar och effektiv lösning för samtidig bearbetning av signaler från oberoende ingångskällor.