Programmeerbare versterking TIA's leveren precisieversterking voor signaalverwerking

Het omzetten van een zwak stroomsignaal naar een spanningsuitgang is een essentiële vereiste voor een groot aantal toepassingen, vooral voor toepassingen die vertrouwen op sensoren om fysische verschijnselen om te zetten voor meet-, bewakings- en detectiedoeleinden. Als die signalen voorspelbaar en stabiel zijn, zijn transimpedantieversterkers (TIA's) een relatief eenvoudige en betrouwbare oplossing, maar steeds vaker hebben technici een geavanceerdere optie nodig met precisieversterking die zich kan aanpassen aan variabele ingangsstromen of een groot dynamisch bereik.

TIA's worden gebruikt om ingangsstroom om te zetten in uitgangsspanning via een terugkoppelweerstand. Ze bieden een relatief eenvoudige en kosteneffectieve manier om kleine stromen om te zetten in spanningssignalen.

Deze apparaten worden op grote schaal gebruikt om stromen geproduceerd door verschijnselen zoals licht, elektrische lading of straling om te zetten in meetbare spanningssignalen die versterkt en geconditioneerd kunnen worden voor signaalverwerking en transmissie over lange afstanden. Daarom worden ze veel gebruikt in glasvezelcommunicatie, licht- en stralingsdetectie, deeltjesdetectie, lichtdetectie en afstandsbepaling (LiDAR), medische apparatuur en compacte systemen die sensoren met een laag vermogen gebruiken.

De meeste TIA's werken echter met een vaste versterking en kunnen zich niet aanpassen aan fluctuaties of grote stroombereiken, waardoor hun prestaties in dynamische omstandigheden beperkt zijn. Als het stroomniveau niet binnen de ontwerpparameters valt, kan dit leiden tot signaalvervorming, verminderde nauwkeurigheid of beperkte prestaties. Om deze aan te passen voor meer variabele of dynamische omstandigheden zijn hardwareaanpassingen en extra componenten nodig, waardoor de complexiteit toeneemt en het stroomverbruik toeneemt.

Programmeerbare versterker TIA's (PGTIA's) kunnen gebruik maken van een enkele versterker om de grote dynamische bereiken aan te kunnen die voorkomen in toepassingen zoals hooggevoelige optische systemen, analytische precisie-instrumentatie en elektrochemische en bio-elektrische signaaldetectie.

In tegenstelling tot standaard TIA's kunnen PGTIA's de versterking optimaliseren voor een bepaald signaalbereik, waardoor de uitgangssignaalsterkte en dus de algehele signaal-ruisverhouding (SNR) van het systeem wordt gemaximaliseerd. Deze componenten kunnen de versterking dynamisch veranderen om zwakke signalen te versterken en te voorkomen dat sterke signalen de uitgang verzadigen.

Met de mogelijkheid om zich aan te passen aan veranderende signaalcondities en dynamisch de versterking te veranderen, zijn PGTIA's geschikt voor toepassingen met een groot dynamisch ingangsbereik en zeer nauwkeurige meetapparatuur. PGTIA's kunnen zich bijvoorbeeld dynamisch aanpassen aan de signaalniveaus van LiDAR-systemen die variabel gereflecteerd licht meten.

Enkel- versus tweekanaals PGTIA's

Eenkanaals PGTIA's blinken uit voor toepassingen die vertrouwen op het meten of detecteren van signalen van een enkel punt, zoals in een eenvoudige bewegingsdetector of een barcodescanner. Maar veel toepassingen vereisen een nog beter aanpasbare oplossing om een grotere precisie te leveren, elektronische ruis verder te verminderen, meerdere parameters te analyseren en superieure verwerking en aanpasbaarheid te bieden in snel evoluerende markten.

Tweekanaals PGTIA's kunnen signalen van twee onafhankelijke ingangsbronnen tegelijk verwerken, waardoor ontwerpers functies als differentiële detectie, ruisonderdrukking en multiparameteranalyse kunnen consolideren. Het integreren van dubbele versterkerkanalen in één compact pakket is kostenefficiënter dan het gebruik van afzonderlijke enkelkanaals apparaten en kan de behoefte aan extra componenten verminderen. Elk kanaal kan worden geoptimaliseerd voor verschillende ingangsbereiken, wat ontwerpers een grotere veelzijdigheid biedt voor hun toepassingen.

Andere voordelen van PGTIA's met twee kanalen zijn een efficiënter stroomverbruik, minimalisatie van parasitaire effecten die kunnen ontstaan door het combineren van discrete componenten, en vermindering van de benodigde printplaatruimte. De tweekanaals kunnen worden gebruikt voor diverse toepassingsontwerpen, zoals:

• Gelijktijdig gegevens verwerven uit onafhankelijke gegevensbronnen om de efficiëntie te verhogen
• Bieden van redundantie van metingen om de betrouwbaarheid te verbeteren
• Vergelijkende metingen van twee signalen

Hoewel PGTIA's met twee kanalen per eenheid iets duurder kunnen zijn dan alternatieven met één kanaal, wordt dat waarschijnlijk ruimschoots gecompenseerd door een lager aantal componenten, eenvoudigere assemblage en betere kwaliteitscontrole.

ADI's sterk geïntegreerde, compacte PGTIA

Analog Devices, Inc. (ADI) biedt een compacte en flexibele oplossing voor toepassingen die precisie PGTIA's vereisen, zoals optische netwerkapparatuur, fotodetectorinterfaces en precisie-instrumentatie.

De ADA4351-2 (Afbeelding 1) is een monolithische, tweekanaals PGTIA in een 3 mm x 3 mm lead frame chip scale package (LFCSP) zonder blootliggend pad. Elk kanaal heeft twee selecteerbare feedbackpaden, waarbij de versterking van elk feedbackpad wordt ingesteld door een externe weerstand.

Afbeelding 1: ADI's ADA4351-2 PGTIA biedt een monolithische, tweekanaals optie voor het nauwkeurig meten van kleine stromen over een breed dynamisch bereik. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

De ADA4351-2 kan voldoen aan de behoeften van een reeks toepassingen die afhankelijk zijn van hoge precisie, gevoeligheid en aanpasbaarheid. Door zijn veelzijdigheid is hij geschikt voor toepassingen die een nauwkeurige signaalversterking, een hoog dynamisch bereik en geïntegreerde functionaliteit vereisen, zoals optische communicatie, medische beeldvorming, spectroscopie en wetenschappelijke instrumentatie. Bedrijfstemperatuurbereik: -40 °C tot 125 °C

Het compacte ontwerp van de ADA4351-2 en de mogelijkheid om direct een analoog-digitaal omzetter aan te sturen, kan systeemarchitecturen vereenvoudigen, het aantal componenten verminderen en de betrouwbaarheid verbeteren. Hij kan direct twee 16-bits precisie-ADC's aansturen (Afbeelding 2, één getoond), zoals AD4695 en AD4696 van ADI, waardoor ontwikkelaars beschikken over een complete analoge front-end voor precisie-stroommeettoepassingen.

Afbeelding 2: Schema van ½ van de ADA4351-2 die een ADC aanstuurt zoals ADI's AD4695/AD4696. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

De ADA4351-2 biedt afzonderlijke analoge en digitale ingangen en kan werken op bipolaire voedingen om hoogwaardige analoge taken uit te voeren met behoud van naadloze en ruisarme communicatie met digitale systemen met grondreferentie. De digitale voedingen bieden flexibiliteit om de schakellogica afzonderlijk van het analoge voedingsbereik te regelen.

De oplossing vereenvoudigt het ontwerp voor mixed-signal omgevingen omdat de ADA4351-2 kan worden geïntegreerd in systemen die een krachtige analoge verwerking vereisen met behoud van compatibiliteit met laagspannings digitale besturingslogica.

Het analoge circuit kan zowel een enkele voeding (2,7 V tot 5,5 V) als een dubbele voeding (±1,35 V tot ±2,75 V) gebruiken, waardoor zowel unidirectionele als bidirectionele ingangssignalen mogelijk zijn. Hij kan ADC's met referentiespanningen tot 5,5 V rechtstreeks aansturen.

De digitale ingang werkt met voedingen tussen 1,62 V en 5,5 V, waardoor hij compatibel is met gemeenschappelijke logicaniveaus van 1,8 V, 3,3 V of 5 V, afhankelijk van de spanning die op de digitale voedingspinnen (DVSS en DVDD) wordt gezet.

De twee geïntegreerde, eigen schakelaars met lage off-lekage per versterkingsinstelling zijn gerangschikt in een Kelvin-configuratie om de onnauwkeurigheid als gevolg van niet-idealiteiten van CMOS-schakelaars te beperken. De geavanceerde schakeltechnologie maakt het een efficiënte oplossing voor veel toepassingen, met een aanzienlijk kleinere PCB-voetafdruk in vergelijking met het gebruik van discrete componenten.

De ADA4351-2 heeft een versterkingsbandbreedteproduct van 8,5 MHz om hoogfrequente signalen te verwerken. Met de door de gebruiker programmeerbare versterking kan het dynamische bereik over een breed bereik van ingangsstromen worden geoptimaliseerd.

Prototypen en testen van de ADA4351-2

Met ADI's EVAL-ADA4351-2EBZ-evaluatiebord (afbeelding 3) kunnen ontwerpers snel prototypes maken, testen en toepassingen optimaliseren met behulp van de ADA4351-2 voordat ze overgaan op een aangepast PCB-ontwerp.

Afbeelding 3: De EVAL-ADA4351-2EBZ wordt geleverd met de belangrijkste componenten waarmee gebruikers toepassingen kunnen uitvoeren en evalueren met de ADA4351-2 PGTIA. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Het bord ondersteunt snelle configuratie voor fotodiode-interfacing, versterkingsselectie en andere toepassingen, waardoor het een praktisch hulpmiddel is voor het ontwikkelen van analoge front-end precisiesystemen voor optische, instrumentatie- en data-acquisitiescenario's.

Het is vooraf geconfigureerd met de componenten die nodig zijn om de belangrijkste kenmerken van de ADA4351-2 te demonstreren, waaronder de programmeerbare transimpedantieversterking, de ruisarme werking en het grote dynamische bereik. Een onbezette fotodiodesleuf op elk kanaal ondersteunt snelle prototyping.

Open weerstands- en condensatorvoetafdrukken aan de ingang en uitgang maken de installatie mogelijk van componenten met door de gebruiker gedefinieerde waarden voor modificaties, zoals een laagdoorlaatfilter (LPF) of spanningsdeler. Dankzij de aan de randen gemonteerde SMA-connectors en testpunten kan testapparatuur rechtstreeks worden aangesloten op de in- en uitgangen van beide kanalen, evenals op de regelpennen van de versterkingsschakelaar.

Ontwikkelaars kunnen verschillende configuraties verkennen en de versterker testen met hun eigen signaalketencomponenten, zoals ADC's of optische sensoren.

Conclusie

Met ADI's ADA4351-2 tweekanaals PGTIA kunnen ontwikkelaars nauwkeurigere en betrouwbaardere prestaties bereiken voor diverse fotodiode-interfacing, optische, instrumentatie- en data-acquisitietoepassingen. Dankzij de geïntegreerde schakeling, programmeerbare versterking en superieure ruisprestaties biedt het een zeer aanpasbare en efficiënte oplossing voor het gelijktijdig verwerken van signalen van onafhankelijke ingangsbronnen.