Wzmacniacze transimpedancyjne (TIA) z programowanym wzmocnieniem oferują precyzję wzmocnienia w przetwarzaniu sygnałów

Konwersja sygnałów niskoprądowych na wyjściowy sygnał napięciowy jest wymogiem koniecznym w szerokim zakresie zastosowań, szczególnie takich, które wykorzystują czujniki wielkości fizycznych w celach pomiaru, monitorowania i wykrywania. Gdy sygnały te są przewidywalne i stabilne, wzmacniacze transimpedancyjne (TIA) stanowią względnie proste i niezawodne rozwiązanie. Jednak inżynierowie w coraz większym zakresie potrzebują bardziej skomplikowanych opcji precyzyjnego wzmocnienia, które mają możliwość adaptacji do zmiennych prądów wyjściowych lub dużych zakresów dynamiki.

Wzmacniacze transimpedancyjne służą do konwersji prądu wejściowego na napięcie wyjściowe z wykorzystaniem rezystora sprzężenia zwrotnego. Stanowią one względnie łatwy i ekonomicznie efektywny sposób na konwersję niewielkich prądów na sygnały napięciowe.

Urządzenia te są szeroko wykorzystywane do konwersji prądów generowanych przez takie czynniki jak światło, ładunek elektryczny lub promieniowanie na mierzalne sygnały napięciowe, które można wzmacniać i kondycjonować w celu dalszego przetwarzania i przesyłania na duże odległości. W związku z tym są one powszechnie stosowane w komunikacji światłowodowej, pomiarach oświetlenia i promieniowania, wykrywania cząstek, technologiach LiDAR, urządzeniach medycznych oraz systemach kompaktowych wykorzystujących czujniki niskiej mocy.

Większość wzmacniaczy transimpedancyjnych działa jednak przy stałym wzmocnieniu bez możliwości adaptacji do fluktuacji lub zmian prądu w szerokim zakresie, co ogranicza ich parametry działania w warunkach dużej dynamiki. Gdy poziom prądu nie mieści się w parametrach projektowych, może to skutkować zniekształceniami sygnału, obniżeniem dokładności i ograniczeniem parametrów. Ich adaptacja do warunków o większej zmienności lub wyższej dynamice wymaga modyfikacji sprzętowych i dodatkowych komponentów, co zwiększa złożoność i pobór mocy.

Wzmacniacze transimpedancyjne z programowanym wzmocnieniem (PGTIA) mogą wykorzystywać pojedynczy wzmacniacz do obsługi szerokich zakresów dynamiki występujących w takich zastosowaniach, jak systemy optyczne wysokiej czułości, precyzyjne przyrządy analityczne oraz detekcja sygnałów elektrochemicznych i bioelektrycznych.

W przeciwieństwie do standardowych wzmacniaczy transimpedancyjnych, wzmacniacze PGTIA pozwalają na optymalizację wzmocnienia w określonym zakresie sygnałów, maksymalizując siłę sygnału wyjściowego, czyli ogólny stosunek sygnału do szumu (SNR) systemu. Komponenty te mogą dynamicznie zmieniać wzmocnienie tak, aby wzmacniać słabe sygnały i zapobiegać nasyceniu wyjścia przez silne sygnały.

Dzięki możliwości adaptacji do zmieniających się warunków sygnału i dynamicznej zmiany wzmocnienia, wzmacniacze transimpedancyjne z programowanym wzmocnieniem (PGTIA) są odpowiednie do zastosowań, gdzie występują szerokie zakresy dynamiki wejściowej oraz do urządzeń pomiarowych o wysokiej precyzji. Przykładowo, wzmacniacze PGTIA mogą dynamicznie dostosowywać się do poziomów sygnału w systemach LiDAR, które mierzą zmienne odbite światło.

Porównanie jednokanałowych i dwukanałowych wzmacniaczy PGTIA

Jednokanałowe wzmacniacze PGTIA znakomicie sprawdzają się w zastosowaniach, które wymagają pomiaru lub detekcji sygnałów pochodzących z jednego punktu, takich jak prosty detektor ruchu lub skaner kodów kreskowych. Wiele zastosowań wymaga jednak jeszcze większych możliwości adaptacyjnych, aby zapewnić wyższą precyzję, jeszcze bardziej obniżyć szumy elektroniczne, analizować wiele parametrów oraz zapewnić znakomitą adaptacyjność i przetwarzanie na szybko ewoluujących rynkach.

Dwukanałowe wzmacniacze transimpedancyjne z programowanym wzmocnieniem mogą jednocześnie przetwarzać sygnały z dwóch niezależnych źródeł wejściowych, co pozwala projektantom na konsolidację takich funkcji, jak wykrywanie różnicowe, redukcja szumów i analiza wieloparametrowa. Integracja dwóch kanałów wzmacniacza w jednej kompaktowej obudowie jest bardziej ekonomiczna niż stosowanie odrębnych urządzeń jednokanałowych i pozwala zmniejszyć zapotrzebowanie na dodatkowe komponenty. Każdy kanał można zoptymalizować pod kątem różnych zakresów wejściowych, co oferuje projektantom większą uniwersalność użycia w różnych zastosowaniach.

Do pozostałych zalet dwukanałowych wzmacniaczy PGTIA zalicza się wyższa sprawność energetyczna, minimalizacja zjawisk pasożytniczych wynikających z połączenia komponentów dyskretnych, a także zmniejszenie potrzebnej przestrzeni na płytce. Dwa kanały pozwalają na realizację różnych zadań projektowych zastosowania, na przykład:

• Jednoczesna akwizycja danych z niezależnych źródeł w celu zwiększenia efektywności
• Zapewnienie redundancji pomiarów w celu zwiększenia niezawodności
• Uzyskanie pomiarów porównawczych na podstawie dwóch sygnałów

Dwukanałowe wzmacniacze PGTIA mogą być nieco bardziej kosztowne w przeliczeniu na jednostkę w porównaniu do alternatywnych rozwiązań jednokanałowych, jednak ich zastosowanie przynosi korzyści w postaci mniejszej liczby komponentów, prostszego montażu i lepszej kontroli jakości.

Wysokozintegrowane, kompaktowe wzmacniacze transimpedancyjne z programowanym wzmocnieniem (PGTIA) firmy ADI

Firma Analog Devices Inc. (ADI) oferuje kompaktowe i elastyczne rozwiązania przeznaczone do zastosowań, które wymagają precyzyjnych wzmacniaczy PGTIA, takich jak optyczne urządzenia sieciowe, interfejsy fotodetektorów i oprzyrządowanie precyzyjne.

Monolityczne dwukanałowe wzmacniacze PGTIA ADA4351-2 (ilustracja 1) zamknięte są w obudowie LFCSP (Lead Frame Chip Scale Package) o wymiarach 3mm x 3mm bez odsłoniętego pola. Każdy kanał posiada dwa wybierane tory sprzężenia zwrotnego z możliwością niezależnego ustawiania wzmocnienia za pomocą rezystorów zewnętrznych.

Ilustracja 1: monolityczny dwukanałowy wzmacniacz transimpedancyjny z programowanym wzmocnieniem (PGTIA) typu ADA4351-2 firmy ADI umożliwia precyzyjny pomiar niewielkich prądów w szerokim zakresie dynamiki. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Urządzenie ADA4351-2 pozwala sprostać potrzebom wielu zastosowań, które wymagają wysokiej precyzji, czułości i zdolności adaptacyjnych. Dzięki uniwersalności doskonale sprawdza się ono w zastosowaniach wymagających precyzyjnego wzmocnienia sygnału, dużego zakresu dynamiki oraz zintegrowanych funkcji, takich jak komunikacja optyczna, obrazowanie medyczne, spektroskopia i oprzyrządowanie naukowe. Zakres temperatur roboczych od -40°C do +125°C.

Kompaktowa konstrukcja urządzenia ADA4351-2 i możliwość bezpośredniego sterowania przetwornikiem analogowo-cyfrowym pozwalają uprościć architektury systemów, redukując liczbę komponentów i zwiększając niezawodność. Urządzenie może sterować bezpośrednio 16-bitowymi precyzyjnymi przetwornikami analogowo-cyfrowymi (ilustracja 2), na przykład AD4695 lub AD4696 firmy ADI, co pozwala deweloperom stworzyć kompletny analogowy układ front-end do precyzyjnych pomiarów prądu.

Ilustracja 2: schemat przedstawiający połowę urządzenia ADA4351-2 sterującą przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC) typu AD4695/AD4696 firmy ADI. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Urządzenie ADA4351-2 posiada odrębne wejścia analogowe i cyfrowe. Może działać przy zasilaniu dwubiegunowym w celu realizacji zaawansowanych zadań analogowych, przy zachowaniu pewnej i niskoszumowej komunikacji z systemami cyfrowymi, dla których poziomem odniesienia jest masa. Zasilacze cyfrowe zapewniają elastyczność sterowania logiką przełączania niezależnie od zakresu zasilania analogowego.

Rozwiązanie to upraszcza projektowanie środowisk o sygnałach mieszanych dzięki możliwości integracji urządzeń ADA4351-2 w systemach wymagających wysokowydajnego przetwarzania analogowego przy zachowaniu kompatybilności z logiką sterowania cyfrowego niskiego napięcia.

Jego obwody analogowe mogą pracować przy zasilaniu pojedynczym (od 2,7V do 5,5V) lub zasilaniu podwójnym (od ±1,35 V do ±2,75 V), co pozwala na obsługę zarówno jednokierunkowych, jak i dwukierunkowych sygnałów wejściowych. Może ono sterować bezpośrednio przetwornikami analogowo-cyfrowymi (ADC) przy napięciach referencyjnych do 5,5V.

Wejście cyfrowe działa przy zasilaniu w zakresie od 1,62V do 5,5V, dzięki czemu jest kompatybilne z powszechnie stosowanymi poziomami logicznymi 1,8V, 3,3V lub 5 V, w zależności od napięcia przyłożonego do wtyków zasilania cyfrowego (DVSS oraz DVDD).

Dwa zintegrowane, opatentowane przełączniki o niskim upływie w stanie wyłączenia dla każdego ustawienia wzmocnienia, połączone w konfiguracji Kelvina w celu zmniejszenia niedokładności wynikającej z nieidealności przełączników CMOS. Zaawansowana technologia przełączania pozwala uzyskać wydajne rozwiązanie do wielu zastosowań, a także znacznie zmniejszyć powierzchnię zajmowaną na płytce drukowanej w porównaniu z wykorzystaniem komponentów dyskretnych.

Iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma dla urządzenia ADA4351-2 wynosi 8,5MHz, co pozwala na obsługę sygnałów wysokiej częstotliwości. Programowane przez użytkownika wzmocnienie umożliwia optymalizację zakresu dynamiki w szerokim zakresie prądów wejściowych.

Prototypowanie i próby z użyciem urządzeń ADA4351-2

Płytka ewaluacyjna EVAL-ADA4351-2EBZ firmy ADI (ilustracja 3) pozwala projektantom na szybkie prototypowanie, próby i optymalizowanie zastosowań wykorzystujących urządzenie ADA4351-2 przed przystąpieniem do projektowania niestandardowych płytek drukowanych.

Ilustracja 3: urządzenie EVAL-LTM4702-AZ zawiera kluczowe komponenty, które dają użytkownikom możliwość uruchamiania i ewaluacji zastosowań wykorzystujących wzmacniacz transimpedancyjny z programowanym wzmocnieniem (PGTIA) typu ADA4351-2. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Płytka pozwala na szybką konfigurację pod kątem współpracy z fotodiodą, wybór wzmocnienia i inne zastosowania, co czyni ją praktycznym narzędziem do opracowywania precyzyjnych analogowych układów front-end do rozwiązań optycznych, oprzyrządowania i akwizycji danych.

Jest ona wstępnie skonfigurowana z użyciem komponentów potrzebnych do demonstracji kluczowych cech urządzenia ADA4351-2, takich jak programowane wzmocnienie transimpedancyjne, niskie szumy i szeroki zakres dynamiki. Wolne gniazdo fotodiody w każdym z kanałów umożliwia szybkie prototypowanie.

Wolne miejsca dla rezystorów i kondensatorów na wejściu i wyjściu pozwalają na instalowanie komponentów o zdefiniowanych przez użytkownika wartościach, w celu wprowadzenia takich modyfikacji, jak filtr dolnoprzepustowy (LPF) lub dzielnik napięcia. Krawędziowe złącza SMA i punkty pomiarowe pozwalają na bezpośrednie podłączenie urządzeń pomiarowych do wejść i wyjść obu kanałów, a także do wtyków sterujących przełączaniem wzmocnienia.

Deweloperzy mogą sprawdzać różne konfiguracje i testować wzmacniacz z użyciem własnych komponentów łańcucha sygnałowego, takich jak przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) i czujniki optyczne.

Podsumowanie

Dwukanałowe wzmacniacze transimpedancyjne z programowanym wzmocnieniem (PGTIA) typu ADA4351-2 pozwalają deweloperom osiągnąć bardziej precyzyjne oraz niezawodne działanie w różnorodnych zastosowaniach optycznych, współpracy z fotodiodami i oprzyrządowaniem oraz akwizycji danych. Wykorzystując zintegrowane przełączanie, programowane wzmocnienie i znakomite parametry szumowe, stanowią one wysoce elastyczne i wydajne rozwiązanie do jednoczesnego przetwarzania sygnałów z niezależnych źródeł wejściowych.