TIAs mit programmierbarer Verstärkung liefern Präzisionsverstärkung für die Signalverarbeitung

Die Umwandlung eines Schwachstromsignals in eine Ausgangsspannung ist eine wesentliche Voraussetzung für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere für solche, die auf Sensoren zur Umwandlung physikalischer Phänomene für Mess-, Überwachungs- und Detektionszwecke angewiesen sind. Wenn diese Signale vorhersehbar und stabil sind, sind Transimpedanzverstärker (TIAs) eine relativ einfache und zuverlässige Lösung, aber zunehmend benötigen Ingenieure eine anspruchsvollere Option mit Präzisionsverstärkung, die sich an variable Eingangsströme oder hohe Dynamikbereiche anpassen kann.

TIAs werden verwendet, um den Eingangsstrom über einen Rückkopplungswiderstand in eine Ausgangsspannung umzuwandeln. Sie bieten eine relativ einfache und kostengünstige Möglichkeit, kleine Ströme in Spannungssignale umzuwandeln.

Diese Komponenten werden häufig eingesetzt, um Ströme, die durch Phänomene wie Licht, elektrische Ladung oder Strahlung erzeugt werden, in messbare Spannungssignale umzuwandeln, die verstärkt und für die Signalverarbeitung und Fernübertragung aufbereitet werden können. Sie finden daher breite Anwendung in der Glasfaserkommunikation, der Licht- und Strahlungsmessung, der Partikeldetektion, der Lichterkennung und -entfernungsmessung (LiDAR), in medizinischen Geräten und in kompakten Systemen, die Sensoren mit geringem Stromverbrauch verwenden.

Die meisten TIAs arbeiten jedoch mit einer festen Verstärkung und sind nicht an Schwankungen oder große Strombereiche anpassbar, was ihre Performance unter dynamischen Bedingungen einschränkt. Wenn der Strompegel nicht innerhalb der Entwurfsparameter liegt, kann dies zu Signalverzerrungen, geringerer Genauigkeit oder eingeschränkter Performance führen. Die Anpassung dieser Systeme an veränderliche oder dynamische Bedingungen erfordert eine Änderung der Hardware und zusätzliche Komponenten, was die Komplexität erhöht und den Stromverbrauch steigert.

TIAs mit programmierbarer Verstärkung (PGTIAs) können mit einem einzigen Verstärker die großen dynamischen Bereiche bewältigen, die in Anwendungen wie hochempfindlichen optischen Systemen, präzisen analytischen Instrumenten und elektrochemischer und bioelektrischer Signalerfassung auftreten.

Im Gegensatz zu Standard-TIAs ermöglichen PGTIAs die Optimierung der Verstärkung für einen bestimmten Signalbereich, wodurch die Ausgangssignalstärke und damit das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Gesamtsystems maximiert wird. Diese Komponenten können die Verstärkung dynamisch ändern, um schwache Signale zu verstärken und zu verhindern, dass starke Signale den Ausgang in die Sättigung treiben.

PGTIAs sind in der Lage, sich an wechselnde Signalbedingungen anzupassen und die Verstärkung dynamisch zu ändern und eignen sich daher für Anwendungen mit großen Eingangsdynamikbereichen und hochpräzisen Messgeräten. PGTIAs können sich zum Beispiel dynamisch an die Signalpegel von LiDAR-Systemen anpassen, die variabel reflektiertes Licht messen.

PGTIAs mit einem oder zwei Kanälen

Einkanalige PGTIAs eignen sich hervorragend für Anwendungen, bei denen es auf die Messung oder Erfassung von Signalen an einem einzigen Punkt ankommt, wie z. B. bei einem einfachen Bewegungsmelder oder einem Barcode-Scanner. Viele Anwendungen erfordern jedoch eine noch anpassungsfähigere Lösung, um eine höhere Präzision zu erzielen, das elektronische Rauschen weiter zu reduzieren, mehrere Parameter zu analysieren und eine überlegene Verarbeitung und Anpassungsfähigkeit in sich schnell entwickelnden Märkten zu bieten.

Zweikanal-PGTIAs können Signale von zwei unabhängigen Eingangsquellen gleichzeitig verarbeiten und ermöglichen es, Funktionen wie Differenzerkennung, Rauschunterdrückung und Multiparameteranalyse zu konsolidieren. Die Integration von zwei Verstärkerkanälen in ein kompaktes Gehäuse ist kosteneffizienter als der Einsatz von separaten Einkanalbauteilen und kann den Bedarf an zusätzlichen Komponenten reduzieren. Jeder Kanal kann für verschiedene Eingangsbereiche optimiert werden, was eine größere Vielseitigkeit für Anwendungen bietet.

Zu den weiteren Vorteilen von Zweikanal-PGTIAs gehören eine effizientere Leistungsaufnahme, die Minimierung von parasitären Effekten, die sich aus der Kombination diskreter Komponenten ergeben könnten, und die Reduzierung des benötigten Platzes auf der Leiterplatte. Die zwei Kanäle können für verschiedene Anwendungszwecke genutzt werden, z. B:

• Gleichzeitiges Erfassen von Daten aus unabhängigen Datenquellen zur Steigerung der Effizienz
• Redundanz der Messungen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit
• Vergleichende Messungen von zwei Signalen

Zweikanal-PGTIAs sind zwar pro Einheit etwas teurer als Einkanal-Alternativen, doch wird dies wahrscheinlich durch die geringere Anzahl von Komponenten, die einfachere Montage und die verbesserte Qualitätskontrolle mehr als ausgeglichen.

ADIs hochintegrierter, kompakter PGTIA

Analog Devices, Inc. (ADI) bietet eine kompakte und flexible Lösung für Anwendungen, die Präzisions-PGTIAs erfordern, wie z. B. optische Netzwerkgeräte, Photodetektorschnittstellen und Präzisionsinstrumente.

Der ADA4351-2 (Abbildung 1) ist ein monolithischer, zweikanaliger PGTIA in einem 3 mm x 3 mm großen Lead-Frame-Chip-Scale-Gehäuse (LFCSP) ohne freiliegender Kontaktfläche. Jeder Kanal hat zwei wählbare Rückkopplungspfade, wobei die Verstärkung jedes Rückkopplungspfads durch einen externen Widerstand eingestellt wird.

Abbildung 1: Der PGTIA ADA4351-2 von ADI ist eine monolithische, zweikanalige Option zur präzisen Messung kleiner Ströme über einen großen Dynamikbereich. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der ADA4351-2 erfüllt die Anforderungen einer Reihe von Anwendungen, die auf hohe Präzision, Empfindlichkeit und Anpassungsfähigkeit angewiesen sind. Durch seine Vielseitigkeit eignet er sich gut für Anwendungen, die eine präzise Signalverstärkung, einen hohen Dynamikbereich und integrierte Funktionen erfordern, z. B. in der optischen Kommunikation, der medizinischen Bildgebung, der Spektroskopie und der wissenschaftlichen Instrumentierung. Die Betriebstemperatur liegt zwischen -40 °C bis +125 °C.

Das kompakte Design des ADA4351-2 und seine Fähigkeit, einen Analog/Digital-Wandler direkt anzusteuern, können Systemarchitekturen vereinfachen, die Anzahl der Komponenten reduzieren und die Zuverlässigkeit erhöhen. Er kann zwei 16-Bit-Präzisions-ADCs (Abbildung 2, einer im Bild), wie z. B. die AD4695 und AD4696 von ADI, direkt ansteuern und bietet damit ein komplettes analoges Frontend für Präzisionsstrommessanwendungen.

Abbildung 2: Schematische Darstellung einer Hälfte des ADA4351-2, der einen ADC wie den AD4695/AD4696 von ADI ansteuert. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der ADA4351-2 verfügt über getrennte analoge und digitale Eingänge und kann mit bipolaren Stromversorgungen betrieben werden, um analoge Hochleistungsaufgaben zu erfüllen und gleichzeitig eine nahtlose und rauscharme Kommunikation mit massebezogenen Digitalsystemen zu gewährleisten. Die digitalen Versorgungen bieten die Flexibilität, die Schaltlogik unabhängig vom analogen Versorgungsbereich zu steuern.

Die Lösung vereinfacht das Design für Mischsignal-Umgebungen, da der ADA4351-2 in Systeme integriert werden kann, die eine leistungsstarke analoge Verarbeitung erfordern, während die Kompatibilität mit digitaler Niederspannungs-Steuerlogik erhalten bleibt.

Die analogen Schaltkreise können entweder mit einer einzigen Versorgungsspannung (2,7 V bis 5,5 V) oder mit zwei Versorgungsspannungen (±1,35 V bis ±2,75 V) betrieben werden, was sowohl unidirektionale als auch bidirektionale Eingangssignale ermöglicht. ADCs mit Referenzspannungen von bis zu 5,5 V können direkt angesteuert werden.

Der digitale Eingang arbeitet mit Versorgungsspannungen zwischen 1,62 V und 5,5 V und ist damit kompatibel mit den üblichen Logikpegeln von 1,8 V, 3,3 V oder 5 V, je nach der an den digitalen Versorgungspins (DVSS und DVDD) angelegten Spannung.

Die zwei integrierten proprietären Schalter mit geringem Leckstrom pro Verstärkungseinstellung sind in einer Kelvin-Konfiguration angeordnet, um Ungenauigkeiten aufgrund von Nicht-Idealitäten von CMOS-Schaltern zu reduzieren. Die moderne Schalttechnologie macht ihn zu einer effizienten Lösung für viele Anwendungen, die im Vergleich zur Verwendung diskreter Komponenten eine deutlich geringere Leiterplattenfläche benötigt.

Der ADA4351-2 hat ein Verstärkungsbandbreitenprodukt von 8,5 MHz, um hochfrequente Signale zu verarbeiten. Die vom Benutzer programmierbare Verstärkung ermöglicht die Optimierung des dynamischen Bereichs über einen großen Bereich von Eingangsströmen.

Prototyping und Testen des ADA4351-2

Mit dem Evaluierungsboard EVAL-ADA4351-2EBZ von ADI (Abbildung 3) können schnell Prototypen erstellt, getestet und Anwendungen mit dem ADA4351-2 optimiert werden, bevor zu einem kundenspezifischen Platinendesign übergegangen wird.

Abbildung 3: Das EVAL-ADA4351-2EBZ wird mit den wichtigsten Komponenten geliefert, die es dem Benutzer ermöglichen, Anwendungen mit dem ADA4351-2 PGTIA auszuführen und zu evaluieren. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die Karte unterstützt eine schnelle Konfiguration für Photodiodenschnittstellen, Verstärkungsauswahl und andere Anwendungen und ist damit ein praktisches Werkzeug für die Entwicklung präziser analoger Frontend-Systeme für optische, instrumentelle und Datenerfassungsszenarien.

Sie ist mit den Komponenten vorkonfiguriert, die für die Demonstration der Hauptmerkmale des ADA4351-2 erforderlich sind, einschließlich seiner programmierbaren Transimpedanzverstärkung, seines rauscharmen Betriebs und seines großen Dynamikbereichs. Ein unbestückter Photodiodensteckplatz auf jedem Kanal unterstützt das schnelle Prototyping.

Offene Widerstands- und Kondensator-Footprints am Ein- und Ausgang ermöglichen den Einbau von Komponenten mit benutzerdefinierten Werten für Modifikationen, wie z. B. ein Tiefpassfilter (LPF) oder Spannungsteiler. An der Kante montierte SMA-Anschlüsse und Prüfpunkte ermöglichen den direkten Anschluss von Prüfgeräten an die Ein- und Ausgänge beider Kanäle sowie an die Steuerpins des Verstärkungsschalters.

Entwickler können verschiedene Konfigurationen erforschen und den Verstärker mit ihren eigenen Signalkettenkomponenten, wie ADCs oder optischen Sensoren, testen.

Fazit

Mit dem Zweikanal-PGTIA ADA4351-2 von ADI können Entwickler eine präzisere und zuverlässigere Leistung für verschiedene Photodioden-Schnittstellen-, Optik-, Instrumentierungs- und Datenerfassungsanwendungen erzielen. Mit seiner integrierten Schaltung, der programmierbaren Verstärkung und dem überragenden Rauschverhalten bietet er eine äußerst anpassungsfähige und effiziente Lösung für die gleichzeitige Verarbeitung von Signalen aus unabhängigen Eingangsquellen.