Les amplificateurs d'adaptation d'impédance à gain programmable offrent une amplification de précision pour le traitement des signaux

La conversion d'un signal de faible courant en une sortie en tension est une exigence essentielle pour une large gamme d'applications, en particulier celles qui reposent sur des capteurs pour convertir des phénomènes physiques à des fins de mesure, de surveillance et de détection. Lorsque ces signaux sont prévisibles et stables, les amplificateurs d'adaptation d'impédance (TIA) constituent une solution relativement simple et fiable, mais les ingénieurs ont de plus en plus besoin d'une option plus sophistiquée avec une amplification de précision capable de s'adapter à des courants d'entrée variables ou à des plages dynamiques élevées.

Les amplificateurs d'adaptation d'impédance sont utilisés pour convertir le courant d'entrée en tension de sortie via une résistance de contre-réaction. Ils offrent un moyen relativement simple et économique de convertir de faibles courants en signaux de tension.

Ces dispositifs sont largement utilisés pour convertir les courants produits par des phénomènes tels que la lumière, la charge électrique ou le rayonnement en signaux de tension mesurables qui peuvent être amplifiés et mis en forme pour le traitement des signaux et la transmission longue distance. En tant que tels, ils sont largement utilisés dans les communications fibre optique, la détection de lumière et de rayonnement, la détection de particules, la télédétection par laser (LiDAR), les dispositifs médicaux et les systèmes compacts utilisant des capteurs basse consommation.

Cependant, la plupart des amplificateurs d'adaptation d'impédance fonctionnent avec un gain fixe et ne s'adaptent pas aux fluctuations ou aux larges plages de courant, ce qui limite leurs performances en conditions dynamiques. Lorsque le niveau de courant n'est pas conforme aux paramètres de conception, cela peut entraîner une distorsion des signaux, une réduction de la précision ou une limitation des performances. L'adaptation à des conditions plus variables ou dynamiques requiert des modifications matérielles et des composants supplémentaires, ce qui augmente la complexité et la consommation d'énergie.

Les amplificateurs d'adaptation d'impédance à gain programmable (PGTIA) peuvent utiliser un seul amplificateur pour gérer les larges plages dynamiques typiques des applications telles que les systèmes optiques haute sensibilité, l'instrumentation analytique de précision et la détection de signaux électrochimiques et bioélectriques.

Contrairement aux amplificateurs d'adaptation d'impédance standard, les PGTIA permettent d'optimiser le gain pour une plage de signaux particulière, maximisant ainsi la puissance du signal de sortie et donc le rapport signal/bruit (SNR) global du système. Ces composants peuvent modifier dynamiquement le gain pour amplifier les signaux faibles et empêcher les signaux forts de saturer la sortie.

Grâce à leur capacité à s'adapter aux conditions de signal changeantes et à modifier dynamiquement le gain, les PGTIA conviennent aux applications avec de larges plages dynamiques d'entrée et aux dispositifs de mesure haute précision. Par exemple, les PGTIA peuvent s'adapter dynamiquement aux niveaux de signal des systèmes LiDAR mesurant une lumière réfléchie variable.

PGTIA à un ou deux canaux

Les PGTIA à un canal conviennent parfaitement aux applications qui reposent sur la mesure ou la détection de signaux à partir d'un seul point, comme dans un simple détecteur de mouvement ou un lecteur de codes-barres. Mais de nombreuses applications requièrent une solution encore plus adaptable pour offrir une plus grande précision, réduire davantage le bruit électronique, analyser de multiples paramètres et fournir un traitement et une adaptabilité supérieurs sur des marchés en évolution rapide.

Les PGTIA à deux canaux peuvent traiter simultanément des signaux provenant de deux sources d'entrée indépendantes, ce qui permet aux concepteurs de consolider des fonctions telles que la détection différentielle, l'annulation du bruit et l'analyse multiparamétrique. L'intégration de deux canaux d'amplificateur dans un seul boîtier compact est plus rentable que l'utilisation de dispositifs à un canal distincts et peut réduire le besoin de composants supplémentaires. Chaque canal peut être optimisé pour différentes plages d'entrée, offrant aux concepteurs une plus grande polyvalence pour leurs applications.

Les autres avantages des PGTIA à deux canaux incluent une consommation d'énergie plus efficace, la minimisation des effets parasites qui pourraient résulter de la combinaison de composants discrets et la réduction de l'espace carte nécessaire. Les deux canaux peuvent être utilisés à diverses fins de conception d'applications, notamment :

• Acquérir des données simultanément à partir de sources de données indépendantes afin d'augmenter l'efficacité
• Assurer la redondance des mesures pour améliorer la fiabilité
• Réaliser des mesures comparatives à partir de deux signaux

Bien que les PGTIA à deux canaux puissent être légèrement plus chers par unité que les alternatives à un canal, ce surcoût est largement compensé par la réduction du nombre de composants, la simplification de l'assemblage et l'amélioration du contrôle qualité.

PGTIA compact et hautement intégré d'ADI

Analog Devices, Inc. (ADI) propose une solution compacte et flexible pour les applications exigeant des PGTIA de précision, telles que les équipements de réseaux optiques, les interfaces de photodétecteurs et l'instrumentation de précision.

L'ADA4351-2 (Figure 1) est un PGTIA monolithique à deux canaux en boîtier LFCSP de 3 mm x 3 mm sans plot exposé. Chaque canal dispose de deux voies de rétroaction sélectionnables, le gain de chaque voie de rétroaction étant défini par une résistance externe.

Figure 1 : Le PGTIA ADA4351-2 d'ADI offre une option monolithique à deux canaux pour mesurer avec précision de faibles courants sur une large plage dynamique. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

L'ADA4351-2 peut répondre aux besoins de nombreuses applications qui dépendent d'une précision, d'une sensibilité et d'une adaptabilité élevées. Grâce à sa polyvalence, il constitue un outil idéal pour les applications exigeant une amplification précise du signal, une plage dynamique élevée et des fonctionnalités intégrées, comme la communication optique, l'imagerie médicale, la spectroscopie et l'instrumentation scientifique. Sa plage de températures de fonctionnement s'étend de -40°C à +125°C.

La conception compacte de l'ADA4351-2 et sa capacité à commander directement un convertisseur analogique-numérique peuvent simplifier les architectures de systèmes, réduire le nombre de composants et améliorer la fiabilité. Il peut commander directement deux CAN de précision 16 bits (Figure 2, avec un CAN illustré), tels que l'AD4695 et l'AD4696 d'ADI, offrant aux développeurs un circuit d'entrée analogique complet pour les applications de mesure de courant de précision.

Figure 2 : Schéma d'une moitié de l'ADA4351-2 commandant un CAN tel que l'AD4695/AD4696 d'ADI. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

L'ADA4351-2 fournit des entrées analogiques et numériques distinctes et peut fonctionner sur des alimentations bipolaires pour accomplir des tâches analogiques hautes performances tout en maintenant une communication à faible bruit transparente avec les systèmes numériques référencés à la masse. Les alimentations numériques offrent la flexibilité de contrôler la logique de commutation séparément de la plage d'alimentation analogique.

La solution simplifie la conception pour les environnements à signaux mixtes car l'ADA4351-2 peut être intégré dans des systèmes exigeant un traitement analogique hautes performances tout en maintenant la compatibilité avec la logique de commande numérique basse tension.

Ses circuits analogiques peuvent utiliser une alimentation simple (2,7 V à 5,5 V) ou une alimentation double (±1,35 V à ±2,75 V), permettant des signaux d'entrée unidirectionnels et bidirectionnels. Il peut commander directement des CAN avec des tensions de référence jusqu'à 5,5 V.

L'entrée numérique fonctionne avec des alimentations entre 1,62 V et 5,5 V, ce qui la rend compatible avec les niveaux logiques communs de 1,8 V, 3,3 V ou 5 V, en fonction de la tension appliquée aux broches d'alimentation numérique (DVSS et DVDD).

Les deux commutateurs propriétaires à faible fuite intégrés pour chaque réglage de gain sont placés dans une configuration Kelvin pour réduire l'imprécision due aux non-idéalités des commutateurs CMOS. La technologie de commutation avancée en fait une solution efficace pour de nombreuses applications, avec une empreinte carte considérablement réduite par rapport à l'utilisation de composants discrets.

L'ADA4351-2 présente un produit gain-bande passante de 8,5 MHz pour gérer les signaux haute fréquence. Le gain programmable par l'utilisateur permet d'optimiser la plage dynamique sur une large plage de courants d'entrée.

Prototypage et test de l'ADA4351-2

La carte d'évaluation EVAL-ADA4351-2EBZ d'ADI (Figure 3) permet aux concepteurs de prototyper, tester et optimiser rapidement des applications à l'aide de l'ADA4351-2 avant de passer à la conception d'un circuit imprimé personnalisé.

Figure 3 : La carte EVAL-ADA4351-2EBZ est équipée des composants clés permettant aux utilisateurs d'exécuter et d'évaluer des applications avec le PGTIA ADA4351-2. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

La carte permet une configuration rapide pour l'interfaçage des photodiodes, la sélection du gain et d'autres applications, et constitue un outil pratique pour développer des systèmes frontaux analogiques de précision pour les scénarios optiques, d'instrumentation et d'acquisition de données.

Elle est préconfigurée avec les composants nécessaires pour démontrer les fonctionnalités clés de l'ADA4351-2, notamment le gain d'adaptation d'impédance programmable, le fonctionnement à faible bruit et la large plage dynamique. Un emplacement de photodiode libre sur chaque canal permet un prototypage rapide.

Les emplacements de résistance et de condensateur ouverts à l'entrée et à la sortie permettent l'installation de composants avec des valeurs définies par l'utilisateur pour des modifications, comme un filtre passe-bas (LPF) ou un diviseur de tension. Les connecteurs SMA enfichables et les points de test permettent de connecter directement l'équipement de test aux entrées et sorties des deux canaux, ainsi qu'aux broches de commande du commutateur de gain.

Les développeurs peuvent explorer différentes configurations et tester l'amplificateur avec leurs propres composants de chaîne de signaux, tels que des CAN ou des capteurs optiques.

Conclusion

Avec le PGTIA à deux canaux ADA4351-2 d'ADI, les développeurs peuvent atteindre des performances plus précises et plus fiables pour diverses applications d'interface de photodiodes, d'optique, d'instrumentation et d'acquisition de données. Grâce à sa commutation intégrée, à son gain programmable et à ses performances de bruit supérieures, il offre une solution hautement adaptable et efficace pour le traitement simultané de signaux provenant de sources d'entrée indépendantes.