I TIA a guadagno programmabile forniscono un'amplificazione di precisione per l'elaborazione dei segnali

La conversione di un segnale a bassa corrente in una uscita di tensione è essenziale in un'ampia gamma di applicazioni, in particolare quelle che si basano su sensori per convertire fenomeni fisici a scopo di misurazione, monitoraggio e rilevamento. Quando questi segnali sono prevedibili e costanti, gli amplificatori in transimpedenza (TIA) sono una soluzione relativamente semplice e affidabile, ma sempre più spesso gli ingegneri hanno bisogno di un'opzione più sofisticata, con un'amplificazione di precisione in grado di adattarsi a correnti di ingresso variabili o a gamme dinamiche elevate.

I TIA sono utilizzati per convertire la corrente di ingresso in tensione di uscita attraverso un resistore di retroazione. Sono un modo relativamente semplice ed economico per convertire piccole correnti in segnali di tensione.

Questi dispositivi sono ampiamente utilizzati per convertire le correnti prodotte da fenomeni come la luce, la carica elettrica o la radiazione in segnali di tensione misurabili che possono essere amplificati e condizionati per l'elaborazione dei segnali e la trasmissione su lunghe distanze. Per questo sono ampiamente utilizzati nelle comunicazioni in fibra ottica, nel rilevamento della luce e delle radiazioni, nel rilevamento delle particelle, nei dispositivi medici e nei sistemi compatti che utilizzano sensori a bassa potenza.

Tuttavia, la maggior parte dei TIA funziona a guadagno fisso e non si adatta alle fluttuazioni o ad ampi intervalli di corrente, limitando le proprie prestazioni in condizioni dinamiche. Se il livello di corrente non rientra nei parametri di progetto, può provocare distorsione del segnale, riduzione della precisione o prestazioni limitate. L'adattamento a condizioni più variabili o dinamiche richiede modifiche hardware e componenti aggiuntivi, che aumentano la complessità e il consumo energetico.

I TIA a guadagno programmabile (PGTIA) possono utilizzare un singolo amplificatore per gestire gli ampi intervalli dinamici tipici di applicazioni come i sistemi ottici ad alta sensibilità, la strumentazione analitica di precisione e il rilevamento di segnali elettrochimici e bioelettrici.

A differenza dei TIA standard, i PGTIA consentono di ottimizzare il guadagno per un particolare intervallo del segnale, massimizzando l'intensità del segnale in uscita e quindi il rapporto segnale/rumore (SNR) complessivo del sistema. Questi componenti possono modificare dinamicamente il guadagno per amplificare i segnali deboli e impedire che quelli forti saturino l'uscita.

Grazie alla capacità di adattarsi alle mutevoli condizioni del segnale e di modificare dinamicamente il guadagno, i PGTIA sono adatti ad applicazioni con ampi intervalli dinamici in ingresso e a dispositivi di misurazione ad alta precisione. Ad esempio, i PGTIA possono adattarsi dinamicamente ai livelli di segnale dei sistemi LiDAR che misurano una luce riflessa variabile.

PGTIA a canale singolo o doppio

I PGTIA a canale singolo sono ideali per le applicazioni basate sulla misurazione o sul rilevamento di segnali da un singolo punto, come nel caso di un semplice rilevatore di movimento o di uno scanner di codici a barre. Tuttavia, molte applicazioni richiedono una soluzione ancora più adattabile, in grado di fornire una maggiore precisione, ridurre ulteriormente il rumore elettronico, analizzare più parametri e fornire un'elaborazione e un'adattabilità superiori in mercati in rapida evoluzione.

I PGTIA a doppio canale possono elaborare simultaneamente segnali provenienti da due sorgenti di ingresso indipendenti, consentendo ai progettisti di consolidare funzioni come il rilevamento differenziale, la cancellazione del rumore e l'analisi multiparametrica. L'integrazione di due canali di amplificazione in un unico contenitore compatto è più economicamente vantaggioso rispetto all'utilizzo di dispositivi separati a canale singolo e può ridurre la necessità di componenti aggiuntivi. Ogni canale può essere ottimizzato per diversi intervalli di ingresso, offrendo ai progettisti una maggiore versatilità per le loro applicazioni.

Altri vantaggi dei PGTIA a doppio canale sono un consumo energetico più efficiente, la riduzione al minimo degli effetti parassiti che potrebbero derivare dalla combinazione di componenti discreti e la riduzione dello spazio necessario sulla scheda. I due canali possono essere utilizzati per diversi scopi di progettazione, ad esempio:

• Acquisizione simultanea di dati da sorgenti indipendenti per aumentare l'efficienza
• Mezzo per fornire ridondanza delle misurazioni e migliorare l'affidabilità
• Ottenimento di misurazioni comparative da due segnali

Sebbene i PGTIA a due canali possano essere leggermente più costosi per unità rispetto alle alternative a canale singolo, ciò sarà probabilmente più che controbilanciato dalla riduzione del numero di componenti, dalla semplificazione dell'assemblaggio e da un controllo di qualità migliore.

PGTIA compatto e altamente integrato di ADI

Analog Devices, Inc. (ADI) offre una soluzione compatta e flessibile per le applicazioni che richiedono PGTIA di precisione, come le apparecchiature per connettività di rete ottiche, le interfacce dei fotorilevatori e la strumentazione di precisione.

ADA4351-2 (Figura 1) è un PGTIA monolitico a due canali in un contenitore LFCSP (Lead Frame Chip-Scale) di 3 x 3 mm senza piazzole esposte. Ogni canale ha due percorsi di retroazione selezionabili, il cui guadagno è impostato da un resistore esterno.

Figura 1: Il PGTIA ADA4351-2 di ADI è un'opzione monolitica a due canali per misurare con precisione piccole correnti in un'ampia gamma dinamica. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

ADA4351-2 è in grado di soddisfare le esigenze di molte applicazioni che richiedono elevata precisione, sensibilità e adattabilità. La sua versatilità lo rende adatto ad applicazioni che richiedono un'amplificazione precisa del segnale, un'elevata gamma dinamica e funzionalità integrate, come le comunicazioni ottiche, l'imaging medico, la spettroscopia e la strumentazione scientifica. L'intervallo della temperatura di funzionamento si estende da -40 °C a +125 °C.

Il design compatto di ADA4351-2 e la sua capacità di pilotare direttamente un convertitore analogico/digitale possono semplificare le architetture di sistema, ridurre il numero di componenti e migliorare l'affidabilità. Può pilotare direttamente due ADC di precisione a 16 bit (Figura 2, uno mostrato), come i modelli AD4695 e AD4696 di ADI, fornendo agli sviluppatori un front-end analogico completo per applicazioni di misurazione precisa della corrente.

Figura 2: Schema di una metà del dispositivo ADA4351-2 che pilota un ADC come AD4695/AD4696 di ADI. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

ADA4351-2 presenta ingressi analogici e digitali distinti e può funzionare con alimentazioni bipolari per svolgere compiti analogici ad alte prestazioni mantenendo una comunicazione continua e a basso rumore con i sistemi digitali con riferimento a massa. Le alimentazioni digitali offrono la flessibilità di controllare la logica di commutazione separatamente dall'intervallo di alimentazione analogico.

La soluzione semplifica la progettazione di ambienti a segnale misto, in quanto ADA4351-2 può essere integrato in sistemi che richiedono un'elaborazione analogica ad alte prestazioni, mantenendo la compatibilità con la logica di controllo digitale a bassa tensione.

La sua circuiteria analogica può utilizzare un'alimentazione singola (2,7 ~ 5,5 V) o doppia (±1,35 ~ ±2,75 V) per segnali di ingresso unidirezionali e bidirezionali. Può pilotare direttamente gli ADC con tensioni di riferimento fino a 5,5 V.

L'ingresso digitale funziona con alimentazioni comprese tra 1,62 V e 5,5 V e ciò lo rende compatibile con i livelli logici comuni di 1,8 V, 3,3 V o 5 V, a seconda della tensione applicata ai pin di alimentazione digitale (DVSS e DVDD).

I due interruttori proprietari integrati a bassa dispersione per ogni impostazione di guadagno sono disposti in una configurazione Kelvin per ridurre l'imprecisione dovuta alle non idealità degli interruttori CMOS. L'avanzata tecnologia di commutazione ne fa una soluzione efficiente per molte applicazioni, con un ingombro su PCB significativamente ridotto rispetto all'utilizzo di componenti discreti.

ADA4351-2 ha una larghezza di banda di guadagno di 8,5 MHz per gestire i segnali ad alta frequenza. Il guadagno programmabile dall'utente consente di ottimizzare la gamma dinamica su un ampio intervallo di correnti di ingresso.

Prototipazione e test di ADA4351-2

La scheda di valutazione EVAL-ADA4351-2EBZ di ADI (Figura 3) consente ai progettisti di prototipare, testare e ottimizzare rapidamente le applicazioni che utilizzano ADA4351-2 prima di passare a un progetto PCB personalizzato.

Figura 3: La scheda EVAL-ADA4351-2EBZ è fornita con i componenti necessari per eseguire e valutare le applicazioni che utilizzano il PGTIA ADA4351-2. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

La scheda supporta la rapida configurazione per l'interfacciamento dei fotodiodi, la selezione del guadagno e altre applicazioni, il che la rende uno strumento pratico per lo sviluppo di sistemi front-end analogici di precisione in applicazioni ottiche, di strumentazione e acquisizione dati.

È preconfigurata con i componenti necessari per dimostrare le caratteristiche principali di ADA4351-2, tra cui il guadagno di transimpedenza programmabile, il funzionamento a basso rumore e l'ampia gamma dinamica. Uno slot vuoto per fotodiodi su ciascun canale contribuisce alla prototipazione rapida.

Gli ingombri per resistore e condensatore aperto sull'ingresso e sull'uscita consentono l'installazione di componenti con valori definiti dall'utente per le modifiche, come un filtro passa-basso (LPF) o un divisore di tensione. I connettori SMA montati a bordo scheda e i punti di prova consentono di collegare direttamente l'apparecchiatura di test agli ingressi e alle uscite di entrambi i canali, nonché ai pin di controllo dell'interruttore di guadagno.

Gli sviluppatori possono esaminare diverse configurazioni e collaudare l'amplificatore con i propri componenti della catena di segnali, come ADC o sensori ottici.

Conclusione

Con il PGTIA a due canali ADA4351-2 di ADI, gli sviluppatori possono ottenere prestazioni più precise e affidabili in varie applicazioni di interfacciamento di fotodiodi, ottica, strumentazione e acquisizione dati. Grazie alla commutazione integrata, al guadagno programmabile e alle prestazioni di rumore superiori, è una soluzione altamente adattabile ed efficiente per l'elaborazione simultanea di segnali provenienti da sorgenti di ingresso indipendenti.