可编程增益 TIA 为信号处理提供精密放大

作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美编辑

将低电流信号转换为电压输出是广泛应用的基本要求，特别是那些依靠传感器转换物理现象以进行测量、监控和检测的应用。当这些信号可预测且稳定时，跨阻放大器 (TIA) 是一种相对简单且可靠的解决方案，但工程师越来越需要一种具有精密放大功能的更复杂的选项，可以适应可变输入电流或高动态范围。

TIA 用于通过反馈电阻将输入电流转换为输出电压。它们提供了一种相对简单且经济高效的方式将小电流转换为电压信号。

这些设备广泛用于将光、电荷或辐射等现象产生的电流转换为可测量的电压信号，这些电压信号可以被放大和调节以进行信号处理和长距离传输。因此，它们广泛应用于光纤通信、光和辐射传感、粒子探测、光探测和测距 (LiDAR)、医疗设备以及利用低功耗传感器的紧凑系统。

然而，大多数 TIA 以固定增益运行，无法适应波动或宽电流范围，从而限制了它们在动态条件下的性能。当电流水平不在设计参数范围内时，可能会导致信号失真、精度降低或性能受限。要使这些适应更多变化或动态的条件，需要修改硬件和额外的组件，从而增加了复杂性并增加了功耗。

可编程增益 TIA (PGTIA) 可以利用单个放大器来处理高灵敏度光学系统、精密分析仪器以及电化学和生物电信号检测等应用中遇到的宽动态范围。

与标准 TIA 不同，PGTIA 允许优化特定信号范围的增益，最大化输出信号强度，从而最大化整个系统的信噪比 (SNR)。这些组件可以动态改变增益以放大微弱信号并防止强信号使输出饱和。

PGTIA 能够适应不断变化的信号条件并动态改变增益，适用于具有宽输入动态范围和高精度测量设备的应用。例如，PGTIA 可以动态适应测量可变反射光的 LiDAR 系统的信号电平。

单通道 PGTIA 与双通道 PGTIA

单通道 PGTIA 非常适合依赖于从单点测量或检测信号的应用，例如简单的运动检测器或条形码扫描仪。但许多应用需要适应性更强的解决方案，以提供更高的精度、进一步降低电子噪声、分析多个参数，并在快速发展的市场中提供卓越的处理和适应性。

双通道 PGTIA 可以同时处理来自两个独立输入源的信号，使设计人员能够整合差分检测、噪声消除和多参数分析等功能。将双放大器通道集成到一个紧凑的封装中比采用单独的单通道器件更具成本效益，并且可以减少对额外组件的需求。每个通道都可以针对不同的输入范围进行优化，为设计人员的应用提供更大的多功能性。

双通道 PGTIA 的其他优点包括更高效的功耗、最大限度地减少组合分立元件可能产生的寄生效应以及减少所需的电路板空间。双通道可用于多种应用设计目的，例如：

• 从独立数据源同时获取数据以提高效率
• 提供测量冗余以提高可靠性
• 从两个信号实现比较测量

虽然双通道 PGTIA 的单位成本可能比单通道替代品稍高，但组件数量的减少、装配的简化和质量控制的改进很可能足以抵消这一影响。

ADI 高度集成、紧凑的 PGTIA

[Analog Devices, Inc.] (ADI) 为需要精密 PGTIA 的应用提供紧凑、灵活的解决方案，例如光网络设备、光电探测器接口和精密仪器。

ADA4351-2 （图 1）是一款单片双通道[PGTIA，采用 3 mm x 3 mm 引线框架芯片级封装 (LFCSP)，无外露焊盘。每个通道都有两个可选择的反馈路径，其中每个反馈路径的增益由外部电阻器设置。

图 1：ADI 的 ADA4351-2 PGTIA 提供单片双通道选项，可在宽动态范围内精确测量小电流。 （图片来源：Analog Devices, Inc.）

ADA4351-2 可以满足一系列依赖于高精度、灵敏度和适应性的应用的需求。其多功能性使其非常适合需要精确信号放大、高动态范围和集成功能的应用，例如光通信、医学成像、光谱学和科学仪器。其工作温度范围为-40°C至+125°C。

ADA4351-2 的紧凑设计和直接驱动模数转换器的能力可以简化系统架构、减少组件数量并增强可靠性。它可以直接驱动两个 16 位精密 ADC（图 2，其中所示之一），例如 ADI 的 AD4695 和[AD4696]，为开发人员提供用于精密电流测量应用的完整模拟前端。

图 2：驱动 ADC（例如 ADI 的 AD4695/AD4696）的 1/2 ADA4351-2 原理图。 （图片来源：Analog Devices, Inc.）

ADA4351-2 提供不同的模拟和数字输入，可以在双极性电源下运行，以完成高性能模拟任务，同时保持与接地参考数字系统的无缝和低噪声通信。数字电源提供了独立于模拟电源范围来控制开关逻辑的灵活性。

该解决方案简化了混合信号环境的设计，因为 ADA4351-2 可以集成到需要高性能模拟处理的系统中，同时保持与低压数字控制逻辑的兼容性。

其模拟电路可以使用单电源（2.7 V 至 5.5 V）或双电源（±1.35 V 至±2.75 V），从而支持单向和双向输入信号。它可以直接驱动参考电压高达 5.5 V 的 ADC。

数字输入适用于 1.62 V 至 5.5 V 之间的电源，使其与 1.8 V、3.3 V 或 5 V 的常见逻辑电平兼容，具体取决于施加到数字电源引脚（DVSS 和 DVDD）的电压。

每个增益设置的两个集成、低截止泄漏专有开关以开尔文配置排列，以减少由于 CMOS 开关的非理想性而导致的不准确性。先进的开关技术使其成为许多应用的高效解决方案，与使用分立元件相比，PCB 占地面积显着减少。

ADA4351-2 的增益带宽积为 8.5 MHz，可处理高频信号。用户可编程增益可优化宽输入电流范围内的动态范围。

ADA4351-2 原型设计和测试

ADI 的[EVAL-ADA4351-2EBZ] 评估板（图 3）允许设计人员在转向定制 PCB 设计之前使用 ADA4351-2 快速进行原型设计、测试和优化应用。

图 3：EVAL-ADA4351-2EBZ 配备了关键组件，允许用户使用 ADA4351-2 PGTIA 运行和评估应用程序。 （图片来源：Analog Devices, Inc.）

该板支持光电二极管接口、增益选择和其他应用的快速配置，使其成为开发用于光学、仪器和数据采集场景的精密模拟前端系统的实用工具。

它预先配置了演示 ADA4351-2 关键特性所需的组件，包括可编程跨阻增益、低噪声操作和宽动态范围。每个通道上都有一个未填充的光电二极管插槽，支持快速原型设计。

输入和输出处的开放式电阻器和电容器封装允许安装具有用户定义的修改值的组件，例如低通滤波器 (LPF) 或分压器。边缘安装的 SMA 连接器和测试点允许将测试设备直接连接到两个通道的输入和输出以及增益开关控制引脚。

开发人员可以探索不同的配置，并使用自己的信号链组件（例如 ADC 或光学传感器）测试放大器。

结论

借助 ADI 的 ADA4351-2 双通道 PGTIA，开发人员可为各种光电二极管接口、光学、仪器仪表和数据采集应用实现更精确、更可靠的性能。利用其集成开关、可编程增益和卓越的噪声性能，它为同时处理来自独立输入源的信号提供了高度适应性和高效的解决方案。
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审核编辑 黄宇