SGM834D：140dB 宽范围对数电流 - 电压转换器的深度解析
SGM834D：140dB 宽范围对数电流 - 电压转换器的深度解析
在电子工程领域，对于低频率、宽范围电流信号的精确测量一直是一个重要的课题。SGM834D 作为一款由 SGMICRO 推出的单电源对数电流 - 电压转换器，在这方面表现出色。它能够测量从 1nA 到 10mA 范围内的电流信号，为众多应用场景提供了可靠的解决方案。
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一、产品概述
1.1 主要特性
- 宽测量范围：具备七个完整的十进制范围，可测量 1nA 到 10mA 的电流，测量范围达 140dB。
- 单电源供电：支持 3V 到 5.5V 的单电源操作，使用方便。
- 低功耗与温度稳定性：功耗低，且在不同温度环境下性能稳定。
- 精确调整：具有精确的缩放调整功能，VLOG 引脚的对数斜率为 10mV/dB，基本对数截距为 100pA，且斜率和截距调整简单。
- 高速转换：压摆率为 15V/μs，能够快速响应电流变化。
- 低静态电流：使能时静态电流典型值为 3.3mA，禁用时关断电流典型值为 9μA，有效降低功耗。
- 环保封装：采用绿色 TSSOP - 14 封装，符合环保要求。
1.2 典型应用场景
二、引脚配置与功能
2.1 引脚配置
SGM834D 采用 TSSOP - 14 封装，各引脚具有不同的功能。其引脚分布从 GND 到 AGND 依次排列，涵盖了电源、输入、输出、控制等多种功能引脚。
2.2 引脚功能详解
- GND（1 脚）：电源接地引脚，为芯片提供稳定的接地参考。
- PWDN（2 脚）：电源关断（禁用）逻辑输入引脚。拉高该引脚可禁用芯片，拉低则使能芯片，方便进行电源管理。
- VSUM（3、5 脚）：保护引脚，位于 INPT 引脚两侧，可连接 INPT 电流信号的屏蔽保护，实现主动屏蔽功能，减少干扰。
- INPT（4 脚）：光电二极管电流输入引脚，通常连接光电二极管阳极，光电流流入该引脚。
- VPDB（6 脚）：光电二极管偏置输出引脚，可连接光电二极管阴极，提供自适应偏置控制，补偿二极管内部的电阻压降。
- VREF（7 脚）：2V 内部电压参考输出引脚，可用于设置缓冲输出的截点。
- VLOG（8 脚）：对数前端输出引脚，内部具有 5kΩ 的分流电阻到地，输出对数电压，截距为 100pA，斜率为 200mV/dec。
- BFIN（9 脚）：内部缓冲放大器同相输入（高阻抗）引脚。
- VPS（10、12 脚）：正电源引脚，电压范围为 3.0V 到 5.5V。
- VOUT（11 脚）：内部缓冲放大器输出（低阻抗）引脚。
- BFNG（13 脚）：内部缓冲放大器反相输入引脚。
- AGND（14 脚）：模拟接地引脚，为输出信号和 VREF 提供返回路径。
三、电气特性
3.1 输入接口特性
- 指定电流范围：流入 INPT 引脚的电流范围为 1nA 到 10mA。
- 输入节点电压：内部预设，可调整。在不同温度下，电压有一定的波动范围，温度漂移为 0.02mV/℃。
- 输入保护偏移电压：VIN - VSUM 在常温下的范围为 - 20mV 到 20mV。
3.2 光电二极管偏置特性
- 最小值：当 IPD = 1nA 且温度为常温时，最小值为 70mV 到 100mV。
- 跨阻：典型值为 300mV/mA。
3.3 对数输出特性
- 斜率：在不同电流范围和温度条件下，斜率有所不同，但典型值为 200mV/dec。
- 截距：常温下截距典型值为 100pA，在 0℃ 到 + 70℃ 范围内为 60pA 到 140pA。
- 定律符合误差：在不同电流范围和温度下，误差有一定的限制。
- 最大输出电压：最大值为 1.6V。
- 最小输出电压：最小值为 0.1V。
- 分流输出电阻：常温下为 4.95kΩ 到 5.05kΩ。
3.4 参考输出特性
- 电压：相对于 AGND，常温下为 1.98V 到 2.02V，在 - 40℃ 到 + 85℃ 范围内为 1.97V 到 2.03V。
- 输出电阻：典型值为 0.1Ω。
3.5 输出缓冲放大器特性
- 输入失调电压：常温下为 - 20mV 到 20mV。
- 输入偏置电流：从 BFIN 或 BFNG 引脚流出，典型值为 20pA。
- 增量输入电阻：典型值为 25GΩ。
- 输出高电压：当负载为 1kΩ 到地时，输出为 VP - 0.1V。
- 输出电阻：典型值为 0.1Ω。
- 宽带噪声：当 IPD > 1μA 时，噪声为 1μV/√Hz。
- 小信号带宽：当 IPD > 1μA 时，带宽为 10MHz。
- 压摆率：输出摆幅为 0.2V 到 4.8V 时，压摆率为 15V/μs。
3.6 电源关断输入特性
- 逻辑高电平电压：当 2.7V < VP < 5.5V 时，逻辑高电平电压为 2V。
- 逻辑低电平电压：当 2.7V < VP < 5.5V 时，逻辑低电平电压为 1V。
3.7 电源特性
- 正电源电压：范围为 3V 到 5.5V。
- 静态电流（使能）：常温下典型值为 3.3mA，最大值为 5mA。
- 关断电流（禁用）：典型值为 9μA。
四、性能特性
4.1 对数一致性
在不同温度和电源电压下，VLOG 输出与输入电流的对数关系具有较好的一致性。通过典型性能特性曲线可以看出，在不同温度下，VLOG 与 IPD 的关系曲线较为稳定，误差在一定范围内。
4.2 噪声特性
- 点噪声频谱密度：VLOG 引脚的点噪声频谱密度与 IPD 和频率有关，随着 IPD 的增加和频率的变化，噪声密度呈现出一定的规律。
- 总宽带噪声电压：总宽带噪声电压与 IPD 相关，在不同 IPD 下，噪声电压有所不同。
4.3 缓冲放大器特性
- 小信号响应：缓冲放大器的小信号响应与增益和频率有关，不同增益下的小信号响应曲线可以帮助我们选择合适的增益参数。
- 作为两极滤波器的特性：缓冲放大器在作为两极滤波器时，具有特定的频率响应特性，可用于信号滤波处理。
4.4 温度漂移特性
- 参考电压漂移：VREF 电压随温度的变化有一定的漂移，在不同温度下，漂移值在一定范围内。
- 斜率漂移：对数斜率随温度的变化也有一定的漂移，需要进行相应的补偿。
- 截距漂移：截距随温度的变化同样存在漂移现象，对测量精度有一定影响。
- 输出缓冲偏移：输出缓冲放大器的偏移随温度的变化也需要关注。
五、工作原理
5.1 转换原理
SGM834D 的对数转换基于双极型晶体管的集电极电流（IC）与基极 - 发射极电压（VBE）的固有关系： [V{B E}=V{T} × log {e}left(I{C} / I{S}right)] [V{T}=kT / q] 其中，Is 是晶体管的饱和电流，VT 是热电压，k 是玻尔兹曼常数，T 是绝对温度，q 是电子电荷。通过该原理将二极管 IPD 电流转换为对数电压 VBE1。为了补偿 Is 的变化，芯片中采用了一个相同几何结构和工艺的虚拟晶体管 Q2 来生成参考电压 VBE2，通过设置其集电极电流为稳定准确的参考电流 IREF，使得 VBE1 - VBE2 在截点处与温度和工艺无关。
5.2 温度补偿
在其他电流下，VBE1 - VBE2 与 IC 的关系仍与温度有关。为了补偿温度变化，芯片采用了电流镜乘法器和电压 - 电流转换乘法器，将 VBE1 - VBE2 电压转换为与温度和 Is 无关的电流 ILOG。该电流通过内部 5kΩ 电阻进行电流 - 电压转换，得到中间输出电压 VLOG，其典型斜率为 200mV/dec。
5.3 光功率测量原理
光电二极管的灵敏度由量子效率定义，光电流与入射光功率成正比。通过对数电流 - 电压转换，可以方便地以分贝尺度进行光功率测量。例如，若系统校准为 1mW 光功率对应 1V 输出，当测量读数为 1.2V 时，可通过公式计算出光功率。
六、应用注意事项
6.1 屏蔽与滤波
在低电流测量时，屏蔽、滤波和正确的二极管偏置至关重要。应采用主动屏蔽技术，将 VSUM 引脚的电压连接到光电二极管阳极铜条周围，以减少 IPD 泄漏。同时，使用 RC 低通滤波器对 IPD 信号进行滤波，可抑制误差。
6.2 VLOG 输出调理
芯片上的缓冲放大器和电压参考可用于调整输出截点和缩放比例。通过选择合适的电阻，可以降低或提高截点，并调整斜率。例如，当需要降低截点时，可使用特定的电阻组合；当需要提高截点时，可在 BFNG 和 VREF 引脚之间连接电阻。
6.3 滤波器选择
对于输出滤波，通常使用 VLOG 和 AGND 之间的单极滤波器即可。若需要更低噪声的高性能测量系统，可使用两极 Sallen - Key 滤波器。在选择滤波器组件时，应根据所需的截止频率和增益进行合理选择。
6.4 评估板使用
SGM834D 提供了评估板，可进行多种实验配置。通过调整评估板上的电阻和电容，可以实现不同的应用电路和参数设置。例如，可调整缓冲放大器的增益、截点、偏置等参数，以满足不同的测量需求。
七、总结
SGM834D 是一款功能强大的对数电流 - 电压转换器，具有宽测量范围、单电源供电、低功耗、温度稳定等优点。通过合理的电路设计和应用，可以实现高精度的光功率测量、宽范围基带对数数据压缩等功能。在使用过程中，需要注意屏蔽、滤波、输出调理等方面的问题，以确保测量精度和系统稳定性。各位工程师在实际应用中，不妨根据具体需求对 SGM834D 进行深入的测试和优化，相信它会为你的工程项目带来意想不到的效果。你在使用类似转换器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。
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