TIA แบบตั้งโปรแกรมได้ให้การขยายสัญญาณที่แม่นยำสำหรับการประมวลผลสัญญาณ

การแปลงสัญญาณกระแสไฟฟ้าต่ำไปเป็นเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าถือเป็นข้อกำหนดที่จำเป็นสำหรับการใช้งานในขอบเขตกว้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้งานที่ต้องอาศัยเซ็นเซอร์ในการแปลงปรากฏการณ์ทางกายภาพเพื่อการวัด การตรวจสอบ และการตรวจจับ เมื่อสัญญาณเหล่านั้นสามารถคาดเดาได้และคงที่ เครื่องขยายสัญญาณทรานซิมพีแดนซ์ (TIA) ถือเป็นโซลูชันที่ค่อนข้างเรียบง่ายและเชื่อถือได้ แต่ในปัจจุบัน วิศวกรต้องการตัวเลือกที่ซับซ้อนมากขึ้นด้วยการขยายสัญญาณที่แม่นยำซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับกระแสอินพุตที่แปรผันหรือช่วงไดนามิกสูงได้

TIA ใช้เพื่อแปลงกระแสอินพุตเป็นแรงดันเอาต์พุตผ่านตัวต้านทานข้อเสนอแนะ พวกมันเป็นวิธีที่ค่อนข้างง่ายและคุ้มต้นทุนในการแปลงกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กให้เป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้า

อุปกรณ์เหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการแปลงกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น แสง ประจุไฟฟ้า หรือการแผ่รังสี ให้เป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ ซึ่งสามารถขยายและปรับสภาพได้สำหรับการประมวลผลสัญญาณและการส่งสัญญาณระยะไกล ด้วยเหตุนี้ จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสง การตรวจจับแสงและรังสี การตรวจจับอนุภาค การตรวจจับและการวัดระยะด้วยแสง (LiDAR) อุปกรณ์การแพทย์ และระบบขนาดกะทัดรัดที่ใช้เซ็นเซอร์พลังงานต่ำ

อย่างไรก็ตาม TIA ส่วนใหญ่ทำงานบนค่าเกนคงที่ และไม่สามารถปรับให้เข้ากับความผันผวนหรือช่วงกระแสไฟที่กว้างได้ ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพในสภาวะไดนามิก เมื่อระดับปัจจุบันไม่อยู่ในพารามิเตอร์การออกแบบ อาจส่งผลให้สัญญาณผิดเพี้ยน ความแม่นยำลดลง หรือประสิทธิภาพลดลง การดัดแปลงเหล่านี้ให้เหมาะสมกับเงื่อนไขที่แปรผันหรือไดนามิกมากขึ้นนั้นต้องมีการปรับเปลี่ยนฮาร์ดแวร์และส่วนประกอบเพิ่มเติม ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อนและใช้พลังงานมากขึ้น

PGTIA (Programmable gain TIA) สามารถใช้เครื่องขยายสัญญาณตัวเดียวเพื่อจัดการกับช่วงไดนามิกกว้างที่พบในแอพพลิเคชั่นต่างๆ เช่น ระบบออปติกที่มีความไวสูง เครื่องมือวิเคราะห์ความแม่นยำ และการตรวจจับสัญญาณไฟฟ้าเคมีและชีวไฟฟ้า

ต่างจาก TIA แบบมาตรฐาน PGTIA ช่วยให้สามารถปรับค่าเกนให้เหมาะกับช่วงสัญญาณที่เฉพาะเจาะจงได้ เพิ่มความแรงของสัญญาณเอาต์พุต และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ของระบบโดยรวมให้สูงสุด ส่วนประกอบเหล่านี้สามารถเปลี่ยนค่าเกนแบบไดนามิกเพื่อขยายสัญญาณที่อ่อนและป้องกันไม่ให้สัญญาณที่แรงไปทำให้เอาต์พุตอิ่มตัว

ด้วยความสามารถในการปรับตัวให้เข้ากับสภาพสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงและเปลี่ยนค่าเกนแบบไดนามิก PGTIA จึงเหมาะสำหรับการใช้งานที่มีช่วงไดนามิกอินพุตกว้างและอุปกรณ์วัดที่มีความแม่นยำสูง ตัวอย่างเช่น PGTIA สามารถปรับแบบไดนามิกให้เข้ากับระดับสัญญาณของระบบ LiDAR ที่วัดแสงสะท้อนที่แปรผันได้

PGTIA แบบช่องเดี่ยวเทียบกับแบบช่องคู่

PGTIA ช่องสัญญาณเดียวเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องอาศัยการวัดหรือตรวจจับสัญญาณจากจุดเดียว เช่น ในเครื่องตรวจจับการเคลื่อนไหวธรรมดาหรือเครื่องสแกนบาร์โค้ด แต่แอปพลิเคชันจำนวนมากต้องการโซลูชันที่ปรับเปลี่ยนได้มากกว่าเพื่อให้ส่งมอบความแม่นยำที่สูงกว่า ลดสัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติม วิเคราะห์พารามิเตอร์ต่างๆ และมอบการประมวลผลและความสามารถในการปรับตัวที่เหนือกว่าในตลาดที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

PGTIA แบบช่องสัญญาณคู่สามารถประมวลผลสัญญาณจากแหล่งอินพุตอิสระสองแหล่งพร้อมกัน ช่วยให้นักออกแบบสามารถรวมฟังก์ชันต่างๆ เช่น การตรวจจับความแตกต่าง การตัดเสียงรบกวน และการวิเคราะห์หลายพารามิเตอร์เข้าด้วยกัน การรวมช่องขยายเสียงคู่เข้าในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัดจะช่วยประหยัดต้นทุนมากกว่าการใช้อุปกรณ์ช่องเดียวแยกกัน และสามารถลดความจำเป็นในการใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติมได้ แต่ละช่องสามารถปรับให้เหมาะสมกับช่วงอินพุตที่แตกต่างกันได้ ช่วยให้นักออกแบบมีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการใช้งานของพวกเขา

ข้อดีอื่นๆ ของ PGTIA แบบช่องสัญญาณคู่ ได้แก่ การใช้พลังงานที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น ลดผลกระทบจากการรวมส่วนประกอบแยกจากกัน และลดพื้นที่บอร์ดที่จำเป็น ช่องคู่สามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการออกแบบแอปพลิเคชันที่หลากหลาย เช่น:

• การรวบรวมข้อมูลพร้อมกันจากแหล่งข้อมูลอิสระเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ
• ให้มีการวัดซ้ำซ้อนเพื่อเพิ่มความมั่นคง
• การวัดค่าเทียบจากสองสัญญาณ

แม้ว่า PGTIA แบบช่องคู่จะมีราคาแพงกว่าต่อหน่วยเล็กน้อยเมื่อเทียบกับทางเลือกแบบช่องเดียว แต่ก็อาจจะถูกชดเชยด้วยจำนวนชิ้นส่วนที่ลดลง การประกอบที่ง่ายกว่า และการควบคุมคุณภาพที่ได้รับการปรับปรุง

PGTIA แบบกะทัดรัดที่มีการบูรณาการอย่างสูงของ ADI

Analog Devices, Inc. (ADI) นำเสนอโซลูชันที่กะทัดรัดและยืดหยุ่นสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการ PGTIA ที่แม่นยำ เช่น อุปกรณ์เครือข่ายออปติก อินเทอร์เฟซเครื่องตรวจจับภาพ และเครื่องมือวัดความแม่นยำ

ADA4351-2 (รูปที่ 1) เป็น PGTIA แบบโมโนลิธิกสองช่องในแพ็คเกจชิปกรอบตะกั่วขนาด 3mm x 3mm (LFCSP) ที่ไม่มีแผ่นรองที่เปิดออก แต่ละช่องจะมีเส้นทางป้อนกลับที่เลือกได้สองเส้นทาง โดยค่าเกนของเส้นทางป้อนกลับแต่ละเส้นทางจะถูกตั้งค่าโดยตัวต้านทานภายนอก

รูปที่ 1: ADA4351-2 PGTIA ของ ADI นำเสนอตัวเลือกแบบช่องสัญญาณคู่แบบโมโนลิธิกสำหรับการวัดกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กอย่างแม่นยำในช่วงไดนามิกกว้าง (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

ADA4351-2 สามารถตอบสนองความต้องการของแอปพลิเคชั่นต่างๆ ที่ต้องอาศัยความแม่นยำ ความไว และความสามารถในการปรับตัวสูง ความคล่องตัวทำให้เหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานที่ต้องการการขยายสัญญาณที่แม่นยำ ช่วงไดนามิกสูง และฟังก์ชันการทำงานแบบบูรณาการ เช่น การสื่อสารด้วยแสง การถ่ายภาพทางการแพทย์ การสเปกโตรสโคปี และเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ ช่วงอุณหภูมิในการทำงานคือ -40°C ถึง +125°

การออกแบบที่กะทัดรัดของ ADA4351-2 และความสามารถในการขับเคลื่อนตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลโดยตรงช่วยลดความซับซ้อนของสถาปัตยกรรมระบบ ลดจำนวนส่วนประกอบ และเพิ่มความน่าเชื่อถือ สามารถขับเคลื่อน ADC แม่นยำ 16 บิต 2 ตัวได้โดยตรง (แสดงในรูปที่ 2) เช่น AD4695 และ AD4696 ของ ADI โดยมอบฟังก์ชันฟรอนต์เอนด์อนาลอกที่ครบครันสำหรับแอปพลิเคชันการวัดกระแสไฟฟ้าที่แม่นยำ

รูปที่ 2: แผนผังของ ADA4351-2 จำนวน ½ ตัวที่ขับเคลื่อน ADC เช่น AD4695/AD4696 ของ ADI (ที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

ADA4351-2 มีอินพุตอะนาล็อกและดิจิทัลที่แตกต่างกัน และสามารถทำงานบนแหล่งจ่ายไฟแบบไบโพลาร์เพื่อบรรลุภารกิจอนาลอกที่มีประสิทธิภาพสูงในขณะที่ยังคงการสื่อสารที่ราบรื่นและมีสัญญาณรบกวนต่ำกับระบบดิจิทัลที่อ้างอิงภาคพื้นดิน แหล่งจ่ายไฟดิจิตอลช่วยให้สามารถควบคุมลอจิกของสวิตช์ได้อย่างยืดหยุ่นโดยแยกจากช่วงแหล่งจ่ายไฟอนาลอก

โซลูชันนี้ช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณผสม เนื่องจากสามารถรวม ADA4351-2 เข้ากับระบบที่ต้องการการประมวลผลแอนะล็อกประสิทธิภาพสูงได้ พร้อมทั้งยังคงความเข้ากันได้กับลอจิกควบคุมดิจิทัลแรงดันไฟต่ำ

วงจรแอนะล็อกสามารถใช้แหล่งจ่ายไฟเดียว (2.7V ถึง 5.5V) หรือแหล่งจ่ายไฟคู่ (±1.35V ถึง ±2.75V) ทำให้สามารถส่งสัญญาณอินพุตทั้งแบบทิศทางเดียวและสองทิศทางได้ สามารถขับเคลื่อน ADC ที่มีแรงดันอ้างอิงสูงถึง 5.5V ได้โดยตรง

อินพุตดิจิตอลทำงานกับแหล่งจ่ายไฟระหว่าง 1.62V และ 5.5V ทำให้เข้ากันได้กับระดับลอจิกทั่วไปที่ 1.8V, 3.3V หรือ 5V ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับพินแหล่งจ่ายไฟดิจิทัล (DVSS และ DVDD)

สวิตช์กรรมสิทธิ์แบบรวมสองตัวที่มีการรั่วไหลต่ำต่อการตั้งค่าเกนได้รับการจัดเรียงในรูปแบบเคลวินเพื่อลดความไม่แม่นยำอันเนื่องมาจากความไม่สมบูรณ์แบบของสวิตช์ CMOS เทคโนโลยีการสลับขั้นสูงทำให้เป็นโซลูชันที่มีประสิทธิภาพสำหรับแอพพลิเคชั่นต่างๆ มากมาย โดยลดขนาด PCB ลงอย่างมากเมื่อเทียบกับการใช้ส่วนประกอบแบบแยกส่วน

ADA4351-2 มีผลิตภัณฑ์แบนด์วิดท์ค่าเกน 8.5MHz เพื่อจัดการกับสัญญาณความถี่สูง ผู้ใช้สามารถปรับแต่งค่าเกนได้โดยการปรับช่วงไดนามิคให้เหมาะสมทั่วทั้งกระแสอินพุตหลากหลาย

การสร้างต้นแบบและการทดสอบ ADA4351-2

บอร์ดประเมินผล EVAL-ADA4351-2EBZ ของ ADI (รูปที่ 3) ช่วยให้นักออกแบบสามารถสร้างต้นแบบ ทดสอบ และเพิ่มประสิทธิภาพแอปพลิเคชันได้อย่างรวดเร็วโดยใช้ ADA4351-2 ก่อนที่จะดำเนินการออกแบบ PCB แบบกำหนดเอง

รูปที่ 3: EVAL-ADA4351-2EBZ มาพร้อมกับส่วนประกอบสำคัญที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถรันและประเมินแอปพลิเคชันโดยใช้ ADA4351-2 PGTIA (ที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

บอร์ดนี้รองรับการกำหนดค่าอย่างรวดเร็วสำหรับอินเทอร์เฟซโฟโตไดโอด การเลือกเกน และแอปพลิเคชันอื่น ๆ ทำให้เป็นเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงในการพัฒนาระบบฟรอนต์เอนด์แอนะล็อกความแม่นยำสำหรับสถานการณ์ด้านออปติก เครื่องมือวัด และการรวบรวมข้อมูล

ได้รับการกำหนดค่าไว้ล่วงหน้าด้วยส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับการสาธิตคุณสมบัติหลักของ ADA4351-2 รวมถึงค่าเกนทรานอิมพีแดนซ์ที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ การทำงานที่มีเสียงรบกวนต่ำ และช่วงไดนามิกกว้าง สล็อตโฟโตไดโอดที่ไม่ได้ใช้งานในแต่ละช่องรองรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว

รอยเท้าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุแบบเปิดที่อินพุตและเอาต์พุตช่วยให้สามารถติดตั้งส่วนประกอบที่มีค่าที่ผู้ใช้กำหนดไว้สำหรับการปรับเปลี่ยน เช่น ตัวกรองความถี่ต่ำ (LPF) หรือตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า ขั้วต่อ SMA ที่ติดตั้งที่ขอบและจุดทดสอบช่วยให้สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ทดสอบโดยตรงกับอินพุตและเอาต์พุตของทั้งสองช่อง รวมถึงกับพินควบคุมสวิตช์เกนด้วย

นักพัฒนาสามารถสำรวจการกำหนดค่าต่างๆ และทดสอบเครื่องขยายเสียงด้วยส่วนประกอบโซ่สัญญาณของตนเอง เช่น ADC หรือเซนเซอร์ออปติคัล

บทสรุป

ด้วย PGTIA แบบสองช่อง ADA4351-2 ของ ADI นักพัฒนาสามารถบรรลุประสิทธิภาพที่แม่นยำและเชื่อถือได้มากขึ้นสำหรับอินเทอร์เฟซโฟโตไดโอด ออปติคัล เครื่องมือวัด และการรวบรวมข้อมูลต่างๆ ด้วยการใช้การสลับแบบบูรณาการ, เกนที่ตั้งโปรแกรมได้ และประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนที่เหนือกว่า จึงทำให้เป็นโซลูชันที่มีความยืดหยุ่นและมีประสิทธิภาพสูงในการประมวลผลสัญญาณจากแหล่งอินพุตอิสระพร้อมกัน