TIAs‏ עם הגבר ניתן-לתכנות מספקים הגברה מדויקת עבור עיבוד אותות

המרת אות זרם נמוך ליציאת מתח היא דרישה חיונית עבור מגוון רחב של יישומים, במיוחד אלה המסתמכים על חיישנים להמרת תופעות פיזיקליות למטרות מדידה, ניטור וזיהוי. כאשר אותות אלו הם צפויים ויציבים, מגברי טרנס-אימפדנס (TIA) הם פתרון פשוט ואמין יחסית, אך יותר ויותר מהנדסים זקוקים לאפשרות מתוחכמת יותר עם הגברה מדויקת היכולה להתאים עצמה לזרמי כניסה משתנים או לתחומים דינמיים רחבים.

ה-TIAs משמשים להמרת זרם כניסה למתח יציאה דרך נגד משוב. הם מספקים דרך קלה וחסכונית יחסית להמרת זרמים קטנים לאותות מתח.

התקנים אלו נמצאים בשימוש נרחב להמרת זרמים הנוצרים על ידי תופעות כמו אור, מטען חשמלי או קרינה, לאותות מתח מדידים שניתן להגביר ולאכשר עבור עיבוד אותות ולשידור למרחקים ארוכים. ככאלה הם נמצאים בשימוש נרחב בתקשורת סיבים אופטיים, חישת אור וקרינה, גילוי חלקיקים, גילוי אור ומדידת טווח (LiDAR), התקנים רפואיים ומערכות קומפקטיות המשתמשות בחיישנים בהספק נמוך.

עם זאת, מרבית ה-TIA פועלים עם הגבר קבוע ואינם ניתנים להתאמה לתנודות או לתחומי זרם רחבים, מה שמגביל את הביצועים שלהם בתנאים דינמיים. כאשר רמת הזרם אינה בתוך פרמטרי התכן, זה יכול לגרום לעיוות האותות, דיוק מופחת או ביצועים מוגבלים. התאמת אלה לתנאים משתנים או דינמיים יותר דורשת שינוי חומרה ורכיבים נוספים, מה שמוסיף למורכבות ומגדיל את צריכת ההספק.

TIAs‏ עם הגבר ניתן-לתכנות (PGTIAs‏) יכולים להשתמש במגבר יחיד כדי להתמודד עם התחומים הדינמיים הרחבים בהם נתקלים ביישומים כגון מערכות אופטיות עם רגישות גבוהה, מכשור אנליטי מדויק וגילוי אותות אלקטרוכימי וביו-חשמלי.

שלא כמו TIAs סטנדרטיים, PGTIAs מאפשרים אופטימיזציה של ההגבר עבור תחום אותות מסוים, תוך מקסום עוצמת אות היציאה ובכך את יחס אות-לרעש (SNR) הכולל של המערכת. רכיבים אלה יכולים לשנות באופן דינמי את ההגבר כדי להגביר אותות חלשים ולמנוע מאותות חזקים לגרום לרוויה של היציאה.

עם היכולת להתאים לתנאי האותות המשתנים ולשנות את ההגבר באופן דינמי, PGTIAs מתאימים עבור יישומים עם תחומי כניסה דינמיים רחבים ומכשירי מדידה בעלי דיוק גבוה. לדוגמה, PGTIAs יכולים להתאים באופן דינמי לרמות האותות של מערכות LiDAR המודדות אור מוחזר משתנה.

PGTIAs ערוץ-יחיד לעומת שני-ערוצים

PGTIAs ערוץ-יחיד מצטיינים עבור יישומים המסתמכים על מדידה או גילוי אותות מנקודה אחת, כגון בגלאי תנועה פשוט או בסורק ברקוד. אך יישומים רבים דורשים פתרון מותאם עוד יותר כדי לספק דיוק רב יותר, להפחית עוד יותר את הרעש האלקטרוני, לנתח פרמטרים מרובים ולספק עיבוד ויכולת התאמה מעולים בשווקים המתפתחים במהירות.

PGTIAs עם שני ערוצים יכולים לעבד אותות משני מקורות כניסה עצמאיים בו-זמנית, ולאפשר למתכננים לאחד פונקציות כמו גילוי דיפרנציאלי, ביטול רעשים וניתוח רב פרמטרים. שילוב ערוצי מגבר עם שני ערוצים במארז קומפקטי אחד הוא חסכוני יותר מאשר שימוש בהתקנים ערוץ-יחיד נפרדים ויכול להפחית את הצורך ברכיבים נוספים. ניתן לבצע אופטימיזציה של כל ערוץ עבור תחומי כניסות שונים, ולהעניק למתכננים ורסאטיליות רבה יותר עבור היישומים שלהם.

יתרונות נוספים של PGTIAs עם שני ערוצים כוללים צריכת הספק יעילה יותר, מזעור השפעות פרזיטיות העלולות לנבוע משילוב רכיבים נפרדים, והקטנת שטח הלוח הנדרש. שני הערוצים יכולים לשמש למטרות תכנון יישומים מגוונים, כגון:

• איסוף נתונים בו-זמנית ממקורות נתונים עצמאיים להגברת היעילות
• מתן יתירות של המדידות לשיפור האמינות
• השגת מדידות השוואתיות משני אותות

בעוד ש-PGTIA עם שני ערוצים עשוי להיות מעט יותר יקר ליחידה מאשר חלופות ערוץ-יחיד, סביר להניח שהדבר יקוזז יותר בשל מספר רכיבים מופחת, הרכבה פשוטה יותר ובקרת איכות משופרת.

PGTIA משולב וקומפקטי של ADI

.Analog Devices, Inc‏ (ADI‏) מציעה פתרון קומפקטי וגמיש עבור יישומים הדורשים PGTIAs מדויק, כגון ציוד רשתות אופטיות, ממשקי פוטו-גלאים ומכשור מדויק.

ה-ADA4351-2‏ (איור 1) הוא PGTIA מונוליטי עם שני ערוצים במארז בגודל-שבב עם מסגרת-מוליכים בגודל3 מ"מ x‏ 3 מ"מ (LFCSP‏) ללא פדים חשופים. לכל ערוץ יש שני נתיבי משוב ניתנים-לבחירה, כאשר ההגבר של כל נתיב משוב נקבע על ידי נגד חיצוני.

איור 1: ה-ADA4351-2 PGTIA של ADI מספק אפשרות מונוליטית עם שני ערוצים עבור מדידה מדויקת של זרמים נמוכים על-פני תחום דינמי רחב. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

ה-ADA4351-2 יכול לענות על הצרכים של מגוון יישומים הזקוקים לדיוק גבוה, רגישות גבוהה ויכולת התאמה. הוורסאטיליות שלו הופכת אותו למתאים היטב עבור יישומים הדורשים הגברת אותות מדויקת, תחום דינמי רחב ופונקציונליות משולבת, כגון תקשורת אופטית, דימות רפואית, ספקטרוסקופיה ומכשור מדעי. תחום טמפרטורות הפעולה שלו הוא C‏°‏40‏- עד C‏ִ°‏125‏+.

התכן הקומפקטי של ה-ADA4351-2 והיכולת לדחוף ישירות ממיר אנלוגי-לדיגיטלי יכולים לפשט את ארכיטקטורות המערכת, להפחית את מספר הרכיבים ולשפר את האמינות. הוא יכול לדחוף ישירות שני ADCs עם דיוק של bit‏-16‏ (איור 2, אחד מוצג), כמו ה-AD4695 וה-AD4696‏ של ADI, ומספק למפתחים קצה-קדמי אנלוגי מלא עבור יישומים מדויקים למדידת זרם.

איור 2: סכמה של ½ מה-ADA4351-2 הדוחף ADC כגון ה-AD4695/AD4696 של ADI. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

ה-ADA4351-2 מספק כניסות אנלוגיות ודיגיטליות מובהקות ויכול לפעול על ספקים ביפולריים כדי לבצע משימות אנלוגיות בעלות ביצועים גבוהים תוך שמירה על תקשורת חלקה ורעש נמוך עם מערכות דיגיטליות מיוחסות-להארקה. ההספקה הדיגיטלית מעניקה גמישות לבקרת לוגיקת המתג בנפרד מתחום ההספקה האנלוגית.

הפתרון מפשט את התכנון עבור סביבות של אותות מעורבים, מכיוון שניתן לשלב את ה-ADA4351-2 במערכות הדורשות עיבוד אנלוגי בעל ביצועים גבוהים תוך שמירה על תאימות עם לוגיקת בקרה דיגיטלית במתח נמוך.

המעגלים האנלוגיים שלו יכולים להשתמש בהספקה יחידה (V‏ 2.7‏ עד V‏ 5.5‏) או בהספקה כפולה (V‏ 1.35‏± עד V‏ 2.75‏±), המאפשרות אותות כניסה חד-כיווניות ודו-כיווניות כאחד. הוא יכול לדחוף ישירות ADCs עם מתחי ייחוס של עד V‏ 5.5‏.

הכניסה הדיגיטלית עובדת עם ספקי-כוח בין V‏ 1.62‏ עד V‏ 5.5‏, ההופכים אותו לתואם לרמות לוגיקה נפוצות של V‏ 1.8‏, V‏ 3.3‏ או V‏ 5‏, בהתאם למתח המופעל על פיני ההספקה הדיגיטלית (DVSS‏ ו-DVDD‏).

שני המתגים הקנייניים המשולבים עם זליגה נמוכה לכל הגדרת הגבר מסודרים בתצורת Kelvin‏ כדי להפחית אי דיוק עקב אי-אידיאליות של מתגי CMOS. טכנולוגיית המיתוג המתקדמת הופכת אותו לפתרון יעיל עבור יישומים רבים, עם חתימת-שטח מוקטנת משמעותית של ה-PCB בהשוואה לשימוש ברכיבים בדידים.

ל-ADA4351-2 יש מכפלת הגבר-רוחב-פס של MHz‏ 8.5‏ לטיפול באותות בתדר גבוה. הגבר ניתן-לתכנות על ידי המשתמש מאפשר אופטימיזציה של התחום הדינמי על פני מגוון רחב של זרמי כניסה.

בניית אב-טיפוס ובדיקת ה-ADA4351-2

לוח ההערכה EVAL-ADA4351-2EBZ‏ של ADI (איור 3) מאפשר למתכננים בנייה, בדיקה ואופטימיזציה מהירות של אב-טיפוס עבור יישומים באמצעות ה-ADA4351-2 לפני המעבר לתכן PCB‏ מותאם-במיוחד.

איור 3: ה-EVAL-ADA4351-2EBZ מגיע מאוכלס ברכיבי מפתח המאפשרים למשתמשים להפעיל ולהעריך יישומים באמצעות ה-ADA4351-2 PGTIA. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

הלוח תומך בהגדרת תצורה מהירה עבור ממשקי פוטו-דיודות, בחירת הגבר ויישומים אחרים, ההופכים אותו לכלי פרקטי עבור פיתוח מערכות קצה-קדמי אנלוגי מדויקות עבור תרחישי אופטיקה, מכשור ואיסוף נתונים.

הוא מוגדר-מראש עם הרכיבים הדרושים כדי להדגים את תכונות המפתח של ה-ADA4351-2, כולל הגבר טרנס-אימפדנס הניתן-לתכנות, פעולה עם רעש נמוך ותחום דינמי רחב. חריץ פוטו-דיודה לא מאוכלס בכל ערוץ תומך בבניית אב-טיפוס מהירה.

חתימות-שטח פתוחות של נגד וקבל בכניסה וביציאה מאפשרות התקנת רכיבים עם ערכים מוגדרי-משתמש עבור שינויים, כגון מסנן מעביר-נמוכים (LPF‏) או מחלק מתח. מחברי SMA ונקודות בדיקה המותקנים בקצה מאפשרים חיבור ישיר של ציוד בדיקה לכניסות וליציאות של שני הערוצים, כמו גם לפיני בקרת מתג ההגבר.

המפתחים יכולים לבחון תצורות שונות ולבדוק את המגבר עם רכיבי שרשרת האותות שלהם, כגון ADCs או חיישנים אופטיים.

מסקנות

עם ה-PGTIA‏ עם שני ערוצים ADA4351-2 של ADI, המפתחים יכולים להשיג ביצועים מדויקים ואמינים יותר עבור יישומי ממשקים שונים עבור פוטו-דיודות, אופטיקה, מכשור ואיסוף נתונים. תוך ניצול המיתוג המשולב, ההגבר הניתן-לתכנות וביצועי הרעש המעולים שלו, הוא מספק פתרון בעל יכולת התאמה ויעילות גבוהות עבור עיבוד אותות בו-זמנית ממקורות כניסה בלתי-תלויים.