프로그래밍 가능 이득 TIA로 신호 처리를 위한 정밀 증폭 제공

저전류 신호를 전압 출력으로 변환하는 것은 광범위한 응용 제품, 특히 측정, 모니터링 및 감지 목적으로 물리적 현상을 변환하기 위해 센서에 의존하는 응용 제품에 있어 필수적인 사항입니다. 이러한 신호가 예측 가능하고 안정적인 경우에는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)는 비교적 간단하고 안정적인 솔루션이 될 수 있지만, 점점 더 많은 엔지니어가 가변 입력 전류 또는 높은 동적 범위에 적응할 수 있는 정밀 증폭을 갖춘 정교한 옵션을 찾고 있는 것이 사실입니다.

TIA는 피드백 저항을 통해 입력 전류를 출력 전압으로 변환하는 데 사용되며, 작은 전류를 전압 신호로 변환하는 비교적 쉽고 비용 효율적인 방법입니다.

이러한 장치는 빛, 전하 또는 방사선과 같은 현상에 의해 생성된 전류를 신호 처리 및 장거리 전송을 위해 증폭 및 조절할 수 있는 측정 가능한 전압 신호로 변환하는 데 널리 사용됩니다. 따라서 광섬유 통신, 빛 및 방사선 감지, 입자 감지, 빛 감지 및 거리 측정(LiDAR), 의료 기기, 저전력 센서를 활용하는 소형 시스템 등에 널리 활용되고 있습니다.

그러나 대부분의 TIA는 고정 이득으로 작동하며 변동이나 넓은 전류 범위에 적응할 수 없으므로 동적 조건에서 성능이 제한됩니다. 전류 레벨이 설계 파라미터 내에 있지 않으면 신호 왜곡, 정확도 저하 또는 성능 제한의 문제가 생길 수 있습니다. 보다 가변적이거나 동적인 조건에 맞게 조정하려면 하드웨어 수정과 추가 구성 요소가 필요하므로 복잡성이 증가하고 전력 소비가 증가합니다.

프로그래밍 가능 이득 TIA(PGTIA)는 단일 증폭기를 사용하여 고감도 광학 시스템, 정밀 분석 계측, 전기 화학 및 생체 전기 신호 감지와 같은 응용 분야에서 발생하는 넓은 동적 범위를 처리할 수 있습니다.

표준 TIA와 달리 PGTIA는 특정 신호 범위에 대한 이득을 최적화하여 출력 신호 강도를 최대화함으로써 전체 시스템 신호 대 잡음비(SNR)를 극대화할 수 있습니다. 또한 이득을 동적으로 변경하여 약한 신호를 증폭하고 강한 신호가 출력을 포화시키는 것을 방지할 수 있습니다.

변화하는 신호 조건에 적응하고 이득을 동적으로 변경하는 기능을 갖춘 PGTIA는 넓은 입력 동적 범위와 고정밀 측정 장치를 사용하는 응용 분야에 적합합니다. 예를 들어, PGTIA는 가변 반사광을 측정하는 LiDAR 시스템의 신호 레벨에 동적으로 적응할 수 있습니다.

단일 채널과 이중 채널 PGTIA 비교

단일 채널 PGTIA는 간단한 동작 감지기나 바코드 스캐너와 같이 단일 지점에서 신호를 측정하거나 감지해야 하는 응용 분야에 탁월합니다. 그러나 많은 응용 분야의 경우, 더 높은 정밀도를 제공하고, 전자 노이즈를 더욱 줄이고, 여러 파라미터를 분석하고, 빠르게 진화하는 시장에서 뛰어난 처리 및 적응성을 제공하기 위해 훨씬 더 적응력이 뛰어난 솔루션을 필요로 합니다.

이중 채널 PGTIA는 두 개의 독립적인 입력 소스의 신호를 동시에 처리할 수 있으므로 설계자는 차동 감지, 노이즈 제거, 다중 파라미터 분석과 같은 기능을 통합할 수 있습니다. 이중 앰프 채널을 하나의 콤팩트한 패키지에 통합하면 별도의 단일 채널 장치를 사용하는 것보다 비용 효율적이며 추가 부품의 필요성도 줄일 수 있습니다. 각 채널을 다양한 입력 범위에 맞게 최적화할 수 있으므로 설계자는 응용 제품의 활용도를 높일 수 있습니다.

이중 채널 PGTIA의 다른 장점으로는, 보다 효율적인 전력 소비, 개별 구성 요소를 결합하여 발생할 수 있는 기생 효과 최소화, 필요한 보드 공간 감소 등을 들 수 있습니다. 다음과 같은 다양한 응용 제품 설계 목적으로 이중 채널을 사용할 수 있습니다:

• 독립적인 데이터 소스에서 동시에 데이터를 수집하여 효율성 향상
• 중복 측정을 통해 신뢰성 향상
• 두 신호를 바탕으로 비교 측정 가능

이중 채널 PGTIA는 단일 채널 대안보다 단위당 비용이 약간 더 비쌀 수 있지만, 이는 부품 수 감소, 조립 간소화, 품질 관리 개선으로 충분히 상쇄할 수 있습니다.

ADI의 고집적, 콤팩트 PGTIA

Analog Devices, Inc.(ADI)는 광 네트워킹 장비, 광 검출기 인터페이스 및 정밀 계측과 같은 정밀 PGTIA가 필요한 응용 분야를 위한 콤팩트하고 유연한 솔루션을 제공합니다.

ADA4351-2(그림 1)는 노출된 패드가 없는 3mm x 3mm 리드 프레임 칩 스케일 패키지(LFCSP)의 모놀리식 이중 채널 PGTIA입니다. 각 채널에는 두 개의 선택 가능한 피드백 경로가 있으며, 각 피드백 경로의 이득은 외부 저항으로 설정됩니다.

그림 1: ADI의 ADA4351-2 PGTIA는 넓은 동적 범위에서 작은 전류를 정밀하게 측정하기 위한 모놀리식, 이중 채널 옵션을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

ADA4351-2는 높은 정밀도, 감도 및 적응성을 필요로 하는 다양한 응용 분야의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 다용도로 사용할 수 있어 광통신, 의료 영상, 분광학, 과학 계측 등 정밀한 신호 증폭, 높은 동적 범위, 통합 기능을 필요로 하는 응용 분야에 적합하며 작동 온도 범위는 -40°C ~ +125°C입니다.

ADA4351-2의 콤팩트한 설계와 아날로그-디지털 컨버터를 직접 구동하는 기능 덕분에 시스템 아키텍처를 간소화하고 부품 수를 줄이며 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 이 제품은 ADI의 AD4695 및 AD4696과 같은 두 개의 16비트 정밀 ADC(그림 2, 하나 표시됨)를 직접 구동할 수 있어 개발자에게 정밀 전류 측정 응용 제품을 위한 완벽한 아날로그 프런트 엔드를 제공합니다.

그림 2: ADI의 AD4695/AD4696과 같은 ADC를 구동하는 ADA4351-2의 ½ 개략도. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

ADA4351-2는 별도의 아날로그 및 디지털 입력을 제공하며 바이폴라 전원으로 작동하여 고성능 아날로그 작업을 수행하는 동시에 접지 기준 디지털 시스템과 원활하고 노이즈가 적은 통신을 유지할 수 있습니다. 이 디지털 전원 공급 장치는 아날로그 전원 공급 범위와 별도로 스위치 로직을 제어할 수 있는 유연성을 제공합니다.

저전압 디지털 제어 로직과의 호환성을 유지하면서 고성능 아날로그 처리가 필요한 시스템에 ADA4351-2를 통합할 수 있어 혼합 신호 환경에 대한 설계를 간소화해 주는 솔루션입니다.

아날로그 회로가 단일 전원(2.7V ~ 5.5V) 또는 이중 전원(±1.35V ~ ±2.75V)을 사용할 수 있어 단방향 및 양방향 입력 신호를 모두 지원하며, 최대 5.5V의 레퍼런스 전압으로 ADC를 직접 구동할 수 있습니다.

디지털 입력이 1.62V ~ 5.5V의 전원 공급 장치에서 작동하므로 디지털 공급 핀(DVSS 및 DVDD)에 적용되는 전압에 따라 1.8V, 3.3V 또는 5V의 일반적인 로직 레벨과 호환됩니다.

이득 설정당 2개의 통합된 저누설 독점 스위치가 켈빈 구성으로 배열되어 CMOS 스위치의 비이상성으로 인한 부정확성을 줄입니다. 고급 스위칭 기술을 통해 개별 부품을 사용할 때보다 PCB 공간을 크게 줄여 많은 애플리케이션에 효율적인 솔루션이 될 수 있습니다.

ADA4351-2는 고주파 신호를 처리할 수 있는 8.5MHz의 이득 대역폭 곱을 제공합니다. 사용자가 프로그래밍할 수 있는 이득을 통해 광범위한 입력 전류에 걸쳐 다이나믹 레인지를 최적화할 수 있습니다.

ADA4351-2 프로토타입 제작 및 테스트

설계자는 ADI의 EVAL-ADA4351-2EBZ 평가 기판(그림 3)을 사용하면 맞춤형 PCB 설계로 전환하기 전에 ADA4351-2를 사용하여 응용 제품을 신속하게 시제품 제작, 테스트 및 최적화할 수 있습니다.

그림 3: EVAL-ADA4351-2EBZ는 사용자가 ADA4351-2 PGTIA를 사용하여 응용 제품을 실행하고 평가할 수 있는 주요 부품과 함께 제공됩니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

이 기판은 광 다이오드 인터페이스, 이득 선택 및 기타 응용 분야를 위한 신속한 구성을 지원하므로 광학, 계측 및 데이터 수집 시나리오를 위한 정밀 아날로그 프런트 엔드 시스템을 개발하는 데 실용적입니다.

프로그래밍 가능한 트랜스 임피던스 이득, 저잡음 작동, 넓은 다이나믹 레인지 등 ADA4351-2의 주요 기능을 시연하는 데 필요한 부품들로 사전 구성되어 있습니다. 각 채널의 채워지지 않은 포토다이오드 슬롯은 빠른 프로토타입 제작을 지원합니다.

입력 및 출력의 개방형 저항 및 커패시터 풋프린트를 통해 저역 통과 필터(LPF) 또는 전압 분배기와 같이 사용자가 정의한 값으로 수정할 수 있는 부품을 설치할 수 있습니다. 가장자리에 장착된 SMA 커넥터와 테스트 포인트를 사용하면 테스트 장비를 두 채널의 입력과 출력은 물론 이득 스위치 제어 핀에 직접 연결할 수 있습니다.

개발자는 다양한 구성을 탐색하고 ADC 또는 광학 센서와 같은 자체 신호 체인 부품을 사용하여 증폭기를 테스트할 수 있습니다.

결론

ADI의 ADA4351-2 이중 채널 PGTIA를 사용하여 다양한 광 다이오드 인터페이스, 광학, 계측 및 데이터 수집 응용 분야에서 보다 정밀하고 안정적인 성능을 구현할 수 있습니다. 통합 스위칭, 프로그래밍 가능 이득, 뛰어난 노이즈 성능을 활용하여 독립적인 입력 소스의 신호를 동시에 처리할 수 있는 고도로 적응력이 뛰어나고 효율적인 솔루션을 제공합니다.