Os TIAs de ganho programável fornecem amplificação de precisão para processamento de sinais

Converter um sinal de baixa corrente em uma saída de tensão é um requisito essencial de uma ampla gama de aplicações, especialmente aquelas que dependem de sensores para converter fenômenos físicos para fins de medição, monitoramento e detecção. Quando esses sinais são previsíveis e permanentes, os amplificadores de transimpedância (TIAs) são uma solução relativamente simples e confiável, mas cada vez mais, os engenheiros precisam de uma opção mais sofisticada com amplificação de precisão que possa se adaptar a correntes de entrada variáveis ou a altas faixas dinâmicas.

Os TIAs são usados para converter a corrente de entrada em tensão de saída por meio de um resistor de realimentação. Eles fornecem uma maneira relativamente fácil e econômica de converter pequenas correntes em sinais de tensão.

Esses dispositivos são amplamente usados para converter correntes produzidas por fenômenos como luz, carga elétrica ou radiação em sinais de tensão mensuráveis que podem ser amplificados e condicionados para processamento de sinais e transmissão de longa distância. Como tal, eles são amplamente utilizados em comunicações de fibra óptica, detecção de luz e radiação, detecção de partículas, LiDAR ("light detection and ranging"), dispositivos médicos e sistemas compactos que utilizam sensores de baixa potência.

No entanto, a maioria dos TIAs opera com um ganho fixo e não é adaptável a flutuações ou amplas faixas de corrente, limitando seu desempenho em condições dinâmicas. Quando o nível de corrente não está dentro dos parâmetros de projeto, isso pode resultar em distorção do sinal, precisão reduzida ou desempenho limitado. A sua adaptação a condições mais variáveis ou dinâmicas exige a modificação do hardware e componentes adicionais, aumentando a complexidade e o consumo de energia.

Os TIAs de ganho programável (PGTIAs) podem utilizar um único amplificador para lidar com as amplas faixas dinâmicas encontradas em aplicações como sistemas ópticos de alta sensibilidade, instrumentação analítica de precisão e detecção de sinais eletroquímicos e bioelétricos.

Ao contrário dos TIAs padrão, os PGTIAs permitem a otimização do ganho para uma faixa de sinal específica, maximizando a intensidade do sinal de saída e, portanto, a relação sinal/ruído (SNR) geral do sistema. Estes componentes podem alterar dinamicamente o ganho para amplificar os sinais fracos e evitar que os sinais fortes saturem a saída.

Com a capacidade de se adaptar às mudanças nas condições do sinal e alterar dinamicamente o ganho, os PGTIAs são adequados para aplicações com amplas faixas dinâmicas de entrada e dispositivos de medição de alta precisão. Por exemplo, os PGTIAs podem se adaptar dinamicamente aos níveis de sinal dos sistemas LiDAR que medem a luz refletida variável.

PGTIAs de um versus dois canais

Os PGTIAs de canal único se destacam para aplicações que dependem da medição ou detecção de sinais de um único ponto, como em um simples detector de movimento ou em um leitor de código de barras. Mas muitas aplicações exigem uma solução ainda mais adaptável para oferecer maior precisão, reduzir ainda mais o ruído eletrônico, analisar vários parâmetros e fornecer processamento e adaptabilidade superiores em mercados em rápida evolução.

Os PGTIAs de canal duplo podem processar sinais de duas fontes de entrada independentes simultaneamente, permitindo que os projetistas consolidem funções como detecção diferencial, cancelamento de ruído e análise de vários parâmetros. Integrar canais de amplificador duplo em um invólucro compacto é mais econômico do que empregar dispositivos separados de canal único e pode reduzir a necessidade de componentes adicionais. Cada canal pode ser otimizado para diferentes faixas de entrada, proporcionando aos projetistas maior versatilidade para suas aplicações.

Outras vantagens dos PGTIAs de canal duplo incluem consumo de energia mais eficiente, minimização de efeitos parasitas que poderiam resultar da combinação de componentes discretos e redução do espaço necessário na placa. Os canais duplos podem ser utilizados para diversos fins em projetos de aplicações, tais como:

• Aquisição simultânea de dados a partir de fontes de dados independentes para aumentar a eficiência
• Fornecimento de redundância de medições para melhorar a confiabilidade
• Obtenção de medições comparativas a partir de dois sinais

Embora os PGTIAs de canal duplo possam ser ligeiramente mais caros por unidade do que as alternativas de canal único, isso será provavelmente mais do que compensado pela redução de componentes, montagem mais simples e melhor controle de qualidade.

O PGTIA compacto e altamente integrado da ADI

A Analog Devices, Inc. (ADI) oferece uma solução compacta e flexível para aplicações que exigem PGTIAs de precisão, como equipamentos de rede óptica, interfaces de fotodetectores e instrumentação de precisão.

O ADA4351-2 (Figura 1) é um PGTIA monolítico de canal duplo num invólucro de escala de chip com bastidor de terminais (LFCSP) de 3 mm x 3 mm sem pad exposto. Cada canal tem duas vias selecionáveis de realimentação, em que o ganho de cada via de realimentação é definido por um resistor externo.

Figura 1: O PGTIA ADA4351-2 da ADI oferece uma opção monolítica de canal duplo para medir com precisão pequenas correntes numa vasta faixa dinâmica. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

O ADA4351-2 pode atender às necessidades de uma variedade de aplicações que dependem de alta precisão, sensibilidade e adaptabilidade. Sua versatilidade o torna ideal para aplicações que exigem amplificação precisa do sinal, alta faixa dinâmica e funcionalidade integrada, como comunicação óptica, imagens médicas, espectroscopia e instrumentação científica. Sua faixa de temperatura operacional é de -40°C a +125°C.

O design compacto e a capacidade do ADA4351-2 de acionar diretamente um conversor analógico para digital podem simplificar as arquiteturas do sistema, reduzir a quantidade de componentes e aumentar a confiabilidade. Pode acionar diretamente dois ADCs de precisão de 16 bits (Figura 2, um mostrado), como o AD4695 e AD4696 da ADI, fornecendo aos desenvolvedores um front-end analógico completo para aplicações de medição de corrente de precisão.

Figura 2: Esquema de metade do ADA4351-2 acionando um ADC como o AD4695/AD4696 da ADI. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

O ADA4351-2 fornece entradas analógicas e digitais distintas e pode funcionar com fontes bipolares para realizar tarefas analógicas de alto desempenho, mantendo uma comunicação perfeita e de pouco ruído com sistemas digitais com referência de terra. As fontes digitais oferecem flexibilidade para controlar a lógica de comutação separadamente da faixa de alimentação analógica.

A solução simplifica o design para ambientes de sinais mistos, pois o ADA4351-2 pode ser integrado a sistemas que exigem processamento analógico de alto desempenho, mantendo a compatibilidade com a lógica de controle digital de baixa tensão.

Seu circuito analógico pode usar uma única fonte (2,7 V a 5,5 V) ou uma fonte dupla (± 1,35 V a ± 2,75 V), permitindo sinais de entrada unidirecionais e bidirecionais. Pode acionar ADCs diretamente com tensões de referência de até 5,5 V.

A entrada digital funciona com fontes de alimentação entre 1,62 V e 5,5 V, tornando-a compatível com níveis lógicos comuns de 1,8 V, 3,3 V ou 5 V, dependendo da tensão aplicada aos pinos de alimentação digital (DVSS e DVDD).

Os dois comutadores proprietários integrados e de pouca fuga por configuração de ganho estão dispostos em uma configuração Kelvin para reduzir a imprecisão devido a não idealidade dos comutadores CMOS. A tecnologia de ponta na comutação o torna uma solução eficiente para muitas aplicações, com uma pegada de PCI significativamente reduzida em comparação com a utilização de componentes discretos.

O ADA4351-2 tem um produto de largura de banda de ganho de 8,5 MHz para lidar com sinais de alta frequência. O ganho programável pelo usuário permite otimizar a faixa dinâmica em uma ampla faixa de correntes de entrada.

Prototipagem e teste do ADA4351-2

A placa de teste EVAL-ADA4351-2EBZ da ADI (Figura 3) permite que os projetistas criem rapidamente protótipos, testem e otimizem aplicações usando o ADA4351-2 antes de passar para um projeto personalizado da PCI.

Figura 3: A EVAL-ADA4351-2EBZ vem preenchida com os principais componentes que permitem aos usuários executar e avaliar aplicações utilizando o PGTIA ADA4351-2. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

A placa suporta configuração rápida para interface de fotodiodo, seleção de ganho e outras aplicações, tornando-a uma ferramenta prática para o desenvolvimento de sistemas front-end analógicos de precisão para usos ópticos, de instrumentação e aquisição de dados.

Está pré-configurada com os componentes necessários para demonstrar as principais caraterísticas do ADA4351-2, incluindo o seu ganho programável de transimpedância, funcionamento com pouco ruído e ampla faixa dinâmica. Um slot de fotodiodo não preenchido em cada canal oferece suporte à prototipagem rápida.

As pegadas abertas do resistor e do capacitor na entrada e na saída permitem a instalação de componentes com valores definidos pelo usuário para modificações, como um filtro passa-baixa (LPF) ou um divisor de tensão. Os conectores SMA montados na borda e os pontos de teste permitem conectar diretamente o equipamento de teste às entradas e saídas de ambos os canais, bem como aos pinos de controle de ganho do comutador.

Os desenvolvedores podem explorar diferentes configurações e testar o amplificador com seus próprios componentes da cadeia de sinal, como ADCs ou sensores ópticos.

Conclusão

Com o PGTIA de canal duplo ADA4351-2 da ADI, os desenvolvedores podem obter um desempenho mais preciso e confiável para várias aplicações de interface de fotodiodo, ópticas, instrumentação e aquisição de dados. Utilizando a sua comutação integrada, seu ganho programável e desempenho superior contra ruídos, ele fornece uma solução altamente adaptável e eficiente para processar simultaneamente sinais de fontes de entrada independentes.