Los TIA de ganancia programable permiten amplificar de manera precisa el procesamiento de señales

Convertir una señal de baja corriente en una salida de tensión es un requisito esencial de una amplia gama de aplicaciones, especialmente las que dependen de sensores para convertir fenómenos físicos con fines de medición, supervisión y detección. Cuando esas señales son predecibles y estables, los amplificadores de transimpedancia (TIA) son una solución relativamente sencilla y fiable, pero cada vez más, los ingenieros necesitan una opción más sofisticada con amplificación de precisión que pueda adaptarse a corrientes de entrada variables o a rangos dinámicos elevados.

Los TIA se utilizan para convertir la corriente de entrada en tensión de salida a través de una resistencia de realimentación. Proporcionan una forma relativamente fácil y rentable de convertir pequeñas corrientes en señales de tensión.

Estos dispositivos se utilizan ampliamente para convertir corrientes producidas por fenómenos como la luz, la carga eléctrica o la radiación en señales de tensión medibles que pueden amplificarse y acondicionarse para el procesamiento de señales y la transmisión a larga distancia. Por ello, se utilizan ampliamente en comunicaciones por fibra óptica, detección de luz y radiación, detección de partículas, detección y localización de luz (LiDAR), dispositivos médicos y sistemas compactos que utilizan sensores de bajo consumo.

Sin embargo, la mayoría de los TIA funciona con una ganancia fija y no se adapta a las fluctuaciones ni a amplios rangos de corriente, lo que limita su rendimiento en condiciones dinámicas. Cuando el nivel de corriente no está dentro de los parámetros de diseño, puede producirse una distorsión de la señal, una reducción de la precisión o un rendimiento limitado. Adaptarlos a condiciones más variables o dinámicas requiere modificar el hardware y agregar componentes adicionales, lo que aumenta la complejidad y el consumo de energía.

Los TIA de ganancia programable (PGTIA) pueden utilizar un único amplificador para manejar los amplios rangos dinámicos que se encuentran en aplicaciones como los sistemas ópticos de alta sensibilidad, la instrumentación analítica de precisión y la detección de señales electroquímicas y bioeléctricas.

A diferencia de los TIA estándares, los PGTIA permiten optimizar la ganancia para un rango de señal concreto, maximizando la intensidad de la señal de salida y, por tanto, la relación señal/ruido (SNR) global del sistema. Estos componentes pueden cambiar dinámicamente la ganancia para amplificar las señales débiles y evitar que las fuertes saturen la salida.

Gracias a su capacidad para adaptarse a las condiciones cambiantes de la señal y modificar dinámicamente la ganancia, los PGTIA son ideales para aplicaciones con amplios rangos dinámicos de entrada y dispositivos de medición de alta precisión. Por ejemplo, los PGTIA pueden adaptarse dinámicamente a los niveles de señal de los sistemas LiDAR que miden luz reflejada variable.

Comparación de PGTIA monocanal y PGTIA de doble canal

Los PGTIA monocanal son excelentes para aplicaciones que dependen de la medición o detección de señales desde un único punto, como un simple detector de movimiento o un escáner de códigos de barras. Sin embargo, muchas aplicaciones requieren una solución con mayor capacidad de adaptación para ofrecer más precisión, reducir aún más el ruido electrónico, analizar múltiples parámetros y proporcionar un procesamiento y una adaptabilidad superiores en mercados en rápida evolución.

Los PGTIA de doble canal pueden procesar simultáneamente señales procedentes de dos fuentes de entrada independientes, lo que permite a los diseñadores consolidar funciones como la detección diferencial, la cancelación de ruido y el análisis multiparamétrico. Integrar dos canales de amplificación en un paquete compacto es más rentable que emplear dispositivos monocanal independientes y puede reducir la necesidad de componentes adicionales. Cada canal puede optimizarse para distintos rangos de entrada, lo que proporciona a los diseñadores una mayor versatilidad para sus aplicaciones.

Otras ventajas de los PGTIA de doble canal son un consumo de energía más eficiente, la minimización de los efectos parásitos que podrían derivarse de la combinación de componentes discretos y la reducción del espacio necesario en la placa. Los canales dobles se pueden utilizar para diferentes fines de diseño de aplicaciones, tales como:

• Adquisición simultánea de datos de fuentes independientes para aumentar la eficacia
• Redundancia de las mediciones para mejorar la fiabilidad
• Obtención de mediciones comparativas a partir de dos señales

Aunque los PGTIA de doble canal pueden ser ligeramente más caros por unidad que las alternativas de monocanal, es probable que esto se vea compensado con creces por la reducción del número de componentes, la simplificación del montaje y la mejora del control de calidad.

PGTIA compacto y altamente integrado de ADI

Analog Devices, Inc. (ADI) ofrece una solución compacta y flexible para aplicaciones que requieren PGTIA de precisión, como equipos de redes ópticas, interfaces de fotodetectores e instrumentación de precisión.

El ADA4351-2 (Figura 1) es un PGTIA monolítico de doble canal en un encapsulado a escala de chip con marco de plomo (LFCSP) de 3 mm x 3 mm sin almohadilla expuesta. Cada canal tiene dos vías de realimentación seleccionables, donde la ganancia de cada vía de realimentación se ajusta mediante una resistencia externa.

Figura 1: El PGTIA ADA4351-2 de ADI ofrece una opción monolítica de doble canal para medir con precisión pequeñas corrientes en un amplio rango dinámico. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El ADA4351-2 puede satisfacer las necesidades de una serie de aplicaciones que dependen de una alta precisión, sensibilidad y adaptabilidad. Su versatilidad la hace idónea para aplicaciones que requieren una amplificación precisa de la señal, un alto rango dinámico y funcionalidad integrada, como la comunicación óptica, la imagen médica, la espectroscopia y la instrumentación científica. El rango de temperatura de funcionamiento es de -40 °C a +125 °C.

El diseño compacto del ADA4351-2 y su capacidad para controlar directamente un convertidor analógico-digital pueden simplificar la arquitectura de los sistemas, disminuir el número de componentes y mejorar la fiabilidad. Puede controlar directamente dos ADC de precisión de 16 bits (Figura 2, se muestra uno), como los AD4695 y AD4696 de ADI, proporcionando a los desarrolladores un front-end analógico completo para aplicaciones de medida de corriente de precisión.

Figura 2: Esquema de ½ pulgada del ADA4351-2 controlando un ADC como el AD4695/AD4696 de ADI. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El ADA4351-2 proporciona entradas analógicas y digitales distintas y puede funcionar con suministros bipolares para realizar tareas analógicas de alto rendimiento, manteniendo al mismo tiempo una comunicación fluida y de bajo ruido con sistemas digitales referenciados a tierra. Las alimentaciones digitales proporcionan flexibilidad para controlar la lógica del conmutador independientemente del rango de alimentación analógica.

La solución simplifica el diseño para entornos de señal mixta, ya que el ADA4351-2 puede integrarse en sistemas que requieren un procesamiento analógico de alto rendimiento, manteniendo al mismo tiempo la compatibilidad con la lógica de control digital de bajo voltaje.

Sus circuitos analógicos pueden utilizar una alimentación única (de 2.7 V a 5.5 V) o doble (de ±1.35 V a ±2.75 V), lo que permite utilizar señales de entrada unidireccionales y bidireccionales. Puede controlar directamente ADC con tensiones de referencia de hasta 5.5 V.

La entrada digital funciona con fuentes de alimentación de entre 1.62 V y 5.5 V, por lo que es compatible con niveles lógicos comunes de 1.8 V, 3.3 V o 5 V, en función de la tensión aplicada a los pines de alimentación digital (DVSS y DVDD).

Los dos interruptores propietarios integrados de baja fuga por ajuste de ganancia están dispuestos en una configuración Kelvin para reducir la imprecisión debida a las no idealidades de los interruptores CMOS. La avanzada tecnología de conmutación lo convierte en una solución eficaz para muchas aplicaciones, con una huella de PCB significativamente reducida en comparación con el uso de componentes discretos.

El ADA4351-2 tiene un producto de ancho de banda de ganancia de 8.5 MHz para manejar señales de alta frecuencia. La ganancia programable por el usuario permite optimizar el rango dinámico en una amplia gama de corrientes de entrada.

Prototipos y pruebas del ADA4351-2

La placa de evaluación EVAL-ADA4351-2EBZ de ADI (Figura 3) permite a los diseñadores crear rápidamente prototipos, probar y optimizar aplicaciones utilizando el ADA4351-2 antes de pasar a un diseño de placa CI personalizado.

Figura 3: EVAL-ADA4351-2EBZ incluye los componentes clave que permiten a los usuarios ejecutar y evaluar aplicaciones con el PGTIA ADA4351-2. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

La placa admite una configuración rápida para la interconexión de fotodiodos, la selección de ganancia y otras aplicaciones, lo que la convierte en una herramienta práctica para desarrollar sistemas frontales analógicos de precisión para escenarios ópticos, de instrumentación y de adquisición de datos.

Está preconfigurado con los componentes necesarios para demostrar las características clave del ADA4351-2, incluyendo su ganancia de transimpedancia programable, funcionamiento de bajo ruido y amplio rango dinámico. Una ranura libre para fotodiodos en cada canal permite la creación rápida de prototipos.

Las huellas abiertas de resistencias y capacitores en la entrada y la salida permiten instalar componentes con valores definidos por el usuario para realizar modificaciones, como un filtro de paso bajo (LPF) o un divisor de voltaje. Los conectores SMA montados en los bordes y los puntos de prueba permiten conectar directamente equipos de prueba a las entradas y salidas de ambos canales, así como a los pines de control del conmutador de ganancia.

Los desarrolladores pueden explorar distintas configuraciones y probar el amplificador con sus propios componentes de la cadena de señales, como ADC o sensores ópticos.

Conclusión:

Con el PGTIA de doble canal ADA4351-2 de ADI, los desarrolladores pueden conseguir un rendimiento más preciso y fiable para diversas aplicaciones de interconexión de fotodiodos, óptica, instrumentación y adquisición de datos. Gracias a su conmutación integrada, su ganancia programable y su rendimiento de ruido superior, ofrece una solución muy adaptable y eficaz para procesar simultáneamente señales procedentes de fuentes de entrada independientes.