可編程增益 TIA 可針對訊號處理提供精確的放大效果

將低電流訊號轉換成電壓輸出是各種應用的基本要求，尤其是仰賴感測器轉換物理現象以進行測量、監控和偵測的應用。若這些訊號可預測且穩定，轉阻放大器 (TIA) 就會是相對簡單可靠的解決方案，但工程師也逐漸發現，需要更複雜且帶有精密放大效果的選項，藉此適應可變輸入電流或高動態範圍。

TIA 可透過回授電阻將輸入電流轉換成輸出電壓。可提供相對簡單且符合成本效益的方法，將小電流轉換成電壓訊號。

這些裝置廣泛用於將光、電荷或輻射等現象產生的電流轉換成可測量的電壓訊號，接著再進行放大和調節，以利訊號處理和遠距離傳輸。因此，可廣泛用於光纖通訊、光和輻射感測、粒子偵測、光達 (LiDAR)、醫療裝置，以及使用低功耗感測器的精簡型系統。

然而，大多數 TIA 皆以固定增益運作，無法因應波動或寬電流範圍，因此在動態條件下的效能會有所受限。當電流位準不在設計參數範圍內時，可能會導致訊號失真、精度降低或效能受限。若要針對更多的可變或動態條件進行調適，就必須改裝硬體和外加元件，因此會增加複雜性並提升功耗。

可編程增益 TIA (PGTIA) 可以利用單一放大器來處理應用中遇到的寬廣動態範圍，例如高靈敏度光學系統、精密分析儀器以及電化學和生物電訊號偵測等應用。

與標準 TIA 不同的是，PGTIA 可針對特定訊號範圍進行增益最佳化、達到最大的輸出訊號強度，進而達到最大的高整體系統訊噪比 (SNR)。這些元件可動態改變增益，以放大微弱訊號，並可避免強訊號讓輸出飽和。

PGTIA 能適應不斷變化的訊號條件和動態變化的增益，因此適用於具有寬廣輸入動態範圍和高精度測量裝置的應用。例如，PGTIA 可以動態適應 LiDAR 系統的訊號位準，以便測量可變反射光。

單通道與雙通道 PGTIA 的差異

單通道 PGTIA 非常適合須在單點測量或偵測訊號的應用，例如簡易的動作偵測器或條碼掃描器。但許多應用需要適應性更強的解決方案，以提供更高的精度、進一步降低電子雜訊、分析多個參數，並在快速演變的市場中提供優異的處理能力和適應性。

雙通道 PGTIA 可以同時處理來自兩個獨立輸入源的訊號，因此設計人員就能統整各項功能，如差動偵測、雜訊消除和多參數分析等。將雙通道放大器整合到單一緊湊封裝內，會比採用個別的單通道裝置更具成本效益，並且可以降低額外元件的需求。每個通道皆可針對不同的輸入範圍進行最佳化，因此設計人員能讓應用更具多功能性。

雙通道 PGTIA 的其他優勢包括能源效率更高、可將合併離散元件時所產生的寄生效應降至最低，還可減少所需的電路板空間。雙通道可用於眾多應用設計用途，例如：

• 從獨立的資料來源同時擷取資料以提高效率
• 提供測量值冗餘以提高可靠性
• 用兩個訊號達到測量值比較

雖然雙通道 PGTIA 的單位成本可能比單通道替代品略高，但因為元件數量減少、組裝簡化且品質管控有所提升，因此成本上幾乎可以抵銷。

ADI 高度整合的緊湊型 PGTIA

Analog Devices, Inc. (ADI) 針對需要精密 PGTIA 的應用提供緊湊且靈活的解決方案，例如光學網路設備、光偵測器介面和精密儀器。

ADA4351-2 (圖 1) 是一款單晶片雙通道 PGTIA，採用 3 x 3 mm 引腳架構晶片級封裝 (LFCSP)，且無裸焊盤。每個通道皆有兩個可選的回授路徑，每條回授路徑的增益會由外部電阻器設定。

圖 1：ADI 的 ADA4351-2 PGTIA 提供單晶片雙通道選項，可在寬廣動態範圍內精確測量微小電流。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

ADA4351-2 可針對需要高精度、靈敏度和適應性的眾多應用符合其需求。因具有多功能性，因此非常適合需要精確訊號放大、高動態範圍和整合式功能的應用，例如光學通訊、醫療造影、光譜學和科學儀器。工作溫度範圍為 -40°C 至 +125°C。

ADA4351-2 採用緊湊設計，並可直接驅動類比數位轉換器，因此能簡化系統架構、減少元件數量並增進可靠性。可以直接驅動兩個 16 位元精密 ADC (圖 2，顯示其一)，例如 ADI 的 AD4695 和 AD4696，能為開發人員提供完整的類比前端，用於精密電流測量應用。

圖 2：ADA4351-2 驅動 ADC 的 1/2 線路圖，例如 ADI 的 AD4695/AD4696。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

ADA4351-2 提供不同的類比和數位輸入，能以雙極電源運作，以完成高效能的類比任務，同時與接地參考的數位系統維持順暢且低雜訊的通訊。數位電源可提供靈活性，能控制開關邏輯，不受類比電源範圍影響。

此解決方案可簡化混合式訊號環境的設計，因為 ADA4351-2 可以整合到需要高效能類比處理的系統中，同時可維持與低壓數位控制邏輯的相容性。

其類比電路可以使用單路電源 (2.7 V 至 5.5 V) 或雙路電源 (±1.35 V 至 ±2.75 V)，因此可支援單向和雙向輸入訊號。可以直接驅動參考電壓高達 5.5 V 的 ADC。

數位輸入搭配 1.62 V 至 5.5 V 的電源運作，因此可相容於 1.8 V、3.3 V 或 5 V 的常見邏輯位準，視施加到數位電源引腳 (DVSS 與 DVDD) 的電壓而定。

兩個整合式、低漏電流專有開關會依據增益設定，以凱氏配置排列，藉此降低因 CMOS 開關非理想因素所導致的不準確性。採用先進的切換技術，因此是適合眾多應用的高效解決方案，且與採用離散式元件的方案相比，PCB 佔用空間大幅減少。

ADA4351-2 的增益頻寬乘積為 8.5 MHz，可處理高頻訊號。使用者可編程增益，因此能在寬廣的輸入電流範圍內達到動態範圍最佳化。

ADA4351-2 的原型設計和測試

ADI 的 EVAL-ADA4351-2EBZ 評估板 (圖 3) 能讓設計人員使用 ADA4351-2 快速進行應用的原型設計、測試和最佳化，之後再邁向客製化 PCB 設計。

圖 3：EVAL-ADA4351-2EBZ 配備關鍵元件，能讓使用者利用 ADA4351-2 PGTIA 執行運用與評估。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

此板件可支援光電二極管介接、增益選擇和其他應用的快速配置，因此是針對光學、儀器和數據採集情境開發精密類比前端系統時的實用工具。

預先配置了展示 ADA4351-2 關鍵功能所需的元件，包括可編程轉阻增益、低雜訊操作和寬動態範圍。每個通道上有一個未配置的光電二極管插槽，可支援快速原型設計。

在輸入和輸出端有開放式的電阻和電容覆蓋區，因此可安裝具有用戶定義值的元件，以進行修改，例如低通濾波器 (LPF) 或分壓器。邊緣安裝的 SMA 連接器和測試點可將測試設備直接連接到兩個通道的輸入和輸出端，以及增益開關控制引腳。

開發人員可以探索不同的配置，並使用其專屬的訊號鏈元件 (如 ADC 或光學感測器) 來測試放大器。

結論

透過 ADI 的 ADA4351-2 雙通道 PGTIA，開發人員可以針對多種光電二極管介接、光學、儀器和數據採集應用達到更精確、更可靠的效能。透過其整合式切換、可編程增益和優異的雜訊效能，可提供高度適應性且有效的解決方案，能同時處理來自個別輸入來源的訊號。