信号処理用の高精度増幅を実現するプログラム可能ゲインTIA

低電流信号を電圧出力に変換することは、広範なアプリケーション、特に測定、監視、検出の目的で物理現象を変換するセンサに依存するアプリケーションにとって不可欠な要件です。これらの信号が予測可能で安定している場合、トランスインピーダンスアンプ（TIA）は比較的シンプルで信頼性の高いソリューションですが、可変入力電流や高ダイナミックレンジに対応できる高精度増幅を備えた、より洗練されたオプションを必要とする技術者が増えています。

TIAは、フィードバック抵抗を介して入力電流を出力電圧に変換するために使用されます。TIAは、小電流を電圧信号に変換する比較的簡単で費用対効果の高い方法です。

これらのデバイスは、光、電荷、放射線などの現象によって生じる電流を、信号処理や長距離伝送のために増幅や調整が可能で、測定に必要な電圧信号に変換するために広く使用されています。そのため、光ファイバ通信、光および放射線の感知、粒子検出、光検出および測距（LiDAR）、医療機器、低消費電力センサを利用した小型システムなどに広く利用されています。

しかし、ほとんどのTIAは固定利得で動作し、変動や広い電流範囲に適応できないため、動的条件下での性能に限界があります。電流レベルが設計パラメータの範囲内にない場合、信号の歪み、精度の低下、性能の制限につながる可能性があります。これらをより可変的あるいは動的な条件に適応させるには、ハードウェアの改造や部品の追加が必要となり、複雑さが増し、消費電力も増加します。

プログラム可能ゲインTIA（PGTIA）は、単一のアンプを利用して、高感度光学システム、精密分析機器、電気化学および生体電気信号検出などのアプリケーションで遭遇する広いダイナミックレンジを扱うことができます。

標準的なTIAとは異なり、PGTIAは特定の信号範囲に対して利得を最適化でき、出力信号強度を最大化し、システム全体の信号対雑音比（SNR）が最大化します。これらのコンポーネントは、動的にゲインを変化させて弱い信号を増幅し、さらに強い信号が出力を飽和させるのを防ぐことができます。

変化する信号条件に適応し、動的にゲインを変化させる能力を持つPGTIAは、広い入力ダイナミックレンジを持つアプリケーションや高精度測定装置に適しています。たとえば、PGTIAは、変化する反射光を測定するLiDARシステムの信号レベルに動的に適応することができます。

シングルチャンネルおよびデュアルチャンネルPGTIA

シングルチャンネルPGTIAは、単純なモーションディテクタやバーコードスキャナのように、1点からの信号の測定や検出に依存するアプリケーションに適しています。しかし、多くのアプリケーションでは、より高い精度を実現し、電子ノイズをさらに低減し、複数のパラメータを分析し、急速に進化する市場で優れた処理と適応性を提供するために、さらに適応性の高いソリューションが必要です。

デュアルチャンネルPGTIAは、2つの独立した入力ソースからの信号を同時に処理できるため、設計者は差動検出、ノイズキャンセル、マルチパラメータ解析などの機能を統合することができます。デュアルアンプチャンネルを1つのコンパクトなパッケージに統合することは、別々のシングルチャンネルデバイスを採用するよりもコスト効率が高く、追加コンポーネントの必要性を減らすことができます。各チャンネルは異なる入力レンジに最適化できるため、設計者はアプリケーションの汎用性を高めることができます。

デュアルチャネルPGTIAのその他の利点としては、より効率的な消費電力、ディスクリートコンポーネントの組み合わせから生じる寄生効果の最小化、必要なボードスペースの削減などが挙げられます。デュアルチャンネルは、以下のような多様なアプリケーションの設計目的に使用できます。

• 独立したデータソースから同時にデータを取得して、効率を高める
• 測定の冗長性を提供し、信頼性を向上
• 2つの信号から比較測定を実現

デュアルチャネルPGTIAは、シングルチャネルPGTIAに比べ、ユニット当たりのコストは若干高くなるかもしれませんが、部品点数の削減、組み立ての簡素化、品質管理の向上により、それを補って余りあるものと思われます。

ADIの高度に統合されたコンパクトなPGTIA

Analog Devices, Inc.（ADI）は、光ネットワーク機器、光検出器インターフェース、精密計測器など、高精度PGTIAを必要とするアプリケーション向けに、コンパクトで柔軟なソリューションを提供します。

ADA4351-2（図1）は、パッドが露出しない3mm×3mmのリードフレームチップスケールパッケージ（LFCSP）に収められたモノリシックデュアルチャネルPGTIAです。各チャンネルには選択可能な2つのフィードバックパスがあり、各フィードバックパスのゲインは外付け抵抗によって設定されます。

図1：ADIのADA4351-2 PGTIAは、広いダイナミックレンジで小電流を正確に測定するためのモノリシック、デュアルチャンネルオプションを提供します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

ADA4351-2は、高精度、高感度、適応性に依存するさまざまなアプリケーションのニーズを満たすことができます。その汎用性により、光通信、医療用画像処理、分光学、科学機器など、精密な信号増幅、高ダイナミックレンジ、統合機能を必要とするアプリケーションに適しています。動作温度範囲は-40°C～+125°Cです。

ADA4351-2はコンパクトな設計で、A/Dコンバータを直接駆動できるため、システムアーキテクチャの簡素化、部品点数の削減、信頼性の向上が可能です。これは、ADIのAD4695やAD4696などの2つの16ビット高精度ADC（図2、1つを示す）を直接駆動することができ、開発者に高精度電流測定アプリケーション用の完全なアナログフロントエンドを提供します。

図2：ADIのAD4695/AD4696などのADCを駆動するADA4351-2の1/2の回路図。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

ADA4351-2は、明確なアナログ入力とデジタル入力を備え、バイポーラ電源で動作可能なため、高性能なアナログタスクを達成すると同時に、グラウンド基準のデジタルシステムとのシームレスで低ノイズの通信を維持することができます。デジタル電源は、アナログ電源範囲とは別にスイッチロジックを制御する柔軟性を提供します。

ADA4351-2は、低電圧デジタル制御ロジックとの互換性を維持しながら、高性能アナログ処理を必要とするシステムに組み込むことができるため、混合信号環境の設計を簡素化します。

アナログ回路は、単一電源（2.7V～5.5V）またはデュアル電源（±1.35V～±2.75V）のいずれかを使用でき、単方向および双方向の入力信号が可能です。最大5.5Vの基準電圧でADCを直接駆動できます。

デジタル入力は、1.62Vから5.5Vの電源で動作し、デジタル電源ピン（DVSSおよびDVDD）に印加される電圧に応じて、1.8V、3.3V、または5Vの共通ロジックレベルと互換性があります。

ゲイン設定ごとに2つのオフ時低リーク電流の独自スイッチが内蔵され、CMOSスイッチの非理想性による不正確さを低減するため、ケルビン配置になっています。高度なスイッチング技術により、ディスクリート部品を使用する場合に比べ、PCB実装面積が大幅に削減され、多くのアプリケーションで効率的なソリューションとなります。

ADA4351-2は、高周波信号を扱うために8.5MHzの利得帯域幅積を持っています。ユーザーがプログラム可能なゲインにより、広い入力電流範囲にわたってダイナミックレンジを最適化できます。

ADA4351-2の試作およびテスト

ADIのEVAL-ADA4351-2EBZ評価ボード（図3）により、設計者はカスタムPCB設計に移行する前に、ADA4351-2を使用したアプリケーションの試作、テスト、最適化を迅速に行うことができます。

図3：EVAL-ADA4351-2EBZには、ADA4351-2 PGTIAを使用したアプリケーションの実行と評価を可能にする主要コンポーネントが搭載されています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

このボードは、フォトダイオードインターフェース、ゲイン選択、その他のアプリケーションの迅速な設定をサポートしており、光学、計測、データ収集用の高精度アナログフロントエンドシステムを開発するための実用的なツールとなっています。

プログラム可能トランスインピーダンスゲイン、低ノイズ動作、広いダイナミックレンジなど、ADA4351-2の主な機能を実証するために必要なコンポーネントがあらかじめ構成されています。各チャンネルにはフォトダイオードスロットがあり、迅速な試作が可能です。

入力と出力の抵抗とコンデンサのフットプリントをオープンにすることで、ローパスフィルタ（LPF）や分圧器など、ユーザー定義の値で変更可能なコンポーネントを取り付けることができます。エッジに実装されたSMAコネクタとテストポイントにより、両チャンネルの入出力およびゲインスイッチコントロールピンにテスト機器を直接接続できます。

開発者は、さまざまな構成を検討し、ADCや光センサなどの独自のシグナルチェーンコンポーネントでアンプをテストすることができます。

まとめ

ADIのADA4351-2デュアルチャネルPGTIAにより、開発者はさまざまなフォトダイオードインターフェース、光学、計測、データ収集アプリケーションで、より正確で信頼性の高い性能を達成することができます。統合されたスイッチング、プログラム可能なゲイン、優れたノイズ性能を活用することで、独立した入力ソースからの信号を同時に処理するための適応性が高く効率的なソリューションを提供します。