SGM834A：140dB 范圍對數電流 - 電壓轉換器的詳細解析

在電子設計領域，對于電流信號的精確測量和轉換一直是重要的研究方向。SGM834A 作為一款單電源對數電流 - 電壓轉換器，為低頻率電流信號的測量提供了出色的解決方案。下面將從多個方面對 SGM834A 進行詳細解析。

文件下載：SGM834A.pdf

一、產品概述

SGM834A 能夠測量從 1nA 到 10mA 大范圍的低頻率電流信號。它將測量電流通過晶體管 I - V 特性和補償電路轉換并壓縮為對數電壓。該芯片集成了光電二極管自適應偏置、有源屏蔽、輸出緩沖放大器調理和電壓基準等功能，非常適合使用工作在光電流模式的光電二極管來測量光信號功率。

它采用 3V 至 5.5V 單電源供電，具備禁用輸入功能以關閉設備。輸入電流（IPD）會轉換為內部 40μA/dec 對數縮放電流，注入內部 5kΩ 電阻，從而在 VLOG 輸出引腳提供 10mV/dB（或 200mV/dec）對數斜率的輸出電壓，且該斜率可通過外部并聯電阻降低。截距點和比例可通過片上緩沖放大器進行調整。

二、產品特性

2.1 寬范圍測量

具有七個完整數量級的測量范圍，能覆蓋從 1nA 到 10mA 的電流，測量范圍達 140dB。

2.2 電源與功耗

支持 3V 至 5.5V 單電源操作，功耗低且溫度穩(wěn)定，啟用時靜態(tài)電流典型值為 3.3mA，禁用時關機電流典型值為 9μA。

2.3 對數特性

VLOG 引腳具有 10mV/dB 的對數斜率，基本對數截距為 100pA，且斜率和截距調整簡單。

2.4 其他特性

壓擺率為 15V/μs，采用綠色 TSSOP - 14 封裝，工作溫度范圍為 - 40℃ 至 + 85℃。

三、應用領域

3.1 高精度光功率測量

利用其對數轉換特性，可精確測量光功率，在光通信、光學儀器等領域有廣泛應用。

3.2 寬范圍基帶對數數據壓縮

能夠對寬范圍的電流信號進行對數壓縮，適用于需要數據壓縮的應用場景。

3.3 自動功率控制環(huán)路通用檢測器

可作為自動功率控制環(huán)路中的檢測器，實現對功率的精確控制。

四、引腳配置與功能

4.1 引腳配置

SGM834A 采用 TSSOP - 14 封裝，各引腳功能明確。例如，GND 為電源地；PWDN 為電源關閉邏輯輸入，高電平禁用設備，低電平啟用；INPT 為光電二極管電流輸入，通常連接光電二極管陽極；VLOG 為對數前端輸出等。

4.2 引腳功能

不同引腳具有不同的功能，如 VSUM 為保護引腳，可用于有源屏蔽；VPDB 可連接光電二極管陰極，提供自適應偏置控制；VREF 為 2V 內部電壓基準輸出等。

五、電氣特性

5.1 輸入接口

指定電流范圍為 1nA 至 10mA 流入 INPT 引腳，輸入節(jié)點電壓內部預設可更改，溫度漂移為 0.02mV/℃，輸入保護偏移電壓在 ±20mV 以內。

5.2 光電二極管偏置

最小偏置值在 IPD = 1nA 且 TJ = + 25℃ 時為 70 - 100mV，跨阻為 300mV/mA。

5.3 對數輸出

斜率在不同溫度和電流范圍內有一定變化，截距典型值為 100pA，對數一致性誤差在規(guī)定范圍內，最大輸出電壓為 1.6V，最小輸出電壓為 0.1V，分流輸出電阻典型值為 5kΩ。

5.4 參考輸出

電壓參考 AGND 為 2V，輸出電阻為 0.1Ω。

5.5 輸出緩沖放大器

輸入失調電壓在 ±20mV 以內，輸入偏置電流為 20pA，增量輸入電阻為 25GΩ，輸出高電壓在負載 RL = 1kΩ 到地時為 VP - 0.1V，輸出電阻為 0.1Ω。

5.6 電源相關

邏輯高電平電壓為 2V，邏輯低電平電壓為 1V，正電源電壓范圍為 3 - 5.5V。

六、典型性能特性

6.1 對數一致性

VLOG 與 IPD 的對數一致性在不同溫度下有所表現，體現了其在不同工作條件下的穩(wěn)定性。

6.2 噪聲與帶寬

VLOG 處的點噪聲頻譜密度與 IPD 和頻率有關，總寬帶噪聲電壓也與 IPD 相關。小信號帶寬在 IPD > 1μA 時為 10MHz。

七、工作原理

7.1 轉換原理

通過閉環(huán)偏置電路將 Q1 集電極電壓穩(wěn)定在 0.5V，利用雙極晶體管中集電極電流（Ic）和基極 - 發(fā)射極電壓（VBE）的固有關系 (V{BE}=V{T} × log {e}(I{C} / I{S})) 進行對數轉換。為補償 Is 變化，使用相同幾何結構和工藝的虛擬晶體管 Q2 生成參考電壓。通過電流鏡乘法器和電壓 - 電流轉換乘法器補償溫度變化，將 (V{BE 1}-V{BE 2}) 轉換為與溫度和 Is 無關的電流 ILOG，再通過內部 5kΩ 電阻進行電流 - 電壓轉換，得到中間輸出電壓 (V{LOG}=5 k Omega ×I_{LOG}) 。

7.2 光功率測量

光電二極管靈敏度與光功率成正比，通過對數電流 - 電壓轉換可實現光功率的分貝縮放測量。

7.3 輸出范圍

VLOG 輸出低限為 0.1V，當輸入接近截距點時輸出飽和，從 1nA 開始輸出有效。自適應偏置和補償塊在 3V 至 5.5V 電源范圍內有效，緩沖放大器輸出阻抗小。

7.4 DC 和 AC 分量

對數轉換適用于輸入信號的穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)定 DC）分量，高頻 AC 分量需過濾，否則會產生測量誤差。

7.5 帶寬和噪聲

帶寬數據有助于評估輸出穩(wěn)定時間，Q1 在跨阻放大器轉換中影響帶寬，低 IPD 時帶寬受限，可通過外部 (R{1}-C{1}) 網絡和緩沖放大器進行調整。

7.6 有源屏蔽和自適應偏置

INPT 電壓保持在 0.5V，VSUM 引腳連接相同電壓以減少 IPD 泄漏。通過電流鏡 (Q_{M}) 為光電二極管提供自適應偏置，補償電阻壓降。

7.7 參考和緩沖

芯片集成 2V 參考和緩沖運算放大器，可用于 VLOG 調理或作為常規(guī)運算放大器或比較器。

7.8 芯片啟用

將 PWDN 引腳拉高至邏輯高電平可關閉設備，此時電源電流降至 9μA。

八、應用信息

8.1 屏蔽與濾波

屏蔽、防護、濾波和適當的二極管偏置對于減少耦合到 INPT 的噪聲電壓至關重要，尤其是在低二極管電流和高反饋信號時。

8.2 VLOG 輸出調理

可使用片上緩沖放大器和電壓基準調整輸出截距點和比例，通過不同的電阻配置實現截距點的降低或升高，并給出了相應的計算公式和電阻選擇示例。

8.3 輸出濾波

對于輸出濾波，單極濾波器或更復雜的雙極 Sallen - Key 濾波器可根據需求選擇，文中還給出了不同增益和截止頻率下的濾波器參數示例。

8.4 評估板

SGM834A 提供評估板，可進行多種實驗配置，默認配置為光電導模式的二極管檢測器，通過配置電阻和電容可評估各種應用電路。

九、封裝信息

9.1 封裝尺寸

采用 TSSOP - 14 封裝，文中給出了詳細的封裝外形尺寸和推薦焊盤尺寸。

9.2 卷帶和卷軸信息

包括卷帶和卷軸的尺寸參數，如卷軸直徑、寬度等。

9.3 紙箱尺寸

提供了 13" 卷軸的紙箱尺寸信息。

SGM834A 憑借其寬范圍測量、低功耗、高精度等特性，在光功率測量、數據壓縮等領域具有廣闊的應用前景。在實際應用中，工程師需要根據具體需求合理配置引腳、選擇合適的外部組件，以充分發(fā)揮該芯片的性能。你在使用 SGM834A 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗。