SGM834A：140dB 范圍對(duì)數(shù)電流 - 電壓轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)于電流信號(hào)的精確測(cè)量和轉(zhuǎn)換一直是重要的研究方向。SGM834A 作為一款單電源對(duì)數(shù)電流 - 電壓轉(zhuǎn)換器，為低頻率電流信號(hào)的測(cè)量提供了出色的解決方案。下面將從多個(gè)方面對(duì) SGM834A 進(jìn)行詳細(xì)解析。

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一、產(chǎn)品概述

SGM834A 能夠測(cè)量從 1nA 到 10mA 大范圍的低頻率電流信號(hào)。它將測(cè)量電流通過(guò)晶體管 I - V 特性和補(bǔ)償電路轉(zhuǎn)換并壓縮為對(duì)數(shù)電壓。該芯片集成了光電二極管自適應(yīng)偏置、有源屏蔽、輸出緩沖放大器調(diào)理和電壓基準(zhǔn)等功能，非常適合使用工作在光電流模式的光電二極管來(lái)測(cè)量光信號(hào)功率。

它采用 3V 至 5.5V 單電源供電，具備禁用輸入功能以關(guān)閉設(shè)備。輸入電流（IPD）會(huì)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部 40μA/dec 對(duì)數(shù)縮放電流，注入內(nèi)部 5kΩ 電阻，從而在 VLOG 輸出引腳提供 10mV/dB（或 200mV/dec）對(duì)數(shù)斜率的輸出電壓，且該斜率可通過(guò)外部并聯(lián)電阻降低。截距點(diǎn)和比例可通過(guò)片上緩沖放大器進(jìn)行調(diào)整。

二、產(chǎn)品特性

2.1 寬范圍測(cè)量

具有七個(gè)完整數(shù)量級(jí)的測(cè)量范圍，能覆蓋從 1nA 到 10mA 的電流，測(cè)量范圍達(dá) 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(shí)靜態(tài)電流典型值為 3.3mA，禁用時(shí)關(guān)機(jī)電流典型值為 9μA。

2.3 對(duì)數(shù)特性

VLOG 引腳具有 10mV/dB 的對(duì)數(shù)斜率，基本對(duì)數(shù)截距為 100pA，且斜率和截距調(diào)整簡(jiǎn)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(yīng)用領(lǐng)域

3.1 高精度光功率測(cè)量

利用其對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換特性，可精確測(cè)量光功率，在光通信、光學(xué)儀器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

3.2 寬范圍基帶對(duì)數(shù)數(shù)據(jù)壓縮

能夠?qū)挿秶碾娏餍盘?hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮，適用于需要數(shù)據(jù)壓縮的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.3 自動(dòng)功率控制環(huán)路通用檢測(cè)器

可作為自動(dòng)功率控制環(huán)路中的檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guān)閉邏輯輸入，高電平禁用設(shè)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(yáng)極；VLOG 為對(duì)數(shù)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(hù)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(yīng)偏置控制；VREF 為 2V 內(nèi)部電壓基準(zhǔn)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(diǎn)電壓內(nèi)部預(yù)設(shè)可更改，溫度漂移為 0.02mV/℃，輸入保護(hù)偏移電壓在 ±20mV 以內(nèi)。

5.2 光電二極管偏置

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

5.3 對(duì)數(shù)輸出

斜率在不同溫度和電流范圍內(nèi)有一定變化，截距典型值為 100pA，對(duì)數(shù)一致性誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，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(diào)電壓在 ±20mV 以內(nèi)，輸入偏置電流為 20pA，增量輸入電阻為 25GΩ，輸出高電壓在負(fù)載 RL = 1kΩ 到地時(shí)為 VP - 0.1V，輸出電阻為 0.1Ω。

5.6 電源相關(guān)

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(duì)數(shù)一致性

VLOG 與 IPD 的對(duì)數(shù)一致性在不同溫度下有所表現(xiàn)，體現(xiàn)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(diǎn)噪聲頻譜密度與 IPD 和頻率有關(guān)，總寬帶噪聲電壓也與 IPD 相關(guān)。小信號(hào)帶寬在 IPD > 1μA 時(shí)為 10MHz。

七、工作原理

7.1 轉(zhuǎn)換原理

通過(guò)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(guān)系 (V{BE}=V{T} × log {e}(I{C} / I{S})) 進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。為補(bǔ)償 Is 變化，使用相同幾何結(jié)構(gòu)和工藝的虛擬晶體管 Q2 生成參考電壓。通過(guò)電流鏡乘法器和電壓 - 電流轉(zhuǎn)換乘法器補(bǔ)償溫度變化，將 (V{BE 1}-V{BE 2}) 轉(zhuǎn)換為與溫度和 Is 無(wú)關(guān)的電流 ILOG，再通過(guò)內(nèi)部 5kΩ 電阻進(jìn)行電流 - 電壓轉(zhuǎn)換，得到中間輸出電壓 (V{LOG}=5 k Omega ×I_{LOG}) 。

7.2 光功率測(cè)量

光電二極管靈敏度與光功率成正比，通過(guò)對(duì)數(shù)電流 - 電壓轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)光功率的分貝縮放測(cè)量。

7.3 輸出范圍

VLOG 輸出低限為 0.1V，當(dāng)輸入接近截距點(diǎn)時(shí)輸出飽和，從 1nA 開(kāi)始輸出有效。自適應(yīng)偏置和補(bǔ)償塊在 3V 至 5.5V 電源范圍內(nèi)有效，緩沖放大器輸出阻抗小。

7.4 DC 和 AC 分量

對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換適用于輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)定 DC）分量，高頻 AC 分量需過(guò)濾，否則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。

7.5 帶寬和噪聲

帶寬數(shù)據(jù)有助于評(píng)估輸出穩(wěn)定時(shí)間，Q1 在跨阻放大器轉(zhuǎn)換中影響帶寬，低 IPD 時(shí)帶寬受限，可通過(guò)外部 (R{1}-C{1}) 網(wǎng)絡(luò)和緩沖放大器進(jìn)行調(diào)整。

7.6 有源屏蔽和自適應(yīng)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(guò)電流鏡 (Q_{M}) 為光電二極管提供自適應(yīng)偏置，補(bǔ)償電阻壓降。

7.7 參考和緩沖

芯片集成 2V 參考和緩沖運(yùn)算放大器，可用于 VLOG 調(diào)理或作為常規(guī)運(yùn)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(guān)閉設(shè)備，此時(shí)電源電流降至 9μA。

八、應(yīng)用信息

8.1 屏蔽與濾波

屏蔽、防護(hù)、濾波和適當(dāng)?shù)亩O管偏置對(duì)于減少耦合到 INPT 的噪聲電壓至關(guān)重要，尤其是在低二極管電流和高反饋信號(hào)時(shí)。

8.2 VLOG 輸出調(diào)理

可使用片上緩沖放大器和電壓基準(zhǔn)調(diào)整輸出截距點(diǎn)和比例，通過(guò)不同的電阻配置實(shí)現(xiàn)截距點(diǎn)的降低或升高，并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式和電阻選擇示例。

8.3 輸出濾波

對(duì)于輸出濾波，單極濾波器或更復(fù)雜的雙極 Sallen - Key 濾波器可根據(jù)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(shù)示例。

8.4 評(píng)估板

SGM834A 提供評(píng)估板，可進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)配置，默認(rèn)配置為光電導(dǎo)模式的二極管檢測(cè)器，通過(guò)配置電阻和電容可評(píng)估各種應(yīng)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(xì)的封裝外形尺寸和推薦焊盤(pán)尺寸。

9.2 卷帶和卷軸信息

包括卷帶和卷軸的尺寸參數(shù)，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(cè)量、低功耗、高精度等特性，在光功率測(cè)量、數(shù)據(jù)壓縮等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)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(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。