SGM834B：140dB 寬范圍對數(shù)電流 - 電壓轉(zhuǎn)換器的特性與應(yīng)用

在電子設(shè)計領(lǐng)域，對于低頻率、寬范圍電流信號的測量需求日益增長。SGM834B 作為一款單電源對數(shù)電流 - 電壓轉(zhuǎn)換器，為這類測量提供了出色的解決方案。今天，我們就來深入了解一下 SGM834B 的特性、工作原理及應(yīng)用。

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一、SGM834B 概述

SGM834B 能夠測量從 1nA 到 10mA 寬范圍內(nèi)的低頻電流信號。它將光電二極管自適應(yīng)偏置、有源屏蔽、輸出緩沖放大器調(diào)理和電壓基準(zhǔn)等功能集成在單芯片上，特別適合使用工作在光電流模式下的光電二極管來測量光信號功率。該器件通過晶體管的 I - V 特性和補(bǔ)償電路，將測量到的電流轉(zhuǎn)換并壓縮為對數(shù)電壓。

SGM834B 采用 3V 至 5.5V 單電源供電，并配備了禁用輸入引腳，可關(guān)閉器件。輸入電流（IPD）被轉(zhuǎn)換為內(nèi)部 40μA/dec 對數(shù)縮放電流，注入內(nèi)部 5kΩ 電阻，在 VLOG 輸出引腳提供 10mV/dB（或 200mV/dec）對數(shù)斜率的輸出電壓，這個斜率還可以通過外部并聯(lián)電阻進(jìn)行調(diào)整。截距點(diǎn)和比例可以通過片上緩沖放大器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

二、主要特性

2.1 寬范圍測量

擁有七個完整的十進(jìn)制范圍，可測量 1nA 到 10mA 的電流，測量范圍達(dá) 140dB，能滿足多種不同應(yīng)用場景下的電流測量需求。

2.2 電源與功耗

支持 3V 至 5.5V 單電源供電，功耗低且溫度穩(wěn)定性好。啟用時靜態(tài)電流典型值為 3.3mA，禁用時關(guān)斷電流典型值為 9μA，在節(jié)能方面表現(xiàn)出色。

2.3 精確的對數(shù)轉(zhuǎn)換

在 VLOG 引腳具有 10mV/dB 的對數(shù)斜率，基本對數(shù)截距為 100pA，斜率和截距調(diào)整簡單，能實(shí)現(xiàn)精確的對數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.4 高速性能

壓擺率為 15V/μs，能快速響應(yīng)信號變化，適用于對響應(yīng)速度有要求的應(yīng)用。

2.5 封裝與溫度范圍

采用綠色 TSSOP - 14 封裝，工作溫度范圍為 - 40℃ 至 + 85℃，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 高精度光功率測量

由于其對數(shù)轉(zhuǎn)換特性，SGM834B 非常適合用于高精度光功率測量。通過測量光電二極管的光電流，將其轉(zhuǎn)換為對數(shù)電壓，從而方便地實(shí)現(xiàn)光功率的測量。

3.2 寬范圍基帶對數(shù)數(shù)據(jù)壓縮

在需要對寬范圍電流信號進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的應(yīng)用中，SGM834B 可以將大動態(tài)范圍的電流信號轉(zhuǎn)換為對數(shù)電壓，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效壓縮。

3.3 自動功率控制環(huán)路中的通用檢測器

在自動功率控制環(huán)路中，SGM834B 可以作為檢測器，實(shí)時監(jiān)測電流信號，并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，為控制系統(tǒng)提供反饋。

四、工作原理

4.1 對數(shù)轉(zhuǎn)換原理

SGM834B 的對數(shù)轉(zhuǎn)換基于雙極晶體管的集電極電流（IC）和基極 - 發(fā)射極電壓（VBE）之間的固有關(guān)系：[V{B E}=V{T} × log {e}left(I{C} / I{S}right)] 其中，(Is) 是晶體管的飽和電流，(V{T}) 是熱電壓。通過這個關(guān)系，將流入 (Q{1}) 集電極的二極管 (I PD) 電流轉(zhuǎn)換為對數(shù)電壓 (V{BE 1})。

為了補(bǔ)償 (Is) 變化和溫度影響，芯片中使用了一個與 (Q{1}) 幾何結(jié)構(gòu)和工藝相同的虛擬晶體管 (Q{2})，通過設(shè)置其集電極電流為穩(wěn)定準(zhǔn)確的參考電流 (IREF)，生成截距點(diǎn)的參考電壓 (V{BE 2})。最終得到溫度和工藝無關(guān)的 (V{BE 1}-V{BE 2}) 電壓，再通過電流鏡乘法器和電壓 - 電流轉(zhuǎn)換乘法器將其轉(zhuǎn)換為與溫度和 (Is) 無關(guān)的電流 (ILOG)，經(jīng)過內(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})。

4.2 自適應(yīng)偏置與有源屏蔽

自適應(yīng)偏置模塊通過在較高 (IPD) 電流時增加偏置電壓，補(bǔ)償二極管體電阻壓降，使二極管結(jié)上的反向偏置幾乎穩(wěn)定在 0.1V。有源屏蔽則是將 INPT 引腳兩側(cè)的 VSUM 引腳連接到與 INPT 相同的 0.5V 電壓，通過創(chuàng)建零電壓差，最小化 (IPD) 泄漏。

五、電氣特性

5.1 輸入接口

指定電流范圍為 1nA 到 10mA，輸入節(jié)點(diǎn)電壓內(nèi)部預(yù)設(shè)為 0.5V，溫度漂移為 0.02mV/℃，輸入保護(hù)偏移電壓在 ±20mV 以內(nèi)。

5.2 對數(shù)輸出

VLOG 引腳的斜率在不同溫度和電流范圍內(nèi)有所變化，典型值為 200mV/dec，截距典型值為 100pA，最大輸出電壓為 1.6V，最小輸出電壓為 0.1V，并聯(lián)輸出電阻典型值為 5kΩ。

5.3 參考輸出

VREF 輸出電壓典型值為 2V，輸出電阻為 0.1Ω。

5.4 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)載為 1kΩ 到地時為 (V_{P}-0.1V)，輸出電阻為 0.1Ω。

六、應(yīng)用注意事項

6.1 屏蔽與濾波

屏蔽、保護(hù)、濾波和適當(dāng)?shù)亩O管偏置是減少耦合到 INPT 的噪聲電壓的關(guān)鍵因素，特別是在二極管電流較低且通過 (Q_{1}) 的反饋信號較高時。應(yīng)在將電流信號送入轉(zhuǎn)換器之前進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘?、濾波和二極管偏置。

6.2 VLOG 輸出調(diào)理

片上緩沖放大器和電壓基準(zhǔn)可用于調(diào)整輸出截距點(diǎn)和縮放比例，以匹配下游處理所需的信號電平?？梢酝ㄟ^選擇合適的電阻來降低或提高截距點(diǎn)。

6.3 輸出濾波

在大多數(shù)情況下，使用一個連接在 VLOG 和 AGND 之間的電容構(gòu)成的單極點(diǎn)濾波器進(jìn)行輸出濾波效果較好。如果需要更低噪聲的高性能測量系統(tǒng)，可以使用更復(fù)雜的濾波器，如雙極點(diǎn) Sallen - Key 濾波器。

七、評估板

SGM834B 提供了評估板，其原理圖如圖 12 所示。評估板默認(rèn)設(shè)置為光電導(dǎo)模式的二極管檢測器，緩沖增益為 1，斜率為 10mV/dB，截距點(diǎn)為 100pA。通過配置評估板上的電阻和電容，可以評估數(shù)據(jù)手冊中介紹的所有應(yīng)用電路和選項。

SGM834B 以其寬范圍測量、精確的對數(shù)轉(zhuǎn)換、低功耗等特性，為電子工程師在光功率測量、數(shù)據(jù)壓縮等領(lǐng)域提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求，合理利用其特性，并注意相關(guān)的應(yīng)用注意事項，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。大家在使用 SGM834B 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。