Firmenblog über TI LMH32401IRGTR Programmierbarer Verstärker für die Transimpedanz der einseitigen Differenzleistung

TILMH32401IRGTRSingle-Ended-Transimpedanzverstärker mit Differenzausgang und programmierbarer Verstärkung

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd.Liefert/recycelt TILMH32401IRGTR— Ein leistungsstarker Transimpedanzverstärker (PGA) mit programmierbarer Verstärkung, der für die Umwandlung von Single-Ended-Eingängen in Differenzausgänge ausgelegt ist. Es wurde speziell für optische Hochgeschwindigkeitserkennungs- und Signalverarbeitungsanwendungen entwickelt und nutzt programmierbare Verstärkung, große Bandbreite, geringes Rauschen und hohe Integration, um eine außergewöhnliche Leistung zu liefern. Es wird häufig in anspruchsvollen Bereichen wie Lidar, Laserentfernungssystemen und optischer Hochgeschwindigkeitskommunikation eingesetzt, in denen Signalpräzision und Reaktionsgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung sind, und dient als ideale Front-End-Verstärkungslösung für moderne optoelektronische Empfängersysteme.

I. Kernüberblick über dieLMH32401IRGTRGerät

Der LMH32401IRGTR ist im Grunde ein Einkanal-Transimpedanzverstärker. Seine Kernfunktion besteht darin, die schwachen Stromsignale, die von Stromausgangssensoren wie Fotodioden erzeugt werden, mit hoher Geschwindigkeit und geringer Verzerrung in Spannungssignale umzuwandeln. Seine differenzielle Ausgangsstruktur erhöht die Störfestigkeit und unterstützt gleichzeitig eine programmierbare Verstärkungsumschaltung zur Anpassung an Anwendungen mit unterschiedlichen Lichtintensitäten oder Signalamplituden. Das Gerät ist in einem kompakten 16-Pin-VQFN-Gehäuse von 3 mm x 3 mm untergebracht und ermöglicht ein PCB-Layout mit hoher Dichte. Sein Betriebstemperaturbereich reicht von -40 °C bis 125 °C und erfüllt damit die Umweltanforderungen für Industrieanwendungen und ausgewählte Automobilanwendungen.

Als Schlüsselprodukt der Hochgeschwindigkeitsverstärkerserie von TI ist derLMH32401IRGTRpriorisiert optimiertes Hochfrequenzverhalten, Rauschverhalten und Integration. Es enthält mehrere praktische Funktionsmodule und ermöglicht einen stabilen Betrieb ohne komplexe Peripherieschaltkreise. Dies reduziert die Komplexität und Kosten des Systemdesigns erheblich und sorgt gleichzeitig für eine stromsparende Steuerung, sodass es sich für tragbare und stromsparende Geräteanwendungen eignet.

II. Technische Kernparameter und Leistungsvorteile vonLMH32401IRGTR

(1) Technische Kernparameter

Die Leistungsparameter des LMH32401IRGTR drehen sich um drei Kernfunktionen: hohe Geschwindigkeit, geringes Rauschen und programmierbare Verstärkung. Die wichtigsten Spezifikationen unter typischen Betriebsbedingungen (VDD=3,3 V, CPD=1 pF, RL=100 Ω, TA=25 °C) entsprechen genau den Anforderungen der realen Anwendung:

- Programmierbare Transimpedanzverstärkung: Unterstützt die Verstärkungsumschaltung von 2 kΩ und 20 kΩ mit einer Standardverstärkung von 2 kΩ. Benutzer können die Verstärkung über den externen GAIN-Pin flexibel konfigurieren, um Eingangsstromsignale mit unterschiedlichen Amplituden zu berücksichtigen.

- Bandbreitenleistung: Bei einer Verstärkung von 2 kΩ erreicht die Transimpedanzbandbreite im geschlossenen Regelkreis 450 MHz; Bei einer Verstärkung von 20 kΩ beträgt die Bandbreite 275 MHz, beide bieten eine außergewöhnliche Hochfrequenz-Antwortfähigkeit;

- Rauschleistung: Bei einer Verstärkung von 2 kΩ beträgt das Eingangsreferenzrauschen nur 250 nARMS; Bei einer Verstärkung von 20 kΩ sinkt das Eingangsreferenzrauschen auf 49 nARMS, was die Erkennungsgenauigkeit bei schwachen Signalen deutlich verbessert;

- Schaltgeschwindigkeit: Bei einer Verstärkung von 2 kΩ beträgt die Anstiegs-/Abfallzeit nur 0,8 ns; Bei einer Verstärkung von 20 kΩ beträgt die Anstiegs-/Abfallzeit 1,3 ns, was die Erfassung von Hochgeschwindigkeits-Transientensignalen ermöglicht;

- Ausgangseigenschaften: Der Ausgangshub erreicht 1,5 VPP und kann 100-Ω-Lasten direkt ansteuern. Die differenzielle Ausgangsstruktur unterstützt den direkten Anschluss an ADCs (Analog-Digital-Wandler) und vereinfacht so das Design der Signalkette.

- Stromversorgung und Stromverbrauch: Einzelversorgungsbetrieb mit einem Spannungsbereich von 3 V bis 3,45 V, typische Versorgungsspannung 3,3 V, Ruhestrom ca. 30 mA. Unterstützt den Energiesparmodus; kann über den EN-Pin im Leerlaufbetrieb deaktiviert werden, um Strom zu sparen.

- Zusätzliche Parameter: Eingangs-Gleichstrombereich bis zu 60–72 μA, typischer linearer Ausgangsstrom (Senke/Quelle) von 26,6 mA, differenzielle Ausgangsimpedanz von ca. 21 Ω und ausgezeichnetes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR).

(II) Kernleistungsvorteile

1. Programmierbare Verstärkung für die Anpassungsfähigkeit an mehrere Szenarien

DerLMH32401IRGTRenthält ein programmierbares Verstärkungsregelungsmodul. Durch die Konfiguration des GAIN-Pin-Pegels ist ein schnelles Umschalten zwischen den Verstärkungseinstellungen von 2 kΩ und 20 kΩ möglich, ohne dass ein Austausch eines externen Widerstands oder eine Neugestaltung der Schaltung erforderlich ist. Diese Flexibilität ermöglicht die Anpassung an Fotodetektionsszenarien bei unterschiedlichen Lichtintensitäten: - Bei starker Beleuchtung mit hohem Eingangsstrom verhindert der 2-kΩ-Low-Gain-Modus eine Signalsättigung. - Bei schwacher Beleuchtung und schwachen Eingangssignalen verstärkt der Wechsel in den 20-kΩ-High-Gain-Modus die Signalamplitude. - Die rauscharme Leistung stellt sicher, dass die Erkennungsgenauigkeit auch bei schwachen Signalen erhalten bleibt.

2. Hochgeschwindigkeits- und rauscharmes Design für optimierte Hochfrequenz-Signalverarbeitung

DerLMH32401IRGTRist speziell für die schnelle optoelektronische Signalverarbeitung optimiert. Mit einer maximalen Bandbreite von 450 MHz und einer schnellen Schaltgeschwindigkeit von 0,8 ns erfasst es mühelos hochfrequente transiente Stromsignale in Anwendungen wie Lidar und optischer Hochgeschwindigkeitskommunikation ohne nennenswerte Signalverzerrung. Gleichzeitig unterdrückt sein extrem niedriges Eingangsreferenzrauschen (bis zu 49 nARMS) effektiv Umgebungsgeräusche und geräteinduzierte Störungen und verbessert so das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) deutlich. Dadurch werden Rauschprobleme bei der Verstärkung schwacher optoelektronischer Signale gelöst, wodurch es sich besonders für hochpräzise Detektionsanwendungen in Umgebungen mit wenig Licht eignet.

3. Architektur mit Single-Ended-Eingang und Differenzausgang mit hervorragender Rauschunterdrückung

DerLMH32401IRGTRVerwendet eine Single-Ended-Input-to-Differential-Output-Architektur. Sein Single-Ended-Eingang ist direkt mit Stromerfassungsgeräten wie Fotodioden verbunden, sodass keine zusätzlichen Signalumwandlungsschaltkreise erforderlich sind. Der Differenzausgang unterdrückt wirksam Gleichtaktrauschen und elektromagnetische Störungen (EMI) und verbessert so die Stabilität der Signalübertragung. Dadurch eignet es sich besonders für die Signalübertragung über große Entfernungen und Anwendungen in komplexen elektromagnetischen Umgebungen. Darüber hinaus kann der Differenzausgang den Differenzeingangsport eines ADC direkt ansteuern, ohne dass eine zusätzliche Differenzumwandlungsschaltung erforderlich ist, wodurch das Design der Signalkette vereinfacht und gleichzeitig die Abtastgenauigkeit des ADC verbessert wird.

4. Hohe Integration reduziert die Systemdesignkosten

DerLMH32401IRGTRenthält mehrere praktische Funktionsmodule, die einen stabilen Betrieb ohne komplexe externe Komponenten ermöglichen:

- Eine integrierte 100-mA-Schutzklemmschaltung verhindert Geräteschäden durch vorübergehenden Überstrom oder Eingangsüberlastung und ermöglicht gleichzeitig eine schnelle Wiederherstellung nach Überlastbedingungen, wodurch die Systemrobustheit erhöht wird. Die integrierte Umgebungslichtunterdrückungsschaltung (ALC) ersetzt Wechselstrom-Kopplungskondensatoren zwischen Fotodioden und Verstärkern, spart Platz im PCB-Layout und senkt die Systemkosten. Diese Schaltung kann über den IDC_EN-Pin deaktiviert werden, um DC-gekoppelten Anforderungen gerecht zu werden; Dank der integrierten Ausgangsmultiplexfunktionalität können mehrere LMH32401IRGTR-Geräte über eine stromsparende Steuerung des EN-Pins zu einem einzigen ADC gemultiplext werden, wodurch das Zeitmultiplexen von Mehrkanalsignalen erleichtert wird, um die Systemkosten und den Platzbedarf weiter zu reduzieren.

5. Low-Power-Steuerung für tragbare Anwendungen

DerLMH32401IRGTRunterstützt einen Energiesparmodus. Wenn der Verstärker nicht verwendet wird, kann der EN-Pin das Gerät in einen Energiesparzustand versetzen. In diesem Zustand gehen die Ausgangspins in einen Zustand mit hoher Impedanz über, wodurch der statische Strom deutlich reduziert und effektiv Strom gespart wird. Diese Funktion ermöglicht die Kompatibilität mit Geräten mit geringem Stromverbrauch wie tragbaren Laser-Entfernungsmessern und tragbaren LiDAR-Systemen und verlängert so die Gerätelaufzeit. Darüber hinaus erleichtert der hochohmige Ausgangszustand das Multiplexen mit mehreren Geräten und verbessert so die Systemintegration.

III. Wichtige Funktionsmodule vonLMH32401IRGTR

(1) Programmierbares Verstärkungsregelungsmodul

Das programmierbare Verstärkungsregelungsmodul ist eines der Kernmodule des LMH32401IRGTR. Der GAIN-Pin steuert die Verstärkungsumschaltung: Wenn der GAIN-Pin auf Low gezogen wird, arbeitet das Gerät im standardmäßigen 2kΩ-Verstärkungsmodus; Wenn der GAIN-Pin hochgezogen wird, wechselt er in den 20-kΩ-Verstärkungsmodus. Der Verstärkungsumschaltvorgang erfolgt schnell und störungsfrei, wodurch eine unterbrechungsfreie Signalübertragung gewährleistet und die Anforderungen an die Signalkonditionierung bei sich dynamisch ändernden Lichtverhältnissen erfüllt werden. Dieses integrierte Design macht zusätzliche Verstärkungssteuerungschips oder externe Widerstandsnetzwerke überflüssig, was das Schaltungsdesign vereinfacht und gleichzeitig eine stabile Verstärkungsgenauigkeit gewährleistet und Temperaturdrifteffekte auf die Verstärkung minimiert.

(II) Modul zur Unterdrückung des Umgebungslichts (ALC).

Das Umgebungslichtunterdrückungsmodul ist eine spezielle Optimierung für optoelektronische Erkennungsszenarien. Es kompensiert dynamisch Gleichstromkomponenten, die durch Hintergrundumgebungslicht (z. B. Sonnenlicht, Innenbeleuchtung) erzeugt werden, verhindert eine durch intensives Umgebungslicht verursachte Sättigung des Verstärkerausgangs und verbessert den Dynamikbereich des Systems. Dieses Modul kann den traditionell zwischen Fotodiode und Verstärker platzierten Wechselstrom-Kopplungskondensator direkt ersetzen, wodurch Platz auf der Leiterplatte gespart und die Komponentenkosten gesenkt werden. Wenn in einer Anwendung eine DC-Kopplung erforderlich ist, kann das Modul über den IDC_EN-Pin deaktiviert werden, was eine flexible Anpassung an unterschiedliche Schaltungsdesignanforderungen ermöglicht. Das ALC-Modul arbeitet über eine große Bandbreite, ohne die Hochfrequenzsignalübertragung zu beeinträchtigen, und gewährleistet so die Integrität des fotoelektrischen Signals.

(3) Schutzklemmung und Low-Power-Steuermodul

Die integrierte 100-mA-Schutzklemmschaltung begrenzt die Stromamplitude bei Eingangsüberlastung und schützt so die Eingangs- und Ausgangsstufen des Verstärkers vor Schäden. Es ermöglicht eine schnelle Wiederherstellung des Normalbetriebs unter Überlastbedingungen und verbessert die Systemzuverlässigkeit und -stabilität – besonders geeignet für Anwendungen wie Lidar, bei denen plötzlich starke Signaleingänge auftreten können. Das Low-Power-Steuermodul wird über den EN-Pin verwaltet. Wenn der EN-Pin hochgezogen wird, wechselt das Gerät in den Energiesparmodus mit hochohmigem Ausgang. Wenn der EN-Pin auf Low gezogen ist, funktioniert das Gerät normal. Diese Funktion ermöglicht nicht nur die Steuerung des Stromverbrauchs, sondern erleichtert auch die Erfassung von Mehrkanalsignalen. Durch die Zeitmultiplexsteuerung des EN-Pins können mehrere Verstärker gemultiplext werden, wodurch die Hardwarekosten des Systems und der Stromverbrauch gesenkt werden.

(IV) Differenzielles Ausgangstreibermodul

Das Differenzausgangstreibermodul verfügt über ein Hochgeschwindigkeitsdesign mit einem Ausgangshub von 1,5 Vpp und kann eine 100-Ω-Last direkt ansteuern, ohne dass zusätzliche Pufferverstärker erforderlich sind. Das Modul weist ein hervorragendes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) auf und unterdrückt effektiv Gleichtaktrauschen, um die Stabilität der Signalübertragung zu verbessern. Gleichzeitig passt der Differenzausgang direkt zum Differenzeingang von ADCs, wodurch Verzerrungen und Rauschstörungen während der Signalumwandlung minimiert werden, um die ADC-Abtastgenauigkeit zu verbessern. Mit niedriger Ausgangsimpedanz und starker Lastantriebsfähigkeit bietet das Treibermodul eine hohe Flexibilität für die Anpassung an verschiedene nachgeschaltete Schaltungsdesigns.

IV.LMH32401IRGTRTypische Anwendungsschaltung

Der LMH32401IRGTR wird typischerweise zur Verstärkung optoelektronischer Signale in LiDAR-Empfängern und Laser-Entfernungsmessern verwendet. Sein typischer Anwendungsschaltungsentwurf ist unkompliziert und basiert auf einer Fotodiode.LMH32401IRGTRund einige Peripheriekomponenten. Der konkrete Designansatz ist wie folgt:

1. Eingangsschaltung: Die Anode der Fotodiode ist geerdet, während ihre Kathode mit dem IN+-Pin des LMH32401IRGTR verbunden ist. Der IN-Pin wird mit einem Referenzpegel (z. B. GND oder einer festen Vorspannung) verbunden und bildet so eine Single-Ended-Eingangsstruktur. Ein kleiner Kondensator ist parallel zur Fotodiode geschaltet, um hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken.

2. Verstärkungsregelung: Der GAIN-Pin wird über einen Widerstand mit VDD (3,3 V) oder GND verbunden, um feste Verstärkungskonfigurationen von 20 kΩ oder 2 kΩ zu erreichen. Zur dynamischen Verstärkungsumschaltung kann der GAIN-Pin zur Softwaresteuerung mit einem MCU-GPIO-Pin verbunden werden.

3. Funktionsaktivierung: Der EN-Pin wird mit einem MCU-GPIO-Pin verbunden, um den Aktiv-/Energiesparmodus des Geräts basierend auf den Systemanforderungen zu steuern. Der IDC_EN-Pin muss hochgezogen werden, um die Unterdrückung von Umgebungslicht zu ermöglichen und Störungen durch Umgebungslicht zu verhindern.

4. Stromversorgung und Masse: VDD1 und VDD2 sind beide an eine 3,3-V-Stromversorgung angeschlossen. Ein Entkopplungskondensator mit 0,1 μF und 10 μF ist in der Nähe der Stromanschlüsse parallel geschaltet, um Netzteilrauschen zu unterdrücken. Der GND-Pin nutzt eine Einzelpunkterdung und ist mit dem Erdungsanschluss der Fotodiode verbunden, um Erdschleifenrauschen zu reduzieren.

5. Ausgangsschaltung: OUT+ und OUT- werden direkt mit den Differenzeingangspins des ADC verbunden. Die Referenzspannung des ADC ist so konfiguriert, dass sie mit dem VOCM-Pin des LMH32401IRGTR übereinstimmt, um Signalkompatibilität sicherzustellen. Wenn der ADC einen Single-Ended-Eingang verwendet, kann für den Anschluss eine Differenz-zu-Single-Ended-Umwandlungsschaltung verwendet werden.

V.LMH32401IRGTRAnwendungsszenarien

Dank seiner hohen Geschwindigkeit, seines geringen Rauschens, seiner programmierbaren Verstärkung und seiner hohen Integration ist derLMH32401IRGTRzielt in erster Linie auf optoelektronische Erkennungs- und Signalverarbeitungsanwendungen mit hoher Geschwindigkeit ab, darunter:

- LiDAR: Dient als Front-End-Verstärker für Empfänger und verstärkt die schwachen Stromsignale von Fotodetektoren. Geeignet für Automotive-LiDAR- und Industrie-LiDAR-Anwendungen und ermöglicht eine Hochgeschwindigkeits-Abstandserkennung.

- Laser-Entfernungsmesssysteme: Kompatibel mit tragbaren Laser-Entfernungsmessern und industriellen Laser-Entfernungsmessgeräten. Sie verstärken die schwachen fotoelektrischen Signale, die von Lasern reflektiert werden, um die Entfernungsgenauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit zu verbessern.

- Optische Hochgeschwindigkeitskommunikation: Dient als Front-End-Verstärker für Glasfaserempfängermodule (ROSAs) und verstärkt die schwachen Stromsignale von Fotodioden. Geeignet für optische Hochgeschwindigkeitsmodule, Glasfaser-Transceiver und ähnliche Geräte;

- Photoelektrische Erkennung in der industriellen Automatisierung: Verstärkt Signale für industrielle Sensoren (z. B. photoelektrische Schalter, photoelektrische Encoder) und ist für industrielle Inspektionsszenarien mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision geeignet;

- Medizinische und wissenschaftliche Geräte: Kompatibel mit PET-Scannern, optischer Kohärenztomographie (OCT), Hochgeschwindigkeitsspektrometern und ähnlichen Geräten zur Verstärkung und Aufbereitung schwacher optoelektronischer Signale;

- 3D-Erkennung und Barcode-Scannen: Verarbeitet optoelektronische Signale für 3D-Kameras und Barcode-Scanner und verbessert so die Erkennungsgenauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit.

VIII.LMH32401IRGTRZusammenfassung

Der TI LMH32401IRGTR ist ein Transimpedanzverstärker mit programmierbarer Verstärkung, der speziell für optoelektronische Erkennungsszenarien mit hoher Geschwindigkeit entwickelt wurde. Seine Kernstärken liegen in „hoher Geschwindigkeit, geringem Rauschen, hoher Integration und hoher Flexibilität“. Es unterstützt die programmierbare Verstärkungsumschaltung zwischen 2 kΩ und 20 kΩ, wandelt Single-Ended-Eingänge in Differenzausgänge um und enthält praktische Module wie Umgebungslichtunterdrückung, Schutzklemmung und Low-Power-Steuerung. Es erreicht einen stabilen Betrieb ohne komplexe Peripherieschaltungen. Mit einer maximalen Bandbreite von 450 MHz, einem minimalen Eingangsreferenzrauschen von 49 nARMS und der schnellsten Schaltgeschwindigkeit von 0,8 ns eignet es sich perfekt für Anwendungen im mittleren bis oberen Preissegment wie Lidar, Laserentfernungsmessung, optische Hochgeschwindigkeitskommunikation und industrielle fotoelektrische Erkennung. Durch die Kombination von Kosten- und Größenvorteilen ist es die bevorzugte Front-End-Verstärkungslösung für moderne optoelektronische Empfangssysteme.