SGM834B：140dB 寬范圍對數電流 - 電壓轉換器的特性與應用

在電子設計領域，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電流 - 電壓轉換器，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、工作原理及應用。

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一、SGM834B 概述

SGM834B 能夠測量從 1nA 到 10mA 寬范圍內的低頻電流信號。它將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 特性和補償電路，將測量到的電流轉換并壓縮為對數電壓。

SGM834B 采用 3V 至 5.5V 單電源供電，并配備了禁用輸入引腳，可關閉器件。輸入電流（IPD）被轉換為內部 40μA/dec 對數縮放電流，注入內部 5kΩ 電阻，在 VLOG 輸出引腳提供 10mV/dB（或 200mV/dec）對數斜率的輸出電壓，這個斜率還可以通過外部并聯電阻進行調整。截距點和比例可以通過片上緩沖放大器進行調節。

二、主要特性

2.1 寬范圍測量

擁有七個完整的十進制范圍，可測量 1nA 到 10mA 的電流，測量范圍達 140dB，能滿足多種不同應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，功耗低且溫度穩定性好。啟用時靜態電流典型值為 3.3mA，禁用時關斷電流典型值為 9μA，在節能方面表現出色。

2.3 精確的對數轉換

在 VLOG 引腳具有 10mV/dB 的對數斜率，基本對數截距為 100pA，斜率和截距調整簡單，能實現精確的對數轉換。

2.4 高速性能

壓擺率為 15V/μs，能快速響應信號變化，適用于對響應速度有要求的應用。

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℃，適應不同的工作環境。

三、應用領域

3.1 高精度光功率測量

由于其對數轉換特性，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，將其轉換為對數電壓，從而方便地實現光功率的測量。

3.2 寬范圍基帶對數數據壓縮

在需要對寬范圍電流信號進行數據壓縮的應用中，SGM834B 可以將大動態范圍的電流信號轉換為對數電壓，實現數據的有效壓縮。

3.3 自動功率控制環路中的通用檢測器

在自動功率控制環路中，SGM834B 可以作為檢測器，實時監測電流信號，并將其轉換為電壓信號，為控制系統提供反饋。

四、工作原理

4.1 對數轉換原理

SGM834B 的對數轉換基于雙極晶體管的集電極電流（IC）和基極 - 發射極電壓（VBE）之間的固有關系：[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。通過這個關系，將流入 (Q{1}) 集電極的二極管 (I PD) 電流轉換為對數電壓 (V{BE 1})。

為了補償 (Is) 變化和溫度影響，芯片中使用了一個與 (Q{1}) 幾何結構和工藝相同的虛擬晶體管 (Q{2})，通過設置其集電極電流為穩定準確的參考電流 (IREF)，生成截距點的參考電壓 (V{BE 2})。最終得到溫度和工藝無關的 (V{BE 1}-V{BE 2}) 電壓，再通過電流鏡乘法器和電壓 - 電流轉換乘法器將其轉換為與溫度和 (Is) 無關的電流 (ILOG)，經過內部 5kΩ 電阻進行電流 - 電壓轉換，得到中間輸出電壓 (V{LOG})。

4.2 自適應偏置與有源屏蔽

自適應偏置模塊通過在較高 (IPD) 電流時增加偏置電壓，補償二極管體電阻壓降，使二極管結上的反向偏置幾乎穩定在 0.1V。有源屏蔽則是將 INPT 引腳兩側的 VSUM 引腳連接到與 INPT 相同的 0.5V 電壓，通過創建零電壓差，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，輸入節點電壓內部預設為 0.5V，溫度漂移為 0.02mV/℃，輸入保護偏移電壓在 ±20mV 以內。

5.2 對數輸出

VLOG 引腳的斜率在不同溫度和電流范圍內有所變化，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，輸出高電壓在負載為 1kΩ 到地時為 (V_{P}-0.1V)，輸出電阻為 0.1Ω。

六、應用注意事項

6.1 屏蔽與濾波

屏蔽、保護、濾波和適當的二極管偏置是減少耦合到 INPT 的噪聲電壓的關鍵因素，特別是在二極管電流較低且通過 (Q_{1}) 的反饋信號較高時。應在將電流信號送入轉換器之前進行適當的屏蔽、濾波和二極管偏置。

6.2 VLOG 輸出調理

片上緩沖放大器和電壓基準可用于調整輸出截距點和縮放比例，以匹配下游處理所需的信號電平。可以通過選擇合適的電阻來降低或提高截距點。

6.3 輸出濾波

在大多數情況下，使用一個連接在 VLOG 和 AGND 之間的電容構成的單極點濾波器進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，可以使用更復雜的濾波器，如雙極點 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。評估板默認設置為光電導模式的二極管檢測器，緩沖增益為 1，斜率為 10mV/dB，截距點為 100pA。通過配置評估板上的電阻和電容，可以評估數據手冊中介紹的所有應用電路和選項。

SGM834B 以其寬范圍測量、精確的對數轉換、低功耗等特性，為電子工程師在光功率測量、數據壓縮等領域提供了一個優秀的解決方案。在實際應用中，我們需要根據具體需求，合理利用其特性，并注意相關的應用注意事項，以實現最佳的性能。大家在使用 SGM834B 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。