SGM834B：140dB 宽范围对数电流 - 电压转换器的特性与应用

在电子设计领域，对于低频率、宽范围电流信号的测量需求日益增长。SGM834B 作为一款单电源对数电流 - 电压转换器，为这类测量提供了出色的解决方案。今天，我们就来深入了解一下 SGM834B 的特性、工作原理及应用。

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一、SGM834B 概述

SGM834B 能够测量从 1nA 到 10mA 宽范围内的低频电流信号。它将光电二极管自适应偏置、有源屏蔽、输出缓冲放大器调理和电压基准等功能集成在单芯片上，特别适合使用工作在光电流模式下的光电二极管来测量光信号功率。该器件通过晶体管的 I - V 特性和补偿电路，将测量到的电流转换并压缩为对数电压。

SGM834B 采用 3V 至 5.5V 单电源供电，并配备了禁用输入引脚，可关闭器件。输入电流（IPD）被转换为内部 40µA/dec 对数缩放电流，注入内部 5kΩ 电阻，在 VLOG 输出引脚提供 10mV/dB（或 200mV/dec）对数斜率的输出电压，这个斜率还可以通过外部并联电阻进行调整。截距点和比例可以通过片上缓冲放大器进行调节。

二、主要特性

2.1 宽范围测量

拥有七个完整的十进制范围，可测量 1nA 到 10mA 的电流，测量范围达 140dB，能满足多种不同应用场景下的电流测量需求。

2.2 电源与功耗

支持 3V 至 5.5V 单电源供电，功耗低且温度稳定性好。启用时静态电流典型值为 3.3mA，禁用时关断电流典型值为 9μA，在节能方面表现出色。

2.3 精确的对数转换

在 VLOG 引脚具有 10mV/dB 的对数斜率，基本对数截距为 100pA，斜率和截距调整简单，能实现精确的对数转换。

2.4 高速性能

压摆率为 15V/μs，能快速响应信号变化，适用于对响应速度有要求的应用。

2.5 封装与温度范围

采用绿色 TSSOP - 14 封装，工作温度范围为 - 40℃ 至 + 85℃，适应不同的工作环境。

三、应用领域

3.1 高精度光功率测量

由于其对数转换特性，SGM834B 非常适合用于高精度光功率测量。通过测量光电二极管的光电流，将其转换为对数电压，从而方便地实现光功率的测量。

3.2 宽范围基带对数数据压缩

在需要对宽范围电流信号进行数据压缩的应用中，SGM834B 可以将大动态范围的电流信号转换为对数电压，实现数据的有效压缩。

3.3 自动功率控制环路中的通用检测器

在自动功率控制环路中，SGM834B 可以作为检测器，实时监测电流信号，并将其转换为电压信号，为控制系统提供反馈。

四、工作原理

4.1 对数转换原理

SGM834B 的对数转换基于双极晶体管的集电极电流（IC）和基极 - 发射极电压（VBE）之间的固有关系：[V{B E}=V{T} × log {e}left(I{C} / I{S}right)] 其中，(Is) 是晶体管的饱和电流，(V{T}) 是热电压。通过这个关系，将流入 (Q{1}) 集电极的二极管 (I PD) 电流转换为对数电压 (V{BE 1})。

为了补偿 (Is) 变化和温度影响，芯片中使用了一个与 (Q{1}) 几何结构和工艺相同的虚拟晶体管 (Q{2})，通过设置其集电极电流为稳定准确的参考电流 (IREF)，生成截距点的参考电压 (V{BE 2})。最终得到温度和工艺无关的 (V{BE 1}-V{BE 2}) 电压，再通过电流镜乘法器和电压 - 电流转换乘法器将其转换为与温度和 (Is) 无关的电流 (ILOG)，经过内部 5kΩ 电阻进行电流 - 电压转换，得到中间输出电压 (V{LOG})。

4.2 自适应偏置与有源屏蔽

自适应偏置模块通过在较高 (IPD) 电流时增加偏置电压，补偿二极管体电阻压降，使二极管结上的反向偏置几乎稳定在 0.1V。有源屏蔽则是将 INPT 引脚两侧的 VSUM 引脚连接到与 INPT 相同的 0.5V 电压，通过创建零电压差，最小化 (IPD) 泄漏。

五、电气特性

5.1 输入接口

指定电流范围为 1nA 到 10mA，输入节点电压内部预设为 0.5V，温度漂移为 0.02mV/℃，输入保护偏移电压在 ±20mV 以内。

5.2 对数输出

VLOG 引脚的斜率在不同温度和电流范围内有所变化，典型值为 200mV/dec，截距典型值为 100pA，最大输出电压为 1.6V，最小输出电压为 0.1V，并联输出电阻典型值为 5kΩ。

5.3 参考输出

VREF 输出电压典型值为 2V，输出电阻为 0.1Ω。

5.4 输出缓冲放大器

输入失调电压在 ±20mV 以内，输入偏置电流为 20pA，增量输入电阻为 25GΩ，输出高电压在负载为 1kΩ 到地时为 (V_{P}-0.1V)，输出电阻为 0.1Ω。

六、应用注意事项

6.1 屏蔽与滤波

屏蔽、保护、滤波和适当的二极管偏置是减少耦合到 INPT 的噪声电压的关键因素，特别是在二极管电流较低且通过 (Q_{1}) 的反馈信号较高时。应在将电流信号送入转换器之前进行适当的屏蔽、滤波和二极管偏置。

6.2 VLOG 输出调理

片上缓冲放大器和电压基准可用于调整输出截距点和缩放比例，以匹配下游处理所需的信号电平。可以通过选择合适的电阻来降低或提高截距点。

6.3 输出滤波

在大多数情况下，使用一个连接在 VLOG 和 AGND 之间的电容构成的单极点滤波器进行输出滤波效果较好。如果需要更低噪声的高性能测量系统，可以使用更复杂的滤波器，如双极点 Sallen - Key 滤波器。

七、评估板

SGM834B 提供了评估板，其原理图如图 12 所示。评估板默认设置为光电导模式的二极管检测器，缓冲增益为 1，斜率为 10mV/dB，截距点为 100pA。通过配置评估板上的电阻和电容，可以评估数据手册中介绍的所有应用电路和选项。

SGM834B 以其宽范围测量、精确的对数转换、低功耗等特性，为电子工程师在光功率测量、数据压缩等领域提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体需求，合理利用其特性，并注意相关的应用注意事项，以实现最佳的性能。大家在使用 SGM834B 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。