Mehrkanalige programmierbare Transimpedanzverstärker als Stromsignalverstärker für Sensorarrays

Jena, 5. Dezember 2008 - Die MAZeT GmbH stellt einen neuen 8-kanaligen Transimpedanzverstärker für Sensoren mit Stromausgang vor, bei dem jeder Kanal individuell über 8 Verstärkerstufen zwischen 200kOhm und 25,6MOhm einstellbar ist. Kleinster Photostrom ist 20nA bei 19kHz Signalfrequenz. Der MTI08 enthält ausgangsseitig einen MUX, arbeitet mit Power-Down-Mode bei 3...5V Betriebsspannung. Der Verstärker zeichnet sich durch einen guten Gleichlauf der Kanäle, hohe Linearität bei geringem Rauschen aus und ist als Die oder im platzsparenden SSOP20 für Sensorarrays und -zeilen lieferbar.

Transimpedanzverstärker TIAs werden in der industriellen Messtechnik bevorzugt zur Wandlung und Verstärkung kleinster Ströme in optoelektronischen Sensoren verwendet. Die Übertragungsfunktion eines TIAs wird durch das Ohmsche Gesetz gebildet, wobei der zur Strom-Spannungswandlung benötigte Widerstand in den Rückkoppelzweig eines Operationsverstärkers geschaltet wird. Der Wert dieses Widerstandes bestimmt damit den Verstärkungsfaktor des TIAs. Der Vorteil dieser Schaltungstechnik gegenüber der einfachen Wandlung des Stromes an einem passiven Widerstand liegt in der Ausregelung der Spannung über dem Sensoreingang auf die anliegende Referenzspannung. Wird der eingangsseitige Stromsensor (z.B. eine Fotodiode) zwischen den Eingang des Transimpedanzverstärkers (invertierender Eingang des Operationsverstärkers) und die Referenzspannung (nichtinvertierender Eingang des Operationsverstärkers) geschaltet, so wird der Stromsensor im Idealfall im Kurzschluss betrieben, d.h. es erfolgt eine stromrichtige Messung. Außerdem wird durch diese Schaltungstechnik die Signalbandbreite wegen der Kompensation der Sensorkapazität erhöht und das Rauschen minimiert.

TIAs liefern ausgangsseitig eine Spannung, die zur Weiterverarbeitung in einem ADC/Microcontroller oder in anderen analogen Komponenten im System verarbeitet wird. Entsprechend Eingangsgrößen des Verstärkers wie Eingangskapazität, Sensorstrom, Wandlerzeit, etc. und deren Bandbreiten sind die elektronischen Bauelemente eines Transimpedanzverstärkers unter Beachtung von Störgrößen, Toleranzen und Drifterscheinungen zu dimensionieren. Auf Grund der Vielfalt von möglichen Anwendungen zur Sensorstrom/-Spannungswandlung und deren Kenngrößen existieren auf dem Elektronikmarkt nur sehr wenig Standardbauelemente und wenn, dann zumeist nur für hochvolumige Applikationen mit Standardkonfiguration in geringer Bandbreite.

MAZeT stellt in ihrer Familie der MTI Sensorverstärker einen neuen Baustein - MTI08 vor. Die MTI Baureihe sind allgemein mehrkanalige Transimpedanzverstärker, die über Pins in der Transimpedanz, also Verstärkung und Frequenz in 8 Stufen programmierbar sind. Die Verstärker zeichnen sich durch eine hohe Linearität und geringes Rauschen aus, werden mit 3..5V Betriebspannung betrieben und sind sowohl als Die als auch im QSOP-Gehäuse lieferbar.

Alle MTI-Bausteine gestatten einen Power-Down-Modus und die Kompensation von großen und kleinen Eingangskapazitäten (typ. 5 oder 50pF). Die monolithische Integration mehrerer Kanäle in einem Substrat gewährleistet einen sehr guten Gleichlauf der Verstärkung und des Temperaturkoeffizienten der Übertragungsfunktion und spart Platz und Kosten im System.

Die Bandbreite der MTI-Bauelemente liegt je nach gewählter Eingangskapazität im Bereich von einigen khz bis in unteren Mhz Grenzbereich, wobei damit Fotoströme in der Größe von einstellig nA bis µA in eine Ausgangsspannung Vout =Vref - R*Iin wandelt (Vref angelegte Referenzspannung).

Auf Basis dieser hohen Bandbreite sind die MTI-Transimpedanzverstärker sehr gut für Multi-Sensorapplikationen mit minimalen Sensorstrom geeignet. Das sind typischerweise Opto-Arrays und -Zeilen, z.B. im UV, VIS, NIR, IR-Bereich auf Basis von PIN, CMOS oder GaAs/InGa-Technologien. Das betrifft Anwendungen aus der Industriesensorik (Lichtgitter, Längen-, Füllstands, Positions-, Dicken- und Abstandsmessung), Messsystem zur Oberflächenanalyse (Farbe, Glanz, Rauhigkeit), Temperaturmessung (Thermal Imaging, Verbrennungsüberwachung) aber auch andere Detektoren für a-, ß- und Gamma-Strahlen, Röntgenstrahlen und Ionen sowie Applikationen zur Messung, Regelung und Steuerung von Licht- und Laserquellen.

Während die MTI04 Serie 4 Verstärkerkanäle enthalten, die alle zugleich mit der Pin-programmierten Verstärkerstufe arbeiten, enthält der MTI08 8 Kanäle, die individuell über ein SPI-Interface zwischen typisch 200kOhm und 25,6MOhm in 8 Stufen programmierbar sind. Der kleinste Eingangstrom beträgt für den MTI08 20nA in der größten Verstärkerstufe mit 19kHz/22kHz Signalfrequenz. Die kleinste Stufe liegt 387kHz/563kHz mit einem Eingangsstrom von 2,56µA.

Mit beiden Bausteinen erhält der Entwickler die Möglichkeit, entweder im Prozess dynamisch die Verstärkung für alle Kanäle an die jeweiligen Prozessbedingungen anzupassen oder definiert jeden Kanal individuell im INIT-Mode zu programmieren und im Prozess zu verstärken. Im Unterschied zum MTI04 ist der MTI08 außerdem ausgangsseitig mit einem Multiplexer ausgerüstet.

Über MAZeT

Die MAZeT GmbH ist ein führender, europäischer Entwicklungs- und Fertigungsdienstleister. Das 1992 gegründete Unternehmen mit Sitz in Jena entwickelt, fertigt und liefert kundenspezifische elektronische Baugruppen, Software und ASICs und vertreibt weltweit eigene Produkte der Marke JENCOLOR. Durch das breite Technologieangebot und Applikations-Know-how ist die MAZeT GmbH auf dem Gebiet der Industrieelektronik und der Opto-Sensorik ein zuverlässiger und bewährter Servicepartner für maßgeschneiderte, kundenspezifische Lösungen. Ihre Entwicklungskompetenz und Komponenten für spezielle Anwendungen kommen unter anderem im gesamten Bereich der industriellen Messtechnik, Regel- und Automatisierungs- sowie Medizintechnik zum Einsatz.