ADL5304ACPZ-RL

高速、200 dB范围对数转换器 ADL5304 仅需一个5 V单正电源便可在额定的1 pA至3 mA输入范围内 工作。双电源供电可将额定输入电流范围扩展至10 mA。 特性 针对所有输入电流优化，响应速度极快 输入大于1 μA时，整体带宽大于4 MHz 带宽：25 kHz(输入1 nA)，350 kHz(输入10 nA) 100倍输入范围：1 pA至10 mA 法则一致性：±0.25 dB(100 pA至100 µA) 对数比或固定截点运算 精确基准电压和基准电流 自适应光电二极管(PD)偏置，低暗电流 可编程对数斜率和截距 VLOG引脚默认对数斜率为10 mV/dB 单电源或双电源供电 ADL5304支持对数自变量的双电流输入。分子输入INUM流 经NPN晶体管的集电极，于低失调JFET放大器附近连入反 馈路径。分母电流IDEN以同样方式处理，允许对数比值运算。 输入求和节点(INUM和IDEN)在1.5 V的恒定默认电压下工作。 VSM1至VSM4引脚位于INUM和IDEN输入的侧面以提供守 护电压，从而使漏电流降至最低。 自适应光电二极管偏置专为光学测量而提供。监控电流是 INUM的1.1倍，在IMON引脚输出，外部电阻RMNTR是光电 二极管串联电阻(RS)的10倍，在光电二极管两端施加电压，通 过一阶将内部PD结保持在0 V，从而使暗电流降至最低。 应用 VLOG输出被缓冲，并且可通过内部增益设置电阻重新 调整。随着INUM从1 pA至10 mA的10倍变化，内部ILOG可在− 400 μA至+400 μA范围内变化。这对应于图1所示默认配置 中VLOG引脚上的0.5 V至2.5 V电压变化。 高精度光功率测量 宽范围基带对数压缩 针对高速APC环路的多功能检波器 概述 准确的1.5 V(1P5V引脚)和2.0 V(2VLT引脚)基准输出允许使 用外部电阻对截点精确进行重新定位。 ADL5304是高速对数转换器，在整个200 dB(1 pA至10 mA) 测量范围内具有快速响应和低噪声。ADL5304的对数斜率 标称值为10 mV/dB(200 mV/十倍)；其他的数值也很容易配 置。可在宽范围内通过内部100 nA电流源对对数截距进行 编程，或者针对对数比应用在外部编程。3.162 fA的默认截 距使100 nA测量范围的中点定于VLOG = 1.5 V。 ADL5304采用32引脚5mm × 5 mm LFCSP封装，额定工作温 度范围为−40°C至+85°C。 简化功能框图 IMON VNUM 30 INNM 32 BSDC 2VLT VPOS 1P5V 31 26 28 17 RMNTR VSM1 VSM2 2 100nA DCBI 27 2V 24 BIAS AND VREF 23 1.5V MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) 29 1.5V 22 3 INPS INMS VLOG ADL5304 INUM 4 IREF VSM3 VSM4 21 5kΩ TEMPERATURE COMPENSATION 5 6 5kΩ 20 19 VDEN 8 18 1.5V SCL1 SCL2 7.5kΩ 7 SCL3 ACOM COMM NMFS VNEG DNFS ACOM HFCP 9 VDEN Rev. 0 ILOG Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices for its use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from its use. Specifications subject to change without notice. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Analog Devices. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. 10 INDN 11 12 13 1kΩ VNEG 14 15 16 1kΩ 09459-001 IDEN VNUM 图1. One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2011 Analog Devices, Inc. All rights reserved. ADI中文版数据手册是英文版数据手册的译文，敬请谅解翻译中可能存在的语言组织或翻译错误，ADI不对翻译中存在的差异或由此产生的错误负责。如需确认任何词语的准确性，请参考ADI提供 的最新英文版数据手册。 ADL5304 目录 特性.................................................................................................. 1 应用.................................................................................................. 1 概述.................................................................................................. 1 简化功能框图 ................................................................................ 1 修订历史 ......................................................................................... 2 技术规格 ......................................................................................... 3 绝对最大额定值............................................................................ 5 ESD警告..................................................................................... 5 引脚配置和功能描述 ................................................................... 6 典型工作特性 ................................................................................ 7 测试电路 ....................................................................................... 13 术语................................................................................................ 16 工作原理 ....................................................................................... 17 基本概念.................................................................................. 17 光学测量.................................................................................. 17 电路描述.................................................................................. 18 应用信息 ....................................................................................... 25 使用ADL5304.......................................................................... 25 使用负电源 ............................................................................. 26 评估板原理图和丝印图............................................................. 27 外形尺寸 ....................................................................................... 29 订购指南.................................................................................. 29 修订历史 2011年9月—修订版0：初始版 Rev. 0 | Page 2 of 32 ADL5304 技术规格 除非另有说明，VPOS = 5 V，VNEG = 0 V，TA = 25°C；IDEN = IREF；VSM1至VSM4、1P5V、DCBI和INPS连在一起；SCL1 = VLOG；SCL2 = INMS；SCL3 = 开路；比例 = 200 mV/10倍；VLOG输出负载RL > 2 kΩ。全大写表示引脚名称(例如VLOG)， 下标表示信号名称(例如VLOG)。 表1. 参数 输入接口 额定电流范围 温漂(INUM和IDEN) 输入守护失调电压 对数输出 对数斜率，VY 对数截距，IZ2 对数失调 对数法则一致性误差 VLOG输出 输出缓冲器失调电压 输出缓冲器偏置电流 增量输入电阻 输出范围 输出噪声频谱密度3 小信号带宽 下降沿建立时间4 标称电压摆幅 输出阻抗 基准输出 1P5V(参考ACOM) 输出电流 2VLT(参考ACOM) 输出电流 IREF5 光电二极管偏置 中量程值 最大值 IMON顺从电压 测试条件/注释 INUM、IDEN、VSMx引脚 流向各输入引脚(INUM和IDEN)， −5 V ≤ VNEG ≤ −2 V VNEG = 0 V −40°C < TA < +85°C VINUM − VVSUM VLOG引脚，参考ACOM；输入施加于INUM1 25°C −40°C < TA < +85°C VLOG = 0 V时的外推输入电流 INUM = IDEN时VLOG与VSUM之间的差异 −40°C < TA < +85°C 1 nA至100 μA范围内相对于最佳 拟合线的最大偏差 INPS、INMS、VLOG、SCL1、SCL2、SCL3引脚 最小值 10−3 A 1−12 3−3 A mV/°C mV −2 195 −2 0.01 ±0.6 200 (RS = 光电二极管串联电阻) Rev. 0 | Page 3 of 32 205 +3 −0.7 +5 25 ±0.2 +0.1 −1.3 12 VNEG + 0.2 +0.7 +3 VPOS − 0.2 10 µA 1 pA至10 mA输入电流范围 频率 < 1 MHz 1P5V、2VLT、IREF引脚 25°C −40°C < TA < +85°C 典型值 最大值 1.505 +5 2.005 20 100 −70 10.5 110 11 0 3.0 11.5 mV/dec mV/dec fA mV µV/°C dB mV µA MΩ V µV/√Hz kHz kHz MHz MHz µs µs µs µs V Ω V µV/°C mA V µV/°C mA nA pA/°C nA mA V ADL5304 参数 电源 VPOS 静态电流 VNEG6 静态电流 1 2 3 4 5 6 测试条件/注释 VPOS, VNEG INUM = IDEN = 10 µA; VPOS = 5 V, VNEG = 0 V 4.5 V ≤ VPOS ≤ 5.5 V 标称值0 V(单电源) INUM = IDEN = 10 µA; VPOS = 5 V, VNEG = 0 V VNEG = −5 V 最小值 典型值 最大值 单位 4.5 5.0 13.5 5.5 16 17 −5 V mA mA V mA mA 10 0 −8.5 −10.5 −7.3 −6 对于施加到IDEN的输入，斜率幅度相同，但符号相反。 IZ = IREF/10(VOFS/VY)。注意，IZ的误差取决于三个参数：IREF、VOFS和VY。所有这些参数都经过调整。 输出噪声和小信号带宽是输入电流(从INUM输入至VLOG输出)的函数。参见典型工作特性部分。 高电平转低电平电流(下降沿)代表最差建立条件。低电平转高电平电流(上升沿)建立比下降沿建立快2倍。建立时间的测量误差为1 dB (10 mV/dB；VLOG稳定在最终值的10 mV范围内)。 施加于IDEN的IREF与1P5V一起决定对数截点电流IZ，从而决定截点的精度。 使用双电源供电并将VSMx、DCBI和INPS引脚接地时，为使器件正常工作，VNEG必须在−2 V至−5 V范围内。 Rev. 0 | Page 4 of 32 ADL5304 绝对最大额定值 注意，超出上述绝对最大额定值可能会导致器件永久性 损坏。这只是额定最值，并不能以这些条件或者在任何其 它超出本技术规范操作章节中所示规格的条件下，推断器 件能否正常工作。长期在绝对最大额定值条件下工作会影 响器件的可靠性。 表2. 参数 VPOS VNEG INUM、IDEN的输入电流 热数据，2层JEDEC板，无气流 (裸露焊盘焊接至PCB) θJA θJC 最大功耗(裸露焊盘焊接至PCB) 最高结温 工作温度范围 存储温度范围 引脚温度(焊接60秒) 额定值 +6 V −6 V 20 mA ESD警告 61.6°C/W 1.2°C/W 0.6 W 125°C −40°C至+85°C −65°C至+150°C 300°C Rev. 0 | Page 5 of 32 ESD(静电放电)敏感器件。 带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。 尽管本产品具有专利或专有保护电路，但在遇到高 能量ESD时，器件可能会损坏。因此，应当采取适当 的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能丧失。 ADL5304 32 31 30 29 28 27 26 25 VNUM INNM I MO N VPOS BSDC DCBI 1P5V NC 引脚配置和功能描述 1 2 3 4 5 6 7 8 PIN 1 INDICATOR ADL5304 TOP VIEW (Not to Scale) 24 23 22 21 20 19 18 17 INPS INMS VLOG SCL1 SCL2 SCL3 ACOM 2VLT NOTES 1. NC = NO CONNECT. DO NOT CONNECT TO THIS PIN. 2. CONNECT EXPOSED PADDLE TO VSM1 THROUGH VSM4 PINS TO PROVIDE LOW LEAKAGE GUARD. 09459-002 VDEN INDN COMM NMFS VNEG DNFS ACOM HFCP 9 10 11 12 13 14 15 16 NC VSM1 VSM2 INUM IDEN IREF VSM3 VSM4 图2. 32引脚LFCSP的引脚配置 表3. 引脚功能描述 引脚编号 1, 25 2, 3, 7, 8 引脚名称 NC VSM1至VSM4 4 5 6 9 10 11 12 13 14 15, 18 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 31 32 EPAD INUM IDEN IREF VDEN INDN COMM NMFS VNEG DNFS ACOM HFCP 2VLT SCL3 SCL2 SCL1 VLOG INMS INPS 1P5V DCBI BSDC VPOS IMON INNM VNUM PAD 描述 不连接。请勿连接到这些引脚。 INUM和IDEN输入的守护引脚。针对默认单电源设置，应将这些引脚连接到1P5V、DCBI和INPS引脚； 如果要求INUM(光电二极管偏置)处于地电位，则应将这些引脚接地(必须满足以下条件：−5 V < VNEG < −2 V)。 分子电流输入。 分母电流输入。大多数应用中，应将其连接到IREF引脚。 100 nA调整基准电流输出。大多数应用中，应将其连接到IDEN引脚。 分母对数放大器的电压输出。应将此引脚连接到INDN引脚，并利用一个外部0.1 μF电容将其去耦至地。 温度补偿电路的分母电压输入。 主接地引脚。 分子速度偏置(通过标称1 kΩ电阻接VNEG引脚)。 负电源。 分母速度偏置(通过标称1 kΩ电阻接VNEG引脚)。 模拟公共地，低噪声参考地。两个引脚都必须接地。 高频补偿。 2.0 V基准电压输出。 7.5 kΩ调整电阻(见图1)。默认为NC。 5 kΩ调整电阻(见图1)。默认连接到INMS引脚。 5 kΩ调整电阻(见图1)。默认连接到VLOG引脚。 主要对数输出。INUM = IDEN时，VLOG引脚电压等于施加于INPS引脚的电压。 输出缓冲放大器反相输入。 输出缓冲放大器同相输入。INPS、DCBI和VSM1至VSM4引脚必须连接在一起。 1.5 V基准电压输出。对于单电源供电，应将其连接到INPS、DCBI和VSM1至VSM4引脚。 约1.3 mA偏置电流。应将此引脚连接到VSM1至VSM4引脚。参见引脚2、引脚3、引脚7和引脚8描述。 内部偏置节点。利用4 Ω电阻和1 μF电容的串联组合去耦至地。 正电源。 光电二极管监控输出。 IMON = 1.1 × INUM. 温度补偿电路的分子电压输入。 分子对数放大器的电压输出。应将此引脚连接到INNM引脚。若要响应最快，请勿增加外部电容。 裸露焊盘。应将裸露焊盘连接到VSM1至VSM4引脚以确保低漏电流。 Rev. 0 | Page 6 of 32 ADL5304 典型工作特性 除非另有说明，VPOS = 5 V，VNEG = 0 V，TA = 25°C；IDEN = IREF；VSM1至VSM4、1P5V、DCBI和INPS连在一起；SCL1 = VLOG；SCL2 = INMS；SCL3 = 开路；比例 = 200 mV/10倍；VLOG输出负载RL > 2 kΩ。 3 3.0 +85°C +70°C +25°C 0°C –40°C 2 2.0 1.5 1.0 0 –1 10p 100p 1n 10n 100n 1µ 10µ INUM CURRENT (A) 100µ 1m 10m –3 1p 09459-003 0 1p 10p 100p 1n 10n 100n 1µ 10µ INUM CURRENT (A) 100µ 1m 10m 图6. 不同温度下法则一致性误差与INUM 的关系(归一化到25°C) 图3. 不同温度下VLOG 与INUM 的关系 3 3.0 +85°C +70°C +25°C 0°C –40°C 2 2.0 1.5 1.0 1 0 –1 +85°C +70°C +25°C 0°C –40°C –2 0.5 10p 100p 1n 10n 100n 1µ 10µ IDEN CURRENT (A) 100µ 1m 10m –3 1p 09459-004 2.5 2.0 10n 100n 1µ 10µ IDEN CURRENT (A) 100µ 1m 10m 1mA 100µA 10µA 1µA 100nA 10nA 1nA 100pA 2 1.5 1.0 1 0 –1 –2 0.5 10p 100p 1n 10n 100n 1µ 10µ INUM CURRENT (A) 100µ 1m 10m –3 1p 09459-005 0 1p 1n 3 100pA 1nA 10nA 100nA 1µA 10µA 100µA 1mA ERROR (dB); 10mV/dB 3.0 100p 图7. 不同温度下法则一致性误差与IDEN 的关系 (INUM = 100 nA，归一化到25°C) 图4. 不同温度下VLOG 与IDEN 的关系(INUM = 100 nA) 3.5 10p 10p 100p 1n 10n 100n 1µ 10µ INUM CURRENT (A) 100µ 1m 10m 图8. 不同IDEN值下法则一致性误差与INUM 的关系 (从100 pA到1 mA的10倍步进) 图5. 不同IDEN 值下VLOG 与INUM 的关系 (从100 pA到1 mA的10倍步进) Rev. 0 | Page 7 of 32 09459-008 0 1p 09459-007 ERROR (dB); 10mV/dB 2.5 VLOG OUTPUT (V) +85°C +70°C +25°C 0°C –40°C –2 0.5 VLOG OUTPUT (V) 1 09459-006 ERROR (dB); 10mV/dB VLOG OUTPUT (V) 2.5 ADL5304 2.5 2.0 2 ERROR (dB); 10mV/dB 3.0 1.5 1.0 1 0 –2 0.5 10p 100p 1n 10n 100n 1µ 10µ IDEN CURRENT (A) 100µ 1m 10m –3 1p 09459-009 0 1p 100p 1n 10n 100n 1µ 10µ IDEN CURRENT (A) 100µ 1m 10m 3.0 +3σ –3σ 2.5 2.0 1.5 1.5 ERROR (dB); 10mV/dB 2.0 1.0 0.5 0 –0.5 –1.0 0.5 0 –0.5 –1.0 –1.5 –2.0 –2.0 –2.5 –2.5 100p 1n 10n 100n 1µ INUM (A) 10µ 100µ 1m 10m –3.0 1p 09459-065 10p ±3σ–40°C 1.0 –1.5 –3.0 1p ±3σ+85°C 2.5 10p 100p 1n 10n 100n 1µ INUM (A) 10µ 100µ 1m 图13. -40℃和+85℃下法则一致性误差分布与INUM 的关系 (均值任一侧3 σ) 图10. 法则一致性误差分布与INUM 的关系(均值任一侧3 σ) 5 3.0 ±3σ70°C 2.5 +3σ –3σ 4 ±3σ0°C 2.0 10m 09459-013 3.0 ERROR (dB); 10mV/dB 10p 图12. 不同INUM 值下法则一致性误差与IDEN 的关系 (从100 pA到1 mA的10倍步进) 图9. 不同INUM 值下VLOG 与IDEN 的关系 (从100 pA到1 mA的10倍步进) 3 INPUT OFFSET (mV) 1.5 1.0 0.5 0 –0.5 –1.0 –1.5 2 1 0 –1 –2 –3 –2.0 –4 –2.5 –3.0 1p 10p 100p 1n 10n 100n 1µ INUM (A) 10µ 100µ 1m 10m –5 –40 09459-011 ERROR (dB); 10mV/dB 1mA 100µA 10µA 1µA 100nA 10nA 1nA 100pA –1 图11. 0°C和70°C下法则一致性误差分布与INUM 的关系 (均值任一侧3 σ) –20 0 20 40 TEMPERATURE (°C) 60 图14. 不同温度下(VINUM − VSUM )与INUM 的关系 Rev. 0 | Page 8 of 32 80 09459-014 VLOG OUTPUT (V) 3 1mA 100µA 10µA 1µA 100nA 10nA 1nA 100pA 09459-010 3.5 ADL5304 103 102 250 101 200 100 COUNT 99 150 100 98 –20 0 20 40 TEMPERATURE (°C) 60 0 09459-015 80 1.00 1.05 图15. IREF电流与温度的关系 5 +3σ –3σ +3σ –3σ 4 3 3 2 2 2VLT DRIFT (mV) 1P5V DRIFT (mV) 4 1 0 –1 –2 1 0 –1 –2 –3 –3 –4 –4 0 20 40 TEMPERATURE (°C) 60 –5 –40 09459-016 –20 80 0 20 40 TEMPERATURE (°C) 60 80 2.000 1.515 1.995 REFERENCE VOLTAGE (V) 1.510 1.505 1.500 1.495 1.990 1.985 1.980 1.975 0 1 2 3 4 5 LOAD CURRENT (mA) 6 7 8 9 10 09459-017 1.490 –5 –4 –3 –2 –1 –20 图19. 2VLT漂移与温度的关系 图16. 1P5V漂移与温度的关系 REFERENCE VOLTAGE (V) 1.20 图18. IMON 直方图(INUM = 1 mA) 5 –5 –40 1.10 1.15 IMON CURRENT (mA) 09459-019 96 –40 09459-018 50 97 图17. 1P5V与ILOAD 的关系(1P5V引脚定义为流入正电流) 1.970 –20 –15 –10 LOAD CURRENT (mA) –5 0 图20. 2VLT与ILOAD 的关系(2VLT引脚定义为流入正电流) Rev. 0 | Page 9 of 32 09459-020 IREF CURRENT (nA) 300 TYPICAL +3σ –3σ ADL5304 10 10 –20 –30 1mA 100µA 10µA 1µA 100nA 10nA 1nA –40 –50 –60 –70 100 1k 0 –5 –10 –20 10k 100k 1M FREQUENCY (Hz) 10M 100M –25 100 图21. 从INUM 到VLOG 的小信号交流响应 (INUM 从1 nA到1 mA的10倍步进，IDEN = 100 nA) 100 1k 10k 100k 1M FREQUENCY (Hz) 10M 100M 图24. 从IDEN 到VLOG 的小信号交流响应 (IDEN 从10 nA到1 mA的10倍步进，INUM = 100 nA) 100 100pA 1nA 10nA 100nA 1µA 10µA 100µA 1mA EQUIP LIMIT 100Hz 1kHz 10kHz 100kHz 1MHz 10MHz 10 SPOT NOISE (µV rms/ Hz) 10 SPOT NOISE (µV rms/ Hz) 1mA 100µA 10µA 1µA 100nA 10nA –15 09459-027 NORMALIZED RESPONSE (dB) 5 –10 09459-024 NORMALIZED RESPONSE (dB) 0 1 0.1 1 0.1 0.001 100p 图22. VLOG散粒噪声频谱密度与频率的关系 (INUM 从1 nA到1 mA的10倍步进。 低频(NSD平坦)时的噪声受限于用以产生INUM 直流电流的电阻， 详细说明参见“噪声与电流”部分。) 100n 1µ INUM (A) 10µ 100µ 40 1µA TO 10µA 1.9 100nA TO 1µA 1.7 10nA TO 100nA 1.5 1nA TO 10nA 1.3 1.1 0.9 10 20 30 TIME (µs) 40 50 60 图23. 脉冲响应(INUM 从1 nA到1 mA的10倍步进，IDEN = 100 nA) Rev. 0 | Page 10 of 32 2 10 1 0 0 –10 –1 –20 –2 –30 –3 –40 –2 09459-026 0 20 3 0 2 4 6 TIME (µs) 8 10 –4 12 ERROR (dB); 10mV/dB VLOG OUTPUT ERROR (mV) 10µA TO 100µA 2.1 100nA TO 10nA 1µA TO 100nA 10µA TO 1µA 100µA TO 10µA 1mA TO 100µA INPUT 30 100µA TO 1mA 2.3 1m 4 1mA TO 10mA 2.5 VLOG (V) 10n 图25. VLOG 散粒噪声频谱密度与INUM 的关系 (从100 Hz到10 MHz的10倍频率步进) 2.7 0.7 1n 09459-033 10M 1M 09459-028 STEP IS ANALYZER ARTIFACT 0.01 100 1k 10k 100k FREQUENCY (Hz) 09459-029 0.01 图26. INUM 下降沿归一化建立时间(1 dB范围，误差 = 10 mV/dB) ADL5304 2.3 10 2.1 8 1.9 6 4 DELTA VLOG (mV) 10nA TO 100nA 1.5 100nA TO 1µA 1µA TO 10µA 1.1 10µA TO 100µA 0.9 100µA TO 1mA 0.7 0 10 20 30 TIME (µs) –2 –4 –8 40 50 60 –10 –40 1.1µA TO 11µA 11µA TO 110µA 110µA TO 1.1mA 200 100µ 150 COUNT 1m 10µ 100 1µ 50 0 20 40 TIME (µs) 60 80 0 09459-032 60 80 –1.0 0.5 1.0 250 +3σ –3σ 4 0 INUM VOS (mV) 图31. 25°C时(VNUM − VSUM )直方图 图28. IMON 脉冲响应与INUM 的关系 5 –0.5 200 3 2 150 COUNT 1 0 –1 100 –2 50 –3 –4 –20 0 20 40 TEMPERATURE (°C) 60 80 0 1.496 09459-129 –5 –40 图29. 斜率漂移与温度的关系(200 mV/10倍；均值任一侧3 σ) Rev. 0 | Page 11 of 32 1.498 1.500 1.502 1P5V VOLTAGE (V) 图32. 1P5V直方图 1.504 09459-132 IMON CURRENT (A) 20 40 TEMPERATURE (°C) 250 10m DELTA SLOPE (mV/dec) 0 图30. 对数失调漂移与温度的关系(均值任一侧3 σ) 图27. 脉冲响应(IDEN 从1 nA到1 mA的10倍步进，INUM = 100 nA) 100n –20 09459-131 0.3 0 –6 1mA TO 10mA 0.5 2 09459-130 1.3 09459-030 VLOG (V) 1.7 +3σ –3σ ADL5304 300 180 160 250 140 120 COUNT COUNT 200 150 100 80 60 100 40 50 1.998 2.000 2.002 2.004 2VLT VOLTAGE (V) 0 1.495 09459-133 0 1.996 300 20 250 15 SUPPLY CURRENT (mA) 1.505 150 100 50 10 2 V POS SINGLE SUPPLY V NEG SINGLE SUPPLY V POS DUAL SUPPLY V NEG DUAL SUPPLY 0 –5 –10 197.5 200.0 202.5 205.0 INUM SLOPE (mV/dec) –15 09459-134 0 195.0 120 100 80 60 40 100.0 102.5 105.0 09459-135 20 IREF CURRENT (nA) 0 20 40 60 图37. 电源电流与温度的关系(|VPOS |, |VVNEG |) 140 97.5 –20 TEMPERATURE (°c) 图34. 对数斜率的分布(标称值200 mV/10倍) 95.0 –40 图35. IREF 的分布(标称值100 nA) Rev. 0 | Page 12 of 32 80 09459-137 COUNT 1.503 图36. VLOG 的分布(INUM = IDEN = 100 nA，标称值1.500 V) 200 COUNT 1.500 VOFFSET (V) 图33. 2VLT直方图 0 1.498 09459-136 20 ADL5304 测试电路 KEITHLEY 236 SMU SOURCE CURRENT MEASURE VOLTAGE AGILENT 34970A DATA ACQUISITION UNIT VSUM VPOS VNEG 1P5V 2VLT KEITHLEY 236 SMU SOURCE CURRENT MEASURE VOLTAGE IMON VSM2 INUM IDEN IREF VSM3 VSM4 1P5V 31 BSDC 2VLT VPOS 26 28 17 100nA 29 27 DCBI 2V 24 BIAS AND VREF 23 1.5V MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) 2 3 INNM 32 1.5V 22 INPS INMS VLOG ADL5304 VNUM 4 ILOG 21 5kΩ TEMPERATURE COMPENSATION 5 6 5kΩ 20 8 SCL2 7.5kΩ 19 VDEN 7 18 1.5V SCL1 SCL3 ACOM COMM NMFS VNEG DNFS ACOM HFCP 9 10 11 12 INDN VDEN 13 14 1kΩ 15 16 0.1µF 1kΩ 09459-038 VSM1 VNUM 30 0.1µF VNEG 图38. 用于测量对数/斜率/失调一致性的设置 HP3577B NETWORK ANALYZER OUTPUT INPUT R INPUT A 50Ω AD8138 EVALUATION BOARD MODIFIED TO PROVIDE DC OFFSET J2 VSM1 VSM2 50Ω TERM 50Ω INPUT HP11667B SPLITTER J4 IMON 1kΩ TO 10MΩ TO SET CURRENT J3 INUM IDEN IREF VSM3 VSM4 2 3 30 VNUM 32 INNM 31 1P5V BSDC 2VLT VPOS 26 28 17 100nA 27 DCBI 2V 24 BIAS AND VREF 23 1.5V MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) 29 1.5V 22 INPS INMS VLOG ADL5304 VNUM 4 ILOG 21 5kΩ TEMPERATURE COMPENSATION 5 6 5kΩ 20 19 SCL3 VDEN 18 1.5V SCL2 7.5kΩ 7 8 SCL1 ACOM COMM NMFS VNEG DNFS ACOM HFCP 9 VDEN 10 11 INDN 12 13 1kΩ 0.1µF VNEG 图39. 用于测量带宽的设置 Rev. 0 | Page 13 of 32 14 1kΩ 15 16 0.1µF 09459-039 J1 ADL5304 LECROY SDA6000 AGILENT 33250A PULSE GENERATOR PULSE OUTPUT TRIGGER OUTPUT SCOPE INPUT 50Ω AP1M 1MΩ TRIGGER INPUT INPUT HP11667B SPLITTER IMON VSM2 1kΩ TO 10MΩ TO SET CURRENT 50Ω TERM INUM IDEN IREF VSM3 VSM4 INNM 31 1P5V BSDC 2VLT VPOS 26 28 17 100nA 29 27 DCBI 2V 24 BIAS AND VREF 23 1.5V MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) 2 3 32 1.5V 22 INPS INMS VLOG ADL5304 VNUM 4 ILOG 21 5kΩ TEMPERATURE COMPENSATION 5 6 5kΩ 20 19 VDEN 18 1.5V SCL2 7.5kΩ 7 8 SCL1 SCL3 ACOM COMM NMFS VNEG DNFS ACOM HFCP 9 VDEN 10 11 12 INDN 13 14 1kΩ 15 16 0.1µF 1kΩ 09459-040 VSM1 VNUM 30 0.1µF VNEG 图40. 用于测量脉冲建立时间的设置 LECROY SDA6000 BCP MODEL 400 1300nm LASER LASER OUTPUT AGILENT 33250A PULSE GENERATOR MODULATION INPUT PULSE OUTPUT TRIGGER OUTPUT TRIGGER INPUT SCOPE INPUT AP1M 1M JDS FITEL HA9 ATTENUATOR IMON 8/125µm SINGLE MODE FIBER VSM1 VSM2 INUM ABB HAFO 1A227 IDEN IREF VSM3 VSM4 2 3 VNUM 32 INNM 31 1P5V BSDC 2VLT VPOS 26 28 17 100nA 27 DCBI 2V 24 BIAS AND VREF 23 1.5V MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) 29 1.5V 22 INPS INMS VLOG ADL5304 VNUM 4 ILOG 21 5kΩ TEMPERATURE COMPENSATION 5 6 5kΩ 20 19 VDEN 18 1.5V SCL2 7.5kΩ 7 8 SCL1 SCL3 ACOM COMM NMFS VNEG DNFS ACOM HFCP 9 VDEN 10 INDN 11 12 13 1kΩ 0.1µF VNEG 图41. 用于测量光电二极管脉冲响应的设置 Rev. 0 | Page 14 of 32 14 1kΩ 15 16 0.1µF 09459-041 100Ω 30 ADL5304 KEITHLEY 236 SMU SOURCE CURRENT MEASURE VOLTAGE IMON VSM2 INUM IDEN IREF VSM3 VSM4 INNM 32 31 1P5V BSDC 2VLT VPOS 26 28 17 100nA 29 27 DCBI 2V 24 BIAS AND VREF 23 1.5V MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) 2 3 VNUM 30 1.5V 22 INPS INMS VLOG ADL5304 VNUM 4 ILOG 21 5kΩ TEMPERATURE COMPENSATION 5 6 5kΩ 20 8 SCL2 7.5kΩ 19 VDEN 7 18 1.5V SCL1 SCL3 ACOM COMM NMFS VNEG DNFS ACOM HFCP 9 10 VDEN 11 12 INDN 13 14 1kΩ 15 16 0.1µF 1kΩ 09459-042 VSM1 KEITHLEY 236 SMU SOURCE CURRENT MEASURE VOLTAGE 0.1µF VNEG 图42. 用于测量输出的设置 LECROY SDA6000 AGILENT 33250A PULSE GENERATOR TRIGGER OUTPUT TRIGGER INPUT SCOPE INPUT 50Ω AP1M 1MΩ INPUT 1kΩ TO 100kΩ LOAD HP11667B SPLITTER IMON VSM1 VSM2 1kΩ TO 10MΩ TO SET CURRENT 50Ω TERM INUM IDEN IREF VSM3 VSM4 2 3 30 VNUM 32 INNM 31 1P5V BSDC 2VLT VPOS 26 28 17 100nA 27 DCBI 2V 24 BIAS AND VREF 23 1.5V MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) 29 1.5V 22 INPS INMS VLOG ADL5304 VNUM 4 ILOG 21 5kΩ TEMPERATURE COMPENSATION 5 6 5kΩ 20 19 VDEN 18 1.5V SCL2 7.5kΩ 7 8 SCL1 SCL3 ACOM COMM NMFS VNEG DNFS ACOM HFCP 9 VDEN 10 11 INDN 12 13 1kΩ 0.1µF VNEG 图43. 用于测量IMON脉冲响应的设置 Rev. 0 | Page 15 of 32 14 1kΩ 15 16 0.1µF 09459-043 PULSE OUTPUT ADL5304 术语 光功率 光功率定义为单位时间的光子能量，通过辐射通量(Φ)或辐 射功率——单位时间的辐射能量(Q)来测量。 光电二极管响应度 光电二极管(PD)响应度ρ是一个将光功率(POPT)与PD电流 IPD = ρ × POPT (1) InGaAs p-本征-n (PIN)光电二极管的典型ρ值在0.6 A/W到 1 A/W范围。1 A/W的意思是：对于1 mW的入射光功率POPT， PD输出1 mA的电流IPD。 当ADL5304的光电二极管电流输入除以响应度时，斜率对 数直接表示输入光功率POPT的变化。 暗电流 由于空乏区会随机生成电子/空穴，所有反向偏置二极管都 会产生电流。对于光电二极管，此电流不需要入射光照射 二极管就能产生，称为暗电流IDK。暗电流会限制能够被可 靠检测的最小信号。对于高速InGaAs PIN光电二极管，IDK 典型值在5 nA左右。对于响应度为1 A/W的光电二极管，5 nA IDK将可测量的光功率限制在−53 dBm。 对数函数 对数函数为： 对于双电源供电，截距可以偏移到其它值，具体取决于 VSM1至VSM4、DCBI和INPS引脚的偏置；推荐值为1.5 V (连接到1P5V引脚，像单电源供电一样)或地电压。 例如，如果接地，则截距IZ = IDEN = INUM，log(INUM/IDEN) = 0， 这是大多数人对函数log(x)的解释。 定义截距的最实用方法是使用log10(INUM/IDEN) = 0作为参考 点。由此产生的唯一影响是需要根据输出缓冲器的增益和 失调设置来引入VOFS。 对于默认的单电源设置，如图1所示，V Y = 0.2 V/10倍， VOFS = 1.5 V(从1P5V引脚获得)，IDEN由片内调整的IREF = 100 nA 提供。 IZ与VOFS的关系如下： 由于IREF和VY针对VOFS = 1.500 V的默认设置进行了调整，因 此IZ也应是一个稳定的量；然而，它是一个由IREF、V1P5V和 VY参数决定的计算值，所以其分布是这三个参数的组合， 比原始参数要宽。 对数截距 对数截距IZ是一个外推值，代表VLOG = 0 V时的输入电流。 单电源供电时(VSMx引脚 = DCBI = INPS = 1P5V)，VLOG始 终为正，当ADL5304以IDEN = IREF = 100 nA的默认配置工作 时，对数截距出现在INUM = 3.162 fA时。 Rev. 0 | Page 16 of 32 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 –0.2 –0.4 –0.6 –0.8 –1.0 1p SINGLE SUPPLY VSUM = 1.5V INUM = IDEN 200mV/DEC DUAL SUPPLY VSUM = 0V INUM = IDEN 200mV/DEC 10p 100p 1n 10n 100n 1µ 10µ INUM INPUT CURRENT (A) 图44. 理想传递函数 100µ 1m 10m 09459-054 对数斜率 对数斜率反映输出电压(VLOG)的变化与输入电流的变化之 间的关系，通常显示为半对数图，即一个输入电流(INUM或 IDEN)以对数刻度显示，输出电压(VLOG)以线性刻度显示，另 一 个 输 入 电 流 是 固 定 值 。 斜 率 通 常 用 VY表 示 ， 单 位 为 mV/10倍或mV/dB。对于ADL5304，默认配置下VY = 200 mV/10 倍(10 mV/dB)。 VLOG OUTPUT VOLTAGE (V) ADL5304的理想单电源和双电源响应如图44所示。 ADL5304 工作原理 基本概念 ADL5304利用了双极性结晶体管的基极-发射极电压(VBE)与 集电极电流(Ic)之间的对数关系(见公式5)，这是众多跨导 线性电路的基础。基于双极性晶体管的这种独有特性的对 数放大器称为跨导线性对数放大器，以区别于针对RF应用 而设计的对数放大器，后者虽然具有相似的目标，但采用 不同的原理。 VBE = VT log (IC/IS) (5) 公式5包含两个比例量：热电压VT = kT/q和饱和电流IS。热 电压对于确定跨导线性对数放大器的对数斜率至关重要。 VT在T = 25°C时具有工艺不变值25.69 mV，并与绝对温度 成比例(PTAT)。饱和电流则不同于VT，是一个与工艺和器 件相关的参数。饱和电流在25°C时的典型值约为10−16A，但随 着温度改变，它会发生极大的变化，幅度超过10亿倍。 在ADL5304中，饱和电流的温度相依性通过第二参考晶体 管来补偿，它具有相同的变化，从而利用两个VBEs的差值 来使截距稳定。 输入电流INUM和IDEN分别是对数自变量的分子和分母： ΔVBE = VT log (INUM/IDEN) (6) 在对数比例应用中，INUM和IDEN均可在1 pA到10 mA的完整 额定范围内变化。然而，在默认工作模式中，IDEN等于内 部预设的电流IREF = 100 nA。 公式6显示ΔVBE仍为PTAT，但所需的对数斜率必须不随温 度而变化，这就需要利用专有电路技术来校正。通过校 正，施加于INUM的光电二极管电流IPD与出现在VLOG输 出端的电压之间的关系如下： VLOG = VY log10(IPD/IZ) (7) 其中： VY为对数斜率电压(对于以10为底的对数，它也等于每10倍 的电压V值)。 IZ是外推的对数截距。 在默认配置中，从(VNUM − VDEN)到VLOG输出，VY与ΔVBE 的比例系数接近3.333。输入电流比发生10倍变化时，ΔVBE 发生大约60 mV/10倍的变化，乘以3.333便得到0.2 V/10倍。 制造过程中，VY调整为0.2 V/10倍(10 mV/dB)，IREF调整为 100 nA，VOFS调整为1.500 V，IZ调整为3.162 fA。当IPD = 1 pA 时，输出VLOG的值为0.5 V(见图44)。IZ很小，因为VLOG始终 高于地电位，即使在动态范围的最低端(使用VOFS = 1.500 V 时)。如果使用负电源，此电压会在截距值时过零。 针对IPD值的输出可以利用公式8计算。例如，当输入电流 为100 nA时， VLOG = 0.2 V log10(100 nA/3.162 fA) = 1.500 V (8) 斜率和截距可以根据应用调整到更高或更低的值，校准精 度不会有明显损失。 光学测量 解读光电二极管电流与入射光功率之间的关系时，了解光 电二极管的传感器方面特性非常重要。 在纯电性电路中，电流作用于于阻性负载时，会产生与电 流的平方成比例的功率。但是，光电二极管接口具有不同 的比例关系，因为光子产生的光电二极管电流(IPD)是在偏 置电压固定的元件中流动。IPD等于检测器吸收的光功率 (POPT)乘以光电二极管的响应度(ρ)。 IPD = ρ × POPT (9) 截点电流IZ与有效截点功率PZ之间存在类似的关系： IZ = ρ × P Z (10) 因此，ADL5304的VOUT可以表示为： VLOG = VYlog10(POPT/PZ) (11) 对于默认工作模式下的ADL5304，如果二极管的响应度为 0.8 A/W，那么3.162 fA的IZ对应于3.95 fW的PZ。因此，12.5 μW 的光功率产生 VLOG = 0.2 V log10(12.5 µW/3.95 fW) = 1.900 V 12)( 在光学应用中，VLOG被解读为等效光功率，因此，用于计 算的斜率仍然是10 mV/dB(无论电流或功率)。 Rev. 0 | Page 17 of 32 ADL5304 分贝比例 IMON VNUM 当信号功率用相对于某一参考水平的分贝值表示时(例如 dBm就是参考1 mW功率)，其实就已经执行了对数转换。因 此，上述表达式中的对数比就变为简单的差值。指定变量 名称时应小心，因为P常被用来表示实际的功率以及相同 功率的分贝值，但二者是完全不同的量。为了消除误解， 可以利用D来表示分贝功率。 30 RMNTR PD VSM1 VSM2 1P5V 26 1.5V VREF 2 3 1.5V Q3 100nA SHIELD VNUM Q1 INUM 4 IDEN (13) SHIELD TEMP COMP 5 Q2 ILOG VDEN 6 其中： DOPT是以相对于参考水平的分贝值表示的光功率。 DZ表示相对于同一水平的等效截点功率。 IREF 7 VSM3 (14) 9 VDEN 09459-055 1.5V 8 VSM4 借用上例并假设参考功率为1 mW，那么12.5 μW的POPT对应 于DOPT = 10 log10(12.5 μW/1 mW) = −19.03 dBm；3.95 fW的 等效截点功率对应于−114.03 dBm的DZ。因此， VLOG = 20 mV{−19.03 − (−114.03)} = 1.900 V 31 MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) VY(V/10倍)转换为分贝值时，VY′ = VY/10(因为在功率测 量中，每10倍有10 d)，可以表示为： VLOG = 20 mV(DOPT − DZ) INNM 32 10 INDN 图45. 简化前端示意图 在传统的跨导线性对数放大器中，Q1的集电极和基极均处 于地电位，这在单电源器件中是不可能的。 第二晶体管Q2以集电极电流IDEN工作。多数应用中，这 是基准电流IREF = 100 nA，由内部提供并经过激光调整。 这与利用公式12计算所得结果相同。 电路描述 ADL5304支持各种各样的接口条件，以便满足光纤监控系 统和许多非光学应用的需要。本部分说明这款对数放大器 的一般结构。通过精湛的FET放大器设计，ADL5304比 ADI公司此前制造的所有对数放大器都要快一个数量级， 解决了低电流时速度有限这一重大问题。 图45是ADL5304前端部分的简化示意图。INUM引脚接收分 子电流INUM。此节点的电压与两个相邻守护引脚VSM2和 IDEN上的电压仅相差JFET运算放大器的偏移电压，该偏 移电压用于支持跨导线性器件Q1的操作，并将INUM电流转 换为对数电压。VSM2用于提供Q1的集电极-射极偏置，并 通过外部连接到1P5V引脚预设为1.5 V。 Q1接收光电二极管电流INUM = IPD时，两个VBEs的差值为： VBE1 − VBE2 = VT log10(IPD/IREF) (15) 增加一个精确的PTAT幅度电压 VOFS = VT log10(IREF/IZ) = 1.500 V (16) 得到 VBE1 − VBE2 + VOFS = VT [log10(IPD/IREF) + log10(IREF/IZ)] = (kT/q) log10(IPD/IZ) (17) 然后用一个模拟分压器消除kT/q的温度变化，其原理是将 一个与温度成比例的变量放在公式17中的T之下，并将 kT/q的幅度提高到一个稳定的值0.2 V。因此，对于光电二 极管应用， VLOG = 0.2 V log10(IPD/IZ) (18) 当VSM1至VSM4、DCBI和INPS引脚接地且VNEG < −2 V时， 偏移电压(VOFS)便被消除，得到一个更具一般性的公式。 VLOG = 0.2 V log10(INUM/IDEN) Rev. 0 | Page 18 of 32 (19) ADL5304 带宽与电流的关系 跨导线性对数放大器的响应时间和宽带噪声均是晶体管集 电极电流IC的函数，电路设计对此只能进行些许改进。IC 值较低时，由于Q1的结电容效应和双极性晶体管的跨导 (gm)降低，带宽会下降；其中跨导是IC(对于光电二极管应 用则是光电流IPD)的线性函数。对应的增量射极电阻为 re = 1/gm = VT/IPD = kT/qIPD (20) 在低电流时，它会变得非常高(IC = 100 pA时为260 MΩ)。 因此，即使很小的晶体管相关电容也可能产生非常长的时 间常数。 如果用CJ来宽泛地表示这种电容的净效应，那么对应的低 通转折频率为： f−3dB = qIPD/2πkTCJ (21) 上式显示了带宽与电流的比例关系。CJ为0.3 pF时，上式变 为20 MHz/μA。因此，I PD = 100 pA时的小信号带宽只有 2 kHz。然而，虽然这一简单的模型对于确定基本点很有用， 但它排除了许多其它精度限制因素。在高电流时，后续信 号处理会限制最大整体带宽。 噪声与电流的关系 对于理想双极性晶体管，散粒噪声机制引起的电压噪声频 谱密度SNSD(折合到VBE)为： SNSD = 14.6/√IC nV/√Hz (TA = 27°C) (22) 其中IC的单位为μA。例如，IC为1 nA时，SNSD约为0.5 μV/√Hz。 注意，当输入电流小于10 nA时，低频时的NSD变得平坦， 此噪声受产生直流电流的电阻限制。这三个电流使用一个 10 MΩ电阻，电阻上的直流偏置电压分别为1 mV、10 mV 和100 mV。 10 MΩ电阻产生的噪声电流为40.7 fA/√Hz，通过对数晶体 管的跨导gm转换为噪声电压。此电压与双极性晶体管本身 的噪声电压相加，如图46所示。晶体管的re为1/gm，当IC 等于1 nA时，它等于25.85 MΩ。这与源电阻的噪声电流一起， 在对数晶体管(VNUM)的射极产生1.05 μV/√Hz的噪声电压，而 晶体管本身的噪声电压为0.46 μV/√Hz (~0.5 μV/√Hz)，因而 总噪声约为1.15 μV/√Hz。 10 MΩ电阻在100 pA直流电流时的效应会更显著，因为源 电阻引起的VNUM处噪声为10.5 μV/√Hz，而单单晶体管贡 献的噪声就达到1.46 μV/√Hz，使得总噪声为10.6 μV/√Hz。 因此，除非产生直流电流的电阻变得非常大，否则一般情 况下，较低电流时的测量要受源电阻的噪声限制。使用光 电二极管时，这一问题并不存在，因为光电二极管的电阻 以与对数晶体管相同的速率提高(见图47)。 NOISE SPECTRAL DENSITY OF VBE 1µV 100nV 10nV 1nV 100pV 100p 1n 10n 100n 1µ 10µ 100µ IC (A) 1m 10m 09459-056 NOISE SPECTRAL DENSITY (V/ Hz) 10µV 假设此电流时的净系统带宽为20 kHz，则积分噪声电压为 70 μV rms。VBE理论噪声与IC的关系如图46所示。然而，VBE 的对数比例约为3 mV/dB，在ADL5304中，这提高到10 mV/dB 的斜率(VLOG引脚)。因此，VLOG处的噪声(由公式22预 测)乘以系数3.33。第二噪声源主要在用于对斜率进行温度 补偿的模拟分压器和输入FET缓冲放大器中，它也要与基 本噪声相加。测量数据如图22所示。 图46. VBE 噪声频谱密度与IC 的关系 Rev. 0 | Page 19 of 32 ADL5304 R&S FSEA30 SPECTRUM ANALYZER 20MHz TO 3.5GHz INPUT COAX SHIELD BIASED TO VLOG DC LEVEL DUT 5V IMON VSM1 VSM2 BUFFER +9V INUM AD8597 1MΩ log CONDUCTIVE PLASTIC BUFFER –9V DUT 5V 10kΩ LINEAR 15 TURN IDEN IREF VSM3 VSM4 30 INNM 32 31 1P5V BSDC 2VLT 26 28 17 100nA 29 VPOS 27 DCBI 2V 24 BIAS AND VREF 23 1.5V MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) 2 3 VNUM 1.5V 22 SHIELD BIAS INPS INMS VLOG COAX SHIELD BROKEN ADL5304 VNUM 4 ILOG 21 5kΩ TEMPERATURE COMPENSATION 5 6 5kΩ 20 19 VDEN 18 1.5V SCL2 7.5kΩ 7 8 SCL1 SCL3 ACOM COMM NMFS VNEG DNFS ACOM HFCP 9 4kΩ METAL FILM 10 VDEN 11 12 INDN 13 14 1kΩ 15 16 0.1µF 1kΩ 0.1µF VNEG + – 9V DUT 5V BUFFER –9V – + 9V + 1kΩ LINEAR 15 TURN 7805 9V – 09459-047 BUFFER +9V SHIELD BIAS SHIELDED ENCLOSURE 图47. 用于测量噪声的设置(INUM = 100 pA，INUM = 1 nA，INUM = 10 nA) 通过滤波改善噪声和动态行为 C2N 对数放大器的输出端噪声，特别是在低电流时，会导致测 量的不确定性。噪声幅度受有限带宽的限制。 C3N RN VNUM C1N VSM2 INUM IDEN IREF C1D 2 3 31 26 100nA 22 VNUM 6 VSM4 8 VDEN 1.5V 21 ILOG 5kΩ 5kΩ 20 7.5kΩ 19 18 9 VLOG C2D SCL1 SCL2 SCL3 ACOM 10 VDEN INDN RD C3D 图48. 可能的外部滤波位置 Rev. 0 | Page 20 of 32 INPS INMS CFB 5 7 23 BIAS 1.5V 4 VSM3 24 1.5V MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) DCBI 27 09459-057 通常，为使器件保持尽可能高的速度，分子侧(INUM)不使 用电容。在分母侧(IDEN)，可以利用附加滤波来降低噪声。 在INUM用作对数公式的基准且IDEN为变量的应用中，例如需 要反向对数斜率的应用，滤波可以在分子侧(INUM)实现。 VSM1 1P5V INNM 32 TEMPERATURE COMPENSATION 如果测量速度不是主要关注因素，可以通过附加滤波来降 低噪声。图48显示了附加外部滤波的推荐位置。注意， ADL5304包括电流电压(跨导)转换INUM或IDEN至VNUM − VDEN)， 然后是电压电流转换(VNUM − VDEN至ILOG)，再是另一个电流 电压转换(ILOG至VLOG)。 ADL5304 电容C1D会有效降低分母输入级的带宽。对于1 μA以下的 电流，几皮法的电容( IDEN时，ILOG为负；INUM < IDEN时，ILOG为正。如果将输入电 流施加于IDEN引脚，并将基准电流(IREF)施加于INUM引 脚，则VLOG的斜率为负，范围反转，即IDEN = 1 pA时VLOG为 2.5 V，IDEN = 10 mA时VLOG为0.5 V 27 INPS 1.5V 24 BIAS 23 22 2VLT基准源的最大源电流为20 mA，但不能吸收任何电流。 2.0 V基准电压主要用于光电二极管偏置，或者产生100 nA (由IREF提供)以外的基准电流。利用一个精密电阻，1.5 V和 2.0 V基准源可以可靠地产生最高约5 mA的任何电流。 21 TEMPERATURE COMPENSATION ILOG 5kΩ 5kΩ 20 7.5kΩ INMS VLOG SCL1 SCL2 19 SCL3 15 ACOM 09459-060 IREF电流标称值为100 nA，从IREF引脚流出，主要用作IDEN 引脚的输入，以提供分母电流IDEN。之所以选择100 nA，是因 为它位于1 pA到10 mA范围的中间。IREF也可以用作INUM 引脚的输入，从而使ADL5304的基本对数响应发生反转。 如果IDEN = IREF，VLOG将随着INUM的提高而提高。但是，如 果INUM = IREF且将输入电流施加于IDEN，VLOG将随着IDEN的 提高而降低。 DCBI 26 图51. 默认配置下的缓冲放大器 缓冲放大器是一个电压反馈型运算放大器，电源位于 VPOS与VNEG之间。单电源供电时，VNEG引脚接地， INPS引脚(运算放大器的正输入端)接1P5V引脚。 如果希望INUM或IDEN引脚是以地为基准的输入端，则 INPS和DCBI引脚以及VSMx引脚必须接地，并且VNEG小 于−2 V。如果需要更大的斜率，VPOS可以提高到+5 V， VNEG可以提高到−5 V。例如，如果SCL3引脚连接到VLOG， SCL1和SCL2保持开路，那么内部7.5 kΩ电阻和80 μA/10倍 ILOG一起将在VLOG引脚提供0.6 V/10倍的斜率。0.2 V/10 倍到0.8 V/10倍的斜率很容易实现。 设置对数斜率和截距 最佳斜率和截距的选择取决于应用和电源电压。例如，当 需要小于200 dB的输入电流范围时，可以选择较高的斜率 以更好地利用VLOG提供的完整电压范围，并将其放在最 佳位置以适应后续模数转换器(ADC)的输入能力。可以实 现非常高的斜率，如0.8 V/10倍等，从而以高灵敏度测量较 小范围的IPD。 利用外部电阻可实现任何其它截距和斜率，但这些电阻一 般不会与片内电阻构成精确的比例关系。因此，结果可能 存在一定的不精确性。如果SCL1、SCL2和SCL3引脚未连 接，一个电阻置于INMS和VLOG引脚之间，那么ILOG电流 将被迫通过外部电阻，因而对数斜率等于80 μA/10倍乘以 REXT；VOFS等于施加于INPS引脚的电压。 Rev. 0 | Page 22 of 32 ADL5304 表4. VLOG调整选项 方案 单电源供电(VNEG = 0 V； VSMx = DCBI = INPS = 1P5V) 11 2 3 4 5 6 7 8 双电源供电(VNEG < −2 V； VSMx = DCBI = INPS = 地) 92 10 11 12 13 2 引脚SCL2 引脚SCL3 引脚INPS 引脚INMS VY (V/dec) IZ (A) VOFS (V) VLOG VLOG VLOG VLOG VLOG 开路 开路 VLOG INMS INMS INMS 开路 开路 开路 VLOG INMS 开路 VLOG 地 地 开路 VLOG 开路 2VLT 1P5V 1P5V 1P5V 1P5V 1P5V 1P5V 1P5V 1P5V SCL2 SCL2 SCL2 开路 开路 开路 开路 SCL2 0.2 0.15 0.2 0.4 0.4 0.6 0.8 0.2 3.16 f 0.01 f 0.01 f 56.2 f 17.8 p 316 p 1.33 n 21.6 f 1.5 1.5 2.0 2.5 1.5 1.5 1.5 1.333 VLOG VLOG VLOG 开路 开路 INMS INMS 开路 开路 VLOG 开路 VLOG 开路 VLOG 开路 地 地 地 地 地 SCL2 SCL2 开路 开路 开路 0.2 0.15 0.4 0.6 0.8 100 n 100 n 100 n 100 n 100 n 0 0 0 0 0 单电源供电的默认设置，VSMx = 1.5 V。 双电源供电的默认设置，VSMx = 地。 斜率反转 默认设置如表4所示。 其它截距可通过将不同电流注入IDEN引脚来实现。例如， 如果IDEN = 1 μA，如图52所示，VLOG传递函数将右移一个 10倍。一种方法是在单电源默认设置下，将一个精密500 kΩ 电阻置于2VLT和IDEN引脚之间。截距上移到31.62 fA，对 于给定的INUM，所有输出电压降低一个10倍，即0.2 V VLOG。 例如，对于INUM = 100 nA，新的IDEN = 1 μA，VLOG = 1.3 V。 当斜率符合需要，但所需截距无法利用片内电阻实现时，这 种方法特别有用。仅右移有意义，因为左移需要超大电阻。 IMON VNUM 2VLT 17 VSM1 VSM2 INNM 32 31 1P5V 第二种方法是简单地交换VNUM和VDEN引脚的连接以及 温度补偿单元的输入(INNM和INDN)，如图53所示(对比 图52)。如果同时需要负对数斜率和自适应光电二极管偏置 (通过IMON)，这种技术特别有用。 26 1.5V VREF MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) 500k RMNTR 30 表4仅列出了正的斜率，因为这是测量模式下的预期正常 工作情况。斜率可以通过两种方法反转。一种方法是使用 INUM = IREF = 100 nA，这种情况下，截距IZ处于较大的电流，其 值为表4所示值相对于100 nA基准电流的镜像值。例如，对 于VY = 0.2 V/10倍且IZ = 3.162 fA的默认设置，交换INUM和 IDEN连接将得到VY = −0.2 V/10倍且IZ = 3.162 A。 3 2 VSM1 1.5V RMNTR VNUM Q1 INUM 4 IREF VSM3 VSM4 TEMP COMP 5 Q2 PD MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) 3 Q3 VNUM Q1 INUM 4 IDEN SHIELD 7 8 31 100nA SHIELD VDEN 6 VSM2 ILOG TEMP COMP 5 Q2 VDEN 6 1.5V 9 VDEN 09459-061 SHIELD INNM 32 Q3 100nA IDEN VNUM 30 2 PD SHIELD IMON FROM 1.5V VREF 10 INDN 图52. 通过外部电阻将截距右移一个10倍，基准电流IDEN = 1 μA IREF VSM3 7 8 VSM4 9 VDEN 图53. 简单的斜率反转方法 Rev. 0 | Page 23 of 32 10 INDN 09459-062 1 引脚SCL1 ADL5304 对数比操作 由于ADL5304有两个相等输入INUM和IDEN，因此可以实现对 数比操作。INUM与IDEN之间的唯一差别是IMON电流从INUM信 号获得，仅提供此输入的自适应光电二极管偏置。假设 INUM/IDEN一般可以大于或小于1，VLOG可以是任何极性，某些 情况下需要一个负电源。VLOG的值取决于最小比例和根据 应用选择的斜率。 例如，如果比例变化范围为1:1000至1000:1，要求斜率为 20 mV/dB，那么峰值摆幅就是相对于VOFS的±1.2 V。 表4的选项5符合需要，截距IZ为17.8 pA (VOFS = 1.5 V)， VLOG = ±1.2 V(相对于VOFS = 1.5 V)，因此0.3 V ≤ VLOG ≤ 2.7 V。 Rev. 0 | Page 24 of 32 ADL5304 应用信息 使用自适应偏置 使用ADL5304 光电二极管阴极上的正偏置必须足以支持峰值电流，它受 内部串联电阻RS的限制。RS典型值为5 Ω。图54所示为一个 代表性光电二极管(JDSU EPM 605)的模型。 单电源供电的基本连接如图55所示。电源去耦不是关键， 建议的值是保守值，但推荐将一个铁氧体磁珠和一个0.1 μF 去耦电容一起放在电源线中。铁氧体磁珠优于电阻，因为 它不会产生压降而影响基准电平。图55中，斜率为10 mV/dB 或0.2 V/10倍，截距为3.162 fA。对于200 dB的完整动态范 围(100 dB光学)，当VLOG = VOFS = 1.5 V且INUM = IDEN时，VLOG 变化范围为0.5 V至2.5 V(见图55中输出端的小图)。IDEN引 脚连接到IREF引脚，因此IDEN = 100 nA。图55还显示了自适 应光电二极管偏置的设置。如果不需要，应将IMON引脚 接地，删除RMNTR，并向PD的阴极提供大于1.5 V的偏置电压。 如“光电二极管偏置”部分所述，片内2 V基准源可用于此目 的，提供精确的0.5 V反向偏置，FET放大器将1.5 V电压通 过INUM引脚提供给阳极。 1nH 5nH 2 0.55pF PD 0.13pF CASE 0.5pF 1.5nH Rs 5nH 1 图54. 光电二极管模型 在光照度非常低时，需要使用小偏置，以便将二极管引脚 上的漏电流引起的误差降至最低。通过外加10倍于RS的电 阻RMNTR，即使电流较大，自适应偏置也能实现上述目的。 如果RS存在不确定性，RMNTR建议使用略大于RS 10倍的值。 在RMNTR根本不存在的极端情况下，IMON引脚的电压会 一直提高，直到电流源饱和并吸收IMON输出产生的10% 以上电流。然而，这会达不到自适应偏置的目的，因此， 使用自适应偏置时，用户必须确保RMNTR存在。 1µF VPOS FB 0.1µF 0.1µF 0.1µF 4.02Ω IMPORTANT: ~1mA BIAS CURRENT FLOWS OUT OF DCBI. NEEDS TO BE CONNECTED TO 1P5V. VNUM INNM IMON 1P5V 30 RMNTR PD SHIELD SHIELD VSM2 1.5V INUM IDEN IREF 2 31 26 BSDC 28 100nA VPOS DCBI 17 29 27 24 2V 1.5V MONITOR AND PD BIAS (1.1× INUM ) 2VLT BIAS AND VREF 23 22 3 INMS VLOG 2.5V 1.5V 0.5V 1p 100n 10m RLOAD ADL5304 4 VNUM 21 TEMPERATURE COMPENSATION 5 6 ILOG 5kΩ 5kΩ 20 VDEN COMM NMFS 0.1µF 9 10 SCL2 19 SCL3 18 VDEN SCL1 7.5kΩ 7 VSM3 1.5V 8 VSM4 1.5V INPS INDN 11 12 VNEG DNFS 13 RNMFS Rev. 0 | Page 25 of 32 ACOM HFCP 14 15 RDNFS 图55. 单电源操作的基本连接 ACOM 16 0.1µF 09459-064 VSM1 1.5V 32 09459-063 0.5pF ADL5304 再次重申，VSM1至VSM4、DCBI和INPS引脚必须连在一起， 这点很重要。否则，VLOG输出可能不正确。 针对图55所示设置，图56和图57显示了一个实际光电二极 管(1A227、0.8 A/W、0.7 pF)的某些脉冲响应测量结果。 2.3 VSMx引脚必须充分去耦以提供良好的交流接地。 LASER LIMIT 2.1 泄漏 1µA 更糟糕的是，如果电流为负(即从输入引脚吸取电流)，输 入电压将拉低，FET放大器输出将变为正供电轨电压。当 输入偏置1.5 V时，很容易发生这种情况。例如，输入引脚 与地之间的1 GΩ电阻产生1.5 nA电流，它从输入引脚流至 地，从而将输入节点拉低。对数放大器输入端是单向性， 只能接收一个方向的电流。沿错误方向流动的电流会破坏 输入偏置环路。因此，若要测量小于约1 nA的电流，务必 采用防护措施，并清除电路板上的任何污染，包括焊剂。 如果漏电流非常大，输入电流无法压倒它，VLOG输出将 达到输出范围的负端或正端，具体取决于INUM还是IDEN 有泄漏。 100nA 1.7 10nA 1.5 1nA 1.3 100pA 1.1 0.9 10pA 0.7 0.5 0 20 40 60 80 100 TIME (µs) 图56. 输入电流约为10 pA至1 μA以上(达到激光限制) 时的光电二极管响应 1.3 100pA 10pA 1pA 1.1 VLOG OUTPUT (V) VSM2和 VSM3是 关 键 节 点 ， FET放 大 器 利 用 它 们 确 定 INUM和IDEN引脚的电压。此外，施加于VSM2和VSM3的 电压也用来驱动输入周围的屏蔽；在低电流( 10 kΩ。 0.3 0 2 4 6 8 10 TIME (ms) 动态响应 ADL5304不需要使用输入补偿网络来使电路保持稳定。然 而，在正常动态工作模式下，可能出现趋负电流，例如当 电流从较大的值逐步降低到较小的值时。如果步进较大， 输入环路可能临时断开，导致瞬时无效VLOG输出。环路 恢复时间与输入电流直接相关，因此，输入电流越小， ADL5304恢复所需的时间越长。通过精心设计降低INUM 和IDEN输入的寄生电容，有助于缩短恢复时间，但这一行为 无法被完全消除，因为它是跨导线性对数放大器的特征。 09459-034 0.5 图57. 提高时间比例以显示低至INUM ~ 1 pA的测量结果 (~1.25 pW；−89.03 dBm) 使用负电源 在ADL5304的多数应用中，单电源即足够。单电源还能实现 最低的功耗。如果用户需要将光电二极管的阳极偏置到地， 则需要双电源，如图50所示。 负电源需要吸收器件偏置电流、缓冲器的负载电流以及最 大输入电流。 求和节点移至地时，在电压源与INUM引脚之间放置一个适 当比例的电阻，ADL5304就可以用作电压输入对数放大器。 小电压的对数精度受JFET运算放大器失调(出现于此引脚 与VSUM之间)的限制。IDEN引脚同样可以利用一个电压 信号驱动。 当预期输入电流较大(INUM或IDEN大于约5 mA)且温度极 低(−40°C)时，应在VNEG上使用负电源。 Rev. 0 | Page 26 of 32 ADL5304 评估板原理图和丝印图 09459-202 图58. 评估板原理图 Rev. 0 | Page 27 of 32 09459-200 ADL5304 09459-201 图59. 评估板主面 图60. 评估板辅面 Rev. 0 | Page 28 of 32 ADL5304 外形尺寸 5.00 BSC SQ TOP VIEW 0.50 BSC 4.75 BSC SQ 0.50 0.40 0.30 1.00 0.85 0.80 12° MAX SEATING PLANE 25 24 32 1 (BOTTOM VIEW) 9 8 0.20 MIN 3.50 REF 0.80 MAX 0.65 TYP 0.05 MAX 0.02 NOM 0.30 0.25 0.18 2.85 2.70 SQ 2.55 EXPOSED PAD 17 16 PIN 1 INDICATOR 0.20 REF COPLANARITY 0.08 FOR PROPER CONNECTION OF THE EXPOSED PAD, REFER TO THE PIN CONFIGURATION AND FUNCTION DESCRIPTIONS SECTION OF THIS DATA SHEET. 032807-A PIN 1 INDICATOR 0.60 MAX 0.60 MAX COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MO-220-VHHD-2 图61. 32引脚引脚架构芯片级封装[LFCSP_VQ] 5 mm × 5 mm，超薄体 （CP-32-8） 图示尺寸单位：mm 订购指南 型号1 ADL5304ACPZ-R2 ADL5304ACPZ-R7 ADL5304ACPZ-RL ADL5304-EVALZ 1 温度范围 −40°C至+85°C −40°C至+85°C −40°C至+85°C 封装描述 32引脚LFCSP_VQ 32引脚LFCSP_WQ，7"卷带和卷盘 32引脚LFCSP_WQ，13"卷带和卷盘 评估板 Z = 符合RoHS标准的器件。 Rev. 0 | Page 29 of 32 订购数量 250 1500 5000 封装选项 CP-32-8 CP-32-8 CP-32-8 ADL5304 注释 Rev. 0 | Page 30 of 32 ADL5304 注释 Rev. 0 | Page 31 of 32 ADL5304 注释 ©2011 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. D09459sc-0-9/11(0) Rev. 0 | Page 32 of 32