Come utilizzare LTspice per determinare le caratteristiche di rumore di fotorilevamento durante la progettazione di strumenti sensibili

Le catene di segnali ad ampia larghezza di banda di precisione di Analog Devices Inc. e il software simulatore LTspice aiutano i progettisti nella selezione e nella valutazione dei dispositivi. In qualsiasi catena di segnali è possibile trovare intuizioni e conoscenze applicative di ADI, grazie a decenni di esperienza e a un portafoglio analogico.

Le catene di segnali di precisione ad ampia larghezza di banda offrono prestazioni di misurazione e di pilotaggio c.a./c.c. ad alta precisione. I tre diagrammi a blocchi (corrente e tensione, pilotaggio di corrente e tensione e misurazioni della luce) presentano catene di segnali individuali, ognuna delle quali è pronta per una serie di ottimizzazioni specifiche in base all'applicazione relativamente al rapporto segnale/rumore (SNR), alla linearità della corrente continua, alle prestazioni del tempo di assestamento, alla latenza dell'anello chiuso/misurazione e alle misurazioni della distorsione armonica totale (THD).

Il diagramma a blocchi della misurazione della luce si adatta alle applicazioni di citometria a flusso, spettrometria, analisi chimica e strumenti analitici (Figura 1).

Figura 1: Diagramma a blocchi per la misurazione di precisione della luce ad ampia larghezza di banda per la citometria a flusso, la spettrometria o altre applicazioni di misurazione analitica. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questa soluzione combina gli amplificatori di precisione in transimpedenza (TIA) di ADI, il filtraggio analogico, un riferimento di tensione e un convertitore analogico/digitale (ADC).

Misurazione della luce

Per essere adatto alle apparecchiature di citometria a flusso, il TIA deve avere una corrente di polarizzazione di ingresso estremamente bassa, un basso rumore e una larghezza di banda molto ampia. Un amplificatore appropriato per questa funzione è l'amplificatore operazionale LTC6268H-10 di Analog Devices, con la sua corrente di polarizzazione ultrabassa e l'ingresso FET a 4 GHz (Figura 2). A destra, viene mostrata la sua risposta in frequenza, configurata come TIA con un resistore di retroazione da 20 kΩ.

Figura 2: La bassa corrente di polarizzazione di ingresso, il basso rumore e l'ampia larghezza di banda dell'amplificatore LTC6268H-10 lo rendono adatto all'uso come TIA. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 2, il fotorilevatore (PD) è sottoposto a polarizzazione inversa per ridurre la capacità parassita e la capacità parassita di retroazione (C) cattura la capacità parassita della scheda dei circuiti e del resistore di retroazione. È fondamentale che la corrente di polarizzazione in ingresso dell'amplificatore operazionale LTC6268H-10 non crei un errore di corrente continua significativo quando attraversa il resistore di retroazione. LTC6268H-10 soddisfa questo criterio con una corrente di polarizzazione in ingresso estremamente bassa, pari a ±4 pA. La specifica di basso rumore dell'amplificatore LTC6268H-10 è pari a 4 nV/√Hz a 1 MHz.

La citometria a flusso ad alta velocità richiede che i dispositivi per il percorso del segnale abbiano un'ampia larghezza di banda per una velocità di variazione elevata. La larghezza di banda di LTC6268H-10 in questo circuito è di 210 MHz, che si traduce in una velocità di variazione di ~1000 V/µs.

Infine, la specifica più critica è la densità di rumore, che deve essere almeno tre volte inferiore a quella dell'ADC. La densità di rumore in ingresso di LTC6268-10 è di 4,0 nV/√Hz a 1 MHz. L'anello di retroazione dell'amplificatore operazionale guadagna questo rumore. Inoltre, un resistore di retroazione da 20 kΩ produce rumore direttamente sull'uscita dell'amplificatore.

Il contributo della densità di rumore (V_FB) del resistore di retroazione da 20 kΩ, che alle alte frequenze domina il contributo di rumore dello stadio TIA, equivale a:

La terza e la quarta funzione del diagramma a blocchi della Figura 2 hanno il compito di convertire il segnale di uscita del TIA in una rappresentazione digitale. Le funzioni combinate terza, quarta e riferimento creano una soluzione di acquisizione dati. Questa soluzione integra il filtro, l'amplificatore di pilotaggio, il riferimento di tensione e l'ADC (Figura 3).

Figura 3: ADAQ23876 costituisce una soluzione di acquisizione dati ed è mostrato in configurazione di ingresso a terminazione singola con un guadagno di 1,38. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 3, ADAQ23876 di Analog Devices effettua 15 Msps a 16 bit; ha inoltre un ADC con registro ad approssimazioni successive (SAR) che offre risultati a latenza zero. L'amplificatore totalmente differenziale dell'ingresso (FDA) ha un R_IN e C_IN di 1407 Ω e 3,3 pF rispettivamente per creare un filtro passa-basso di 1^o ordine.

Questo sistema semplifica le sfide affrontate dai progettisti di circuiti per quanto riguarda i driver ADC e il layout, risolvendo i problemi internamente con il dispositivo totalmente integrato. Per questa applicazione, la configurazione di ADAQ23876 si adatta a un singolo segnale di ingresso e implementa un guadagno interno di 1,38 con un rapporto segnale/rumore (SNR) tipico di 88,8 dB.

Simulazioni LTspice per l'analisi circuitale

LTspice è un software di simulazione SPICE ad alte prestazioni con capacità di acquisizione grafica schematica. È possibile sondare gli schemi per ottenere i risultati della simulazione e analizzarli grazie al visualizzatore di forme d'onda integrato in LTspice.

La risposta al rumore di un circuito è spesso una combinazione dei singoli componenti in uno schema specifico. La funzione di analisi del rumore di LTspice consente di ricavare la risposta di rumore. In questo blog lo dimostreremo utilizzando un circuito di misurazione della luce con un fotodiodo, un TIA e modelli di soluzioni di acquisizione dati (Figura 4).

Figura 4: Questo modello di simulazione utilizza l'amplificatore operazionale FET LTC6862-10 e la soluzione di acquisizione dati ADAQ23876 per ricavare le risposte al rumore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 4, il modello di fotodiodo è un sensore al silicio FCI-125G-006 da 1,25 Gbps di Optoelectronics. FCI-125G-006 ha una capacità parassita di 0,66 pF per la polarizzazione inversa. L'amplificatore singolo scelto per TIA, LTC6268H-10, è stabile con guadagni ad anello chiuso superiori a 10 V/V e presenta una specifica di ampio intervallo di temperatura, da -40 °C a 125 °C.

ADAQ23876 utilizza la tecnologia SiP (System-in-Package) che riduce il numero di componenti del sistema e la complessità di progettazione combinando più blocchi comuni di elaborazione e condizionamento dei segnali in un unico dispositivo.

Risultati del rumore della misurazione della luce

Una simulazione del rumore di sweep in c.a. è utile per verificare la risoluzione ADC del circuito complessivo. La simulazione tiene conto delle capacità e delle resistenze parassite per produrre risultati completi sul rumore nell'intero spettro di frequenza dell'applicazione. Il contributo di rumore sull'intero spettro di frequenza del circuito applicativo complessivo (ADAQ23876 + LTC6268 + FCI-125G-006) è pari a 124,49 µV rms (Figura 5).

Figura 5: Rumore dell'ADC a 16 bit ADAQ23876 e del TIA LTC6268, illustrato con il rumore totale di entrambi i dispositivi. (Immagine per gentile concessione di LTspice, Bonnie Baker)

Il contributo del rumore RMS totale nello spettro di frequenza della simulazione appare quando l'utente fa clic con Ctrl + tasto sinistro sul nome della curva nella parte superiore del grafico (Figura 6).

Figura 6: Il rumore totale nell'area sotto la curva dipende dal campo di frequenza di simulazione e dal valore di generazione del rumore dei dispositivi. Un semplice clic con Ctrl + tasto sinistro permette di visualizzare questo valore efficace (rms). (Immagine per gentile concessione di LTspice, Bonnie Baker)

La produzione di rumore di ADAQ23876 sull'intero spettro di frequenza è pari a 71,79 µV rms. In questo grafico, il contributo del rumore puntiforme di tensione a 1 MHz dell'ADC è di circa 12 nV/√Hz. Il rumore puntiforme, che ha una larghezza di banda di 1 Hz, appare in basso a sinistra quando si passa sopra la curva.

Il contributo di rumore del TIA LTC6268 sull'intero spettro di frequenza al suo pin di uscita è di 100,28 µV rms. Il rumore puntiforme a 1 MHz all'uscita del TIA è di circa 18,5 nV/√Hz.

In conclusione, la domanda più importante è: cosa significa tutto ciò in termini di risoluzione del sistema totale?

Conclusione

Per la strumentazione basata sulla fotometria, è possibile combinare un fotodiodo, un TIA come LTC6268 e il modulo ADAQ23876 a 16 bit e 15 Msps per semplificare la progettazione di un sistema di acquisizione dati completo ad alta precisione e ad alta velocità. Insieme allo strumento di simulazione LTspice, questa combinazione evita al progettista di eseguire tediosi calcoli del rumore, studiare il layout della scheda ad alta velocità e risolvere il problema del numero di chip per applicazioni di precisione come la citometria a flusso.