Implementierung eines hochempfindlichen spektrophotometrischen Messkreises

Zunehmende Bedenken bezüglich der Wasser- und Luftqualität haben dazu geführt, dass die Entwickler von labortechnischen und analytischen spektrophotometrischen Geräten quantitative Analysen durchführen, um feine Verunreinigungen oder Verfärbungen in Gasen oder Flüssigkeiten zu erkennen. Die immer geringeren Mengen erfordern jedoch ebenso empfindliche Detektionsmethoden, um die Intensität des absorbierten oder abgelenkten Lichts zu messen, nachdem es eine Probenlösung durchquert hat.

Die Herausforderung für die Entwickler besteht im Design einer rauscharmen Frontend-Elektronik mit extrem niedrigem Strombedarf, durch die Messstörungen der Messgeräte minimiert werden. Standardmäßige TIA-Schaltungen mit Frontend-Photodioden sind nicht präzise genug, um den steigenden Anforderungen an die Empfindlichkeit der analytischen Spektrophotometer gerecht zu werden.

Für viele Entwickler besteht die beste Methode darin, bestehende Schaltungen einfach zu optimieren. Durch diese Designmethode werden die Gesamtkosten gesenkt, während gleichzeitig eine maximale Chance besteht, ein erfolgreiches Design zu erhalten.

Dieser Artikel behandelt die Anforderungen für eine TIA-Schaltung für eine hochpräzise Photodiode mit geringem Strombedarf. Um extrem niedrigen Photodiodenströmen gerecht zu werden, werden der rauscharme Frontend-Verstärker ADA4530-1ARZ-R7 und der hochpräzise Analog/Digital-Wandler (ADC) AD7172-2BRUZ von Analog Devices sowie die optimalen Layoutverfahren vorgestellt. Des Weiteren wird beschrieben, wie man mithilfe eines Referenzdesigns, das gut aufeinander abgestimmte Elemente in einer praxisgerechten Konfiguration kombiniert, ein Design auf den Weg bringt.

Spektrofotometrie

Die Spektrophotometrie arbeitet mit quantitativen Analysen in verschiedenen Bereichen wie Chemie, Biochemie, Physik sowie Verfahrens- und Werkstofftechnik. Das Verfahren misst die Absorption oder Reflexion des auf eine Substanz treffenden Lichts, in diesem Fall eine in Wasser suspendierte Substanz. Die Messvorrichtung misst die Lichtintensität, während ein Lichtstrahl eine Probenlösung durchquert. Ein typisches Spektrophotometer umfasst eine Lichtquelle, einen Kollimator, einen Monochromator, einen Wellenlängenselektor, eine Küvette für die Probenlösung, einen photoelektrischen Detektor und ein digitales Display für ein Messgerät (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Spektrophotometer nutzt den Umstand, dass sich jede chemische Verbindung daran erkennen lässt, inwiefern sie Lichtstrahlen eines bestimmten Wellenlängenbereichs absorbiert, durchlässt oder reflektiert. (Bildquelle: Chemistry LibreTexts)

In Abbildung 1 sorgen der Kollimator, der Monochromator und der Wellenlängenselektor dafür, dass eine Lichtquelle Licht in der gewünschten Wellenlänge abstrahlt. Der Kollimator lenkt einen geraden Lichtstrahl auf den Monochromator. Der Monochromator bzw. das Prisma erzeugen mehrere Wellenlängen bzw. ein Lichtspektrum. Der Wellenlängenselektor (Schlitz) filtert das Lichtsignal hinunter bis auf einen schmalen ausgewählten Wellenlängenbereich. Das hieraus resultierende einfallende Lichtsignal (Io) trifft dann auf eine Probenlösung in einer Küvette. Hierbei handelt es sich um einen geraden, optisch klaren Behälter für flüssige Proben.

Nachdem das Licht der gewünschten Wellenlänge die Probenlösung in der Küvette durchquert hat, wird das durchgelassene Licht (It) von einem Photodetektor erfasst, der die Anzahl der auftretenden Photonen misst. Das Signal wird weiter verarbeitet für die schlussendliche Anzeige auf einem digitalen Display.

Jede chemische Verbindung absorbiert, reflektiert oder ist für Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs durchlässig. Spektrophotometrische Geräte messen Art und Menge einer chemischen Substanz über die Absorption oder Transmission, indem sie die Lichtintensität nach dem Durchqueren der Probenlösung messen.

Es gibt zwei unterschiedliche Typen von Spektrophotometern, die beide vom Wellenlängenbereich des Monochromators abhängig sind.

1. Das UV/VIS-Spektrophotometer (für UV- und sichtbares Licht) verfügt über einen zweigeteilten Wellenlängenbereich: 185 Nanometer (nm) bis 400 nm sowie den sichtbaren Bereich von 400 nm bis 700 nm.
2. Das IR-Spektrophotometer für den Infrarotbereich deckt einen Wellenlängenbereich von 700 nm bis 15.000 nm ab.

Für die Spektrophotometrie gibt es zahlreiche Anwendungsbereiche. In der Biochemie etwa wird die Spektrophotometrie zur Analyse enzymkatalysierter Reaktionen verwendet. Die Technik wird außerdem für klinische Untersuchungen von Blut oder Gewebe verwendet. Weitere Varianten der Spektrophotometrie sind die Atomemissionsspektrometrie und die Atomabsorptionsspektrometrie.

Photodetektorstufe

Eine klassische Photodetektorstufe verwendet einen Photosensor wie beispielsweise eine Silizium-Photodiode oder einen Photomultiplier, um Licht in einen kleinen Strom umzuwandeln. Ein Operationsverstärker, der auf den optischen Sensor folgt, wandelt den kleinen Sensorstrom in eine nutzbare Spannung um. Kurz gesagt handelt es sich hierbei um die Basisausführung eines TIA.

Die wichtigen Komponenten einer TIA-Schaltung sind die Photodiode, ein Operationsverstärker mit einem niedrigen Eingangsruhestrom, ein Rückkopplungswiderstand (R_F) und ein Rückkopplungskondensator (C_F) zur Stabilisierung (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Basisausführung eines TIA wandelt einen kleinen Sensorstrom (I_PD) von einer Photodiode in eine nutzbare Spannung um. Die wichtigen Komponenten sind die Photodiode (D_PD), ein Operationsverstärker mit einem geringen Vorstrom am Eingang, ein Rückkopplungswiderstand (R_F) und ein Rückkopplungskondensator (C_F) zur Stabilisierung. (Bildquelle: Bonnie Baker)

In Abbildung 2 misst die Photodiode entweder den UV-/VIS- oder den IR-Wellenlängenbereich. Der Operationsverstärker verfügt über Eingänge mit hoher Impedanz und einem minimalen Eingangsruhestrom, der im Bereich von einigen Pikoampere bis einigen Femtoampere (fA) liegt. R_F kann im Bereich von mehreren hundert Kiloohm (kΩ) bis hin zu einigen Gigaohm (GΩ) liegen und ist ausreichend hoch, um den Strom von der Photodiode (I_PD) in den gesamten Ausgangsspannungsbereich des Verstärkers umzuwandeln. C_F, dessen Wert von der Beziehung zwischen der Bandbreite des Verstärkers, der Eingangskapazität und der parasitären Photodiodenkapazität abhängig ist, bestimmt den Phasenrand des TIA.

Die primäre Herausforderungen eines TIA-Designs besteht darin, die Stabilität der Schaltung zu gewährleisten. Diese Analyse wertet die Transferfunktion des TIA mit einem Bode-Diagramm aus.

Hier ist eine typische TIA-Schaltung zu sehen (Abbildung 3). Die Stabilität der Schaltung hängt davon ab, ob ein Gleichgewicht zwischen den Verstärkungs- und Bandbreiteneigenschaften des Verstärkers (A_OL(jw)), den zwei Widerständen der Schaltung und den sechs Kondensatoren erreicht werden kann.

Abbildung 3: In einem TIA-Schaltungsmodell zur Photomessung hängt die Stabilität der Schaltung davon ab, ob ein Gleichgewicht zwischen den Verstärkungs- und Bandbreiteneigenschaften des Verstärkers (A_OL(jw)), den zwei Widerständen der Schaltung und den sechs Kondensatoren erreicht werden kann. (Bildquelle: Bonnie Baker)

Das Modell einer Photodiode in Abbildung 3 verwendet eine ideale Diode mit dem lichtinduzierten Strom (I_PD), der parasitären Übergangskapazität (C_PD) und der parasitären Übergangsimpedanz (R_PD). Die weiteren parasitären Kapazitäten in der TIA-Schaltung, die sich auf die Schaltungsstabilität auswirken, sind die Kapazität am Gleichtakteingang des Verstärkers (C_CM), die Kapazität am Differenzeingang (C_DM) und die parasitäre Kapazität des Rückkopplungswiderstands (C_RF) (Abbildung 4).

Abbildung 4: Definition der Widerstände und Kapazitäten in der TIA-Schaltung gemäß dem Modell aus Abbildung 3. (Bildquelle: Bonnie Baker)

Gleichung 1 ist die Transferfunktion für den Frequenzbereich des TIA:

 Gleichung 1

Dabei gilt:

• A_OL(jw) ist die Leerlaufverstärkung des Verstärkers über die Frequenz
• β ist der Rückkopplungsfaktor des Systems entsprechend 1/(1 + Z_IN/Z_F), wobei Folgendes gilt:
• Z_IN ist die verteilte Eingangsimpedanz entsprechend R_PD || jw(C_PD + C_CM + C_DIFF)
• Z_F ist die verteilte Rückkopplungsimpedanz entsprechend R_F || jw(C_RF + C_F)

Das Bode-Diagramm hilft bei der Ermittlung der Schaltungsstabilität. Das entsprechende Bode-Diagramm für dieses Design enthält die Leerlaufverstärkung des Verstärkers und die 1/β-Kurve. Systemelemente, die zur Bestimmung des Frequenzgangs der Rauschverstärkung (1/β) beitragen, sind die parasitären Effekte der Photodiode und die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers (Z_IN) sowie die Komponenten in der Rückkopplungsschleife des Verstärkers (R_F, C_RF und C_F) (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die ROC zwischen dem Frequenzgang der Leerlaufverstärkung und dem Kehrwert der Rückkopplungsverstärkung (1/β ) beträgt 20 Dezibel (dB)/Dekade. (Bildquelle: Bonnie Baker)

In Abbildung 5 gibt die grüne Kurve die Regelkreisverstärkung des TIA an und die türkise Kurve die Leerlaufverstärkung des ADA4530-1. In der Kurve der Regelkreisverstärkung des TIA entspricht die Verstärkung bei DC der nicht invertierenden Verstärkung der Verstärkerschaltung mit einer Verstärkung von 1 + R_F/R_PD. Die erste Frequenzänderung in dieser Kurve tritt beim ersten Nulldurchgang (f_z) auf, der vom Rückkopplungsnetzwerk abhängt. Die zweite Frequenzänderung in der Kurve der Regelkreisverstärkung des TIA tritt beim ersten Pol (f_P) auf, der von den parasitären Effekten der Photodiode und des Verstärkers sowie von den Rückkopplungselementen abhängt. Diese Verstärkungskurve verläuft bei einer abschließenden Verstärkung von 1 + (C_PD + C_CM + C_DIFF)/C_F theoretisch flacher. Zur Berechnung von f_Z und f_P werden die Gleichungen 2 und 3 verwendet:

 Gleichung 2

 Gleichung 3

Interessant für diese Schaltung ist der Schnittpunkt der A_OL(jw)-Kurve mit der 1/β-Kurve. Die ROC zwischen diesen zwei Kurven bestimmt den Phasenrand des Systems, der wiederum die Stabilität des Systems prognostiziert.

Die ROC für die zwei Kurven in Abbildung 5 beträgt beispielsweise 20 dB/Dekade. Der Verstärker trägt in etwa eine Phasenverschiebung von –90 Grad bei und der Rückkopplungsfaktor ungefähr eine Phasenverschiebung von 0 Grad. Indem man die 1/β-Phasenverschiebung zur A_OL(jw)-Phasenverschiebung addiert, erhält man eine Phasenverschiebung des Systems von –90 Grad und der Phasenrand beträgt 90 Grad, wodurch sich ein stabiles System ergibt. Beträgt die ROC dieser zwei Kurven 40 dB/Dekade, woraus eine Phasenverschiebung von –180 Grad und ein Phasenrand von 0 Grad resultieren, schwingt bzw. klingelt die Schaltung mit einer Schrittfunktion am Eingang.

Es gibt zwei Möglichkeiten, um die Instabilität der Schaltung zu korrigieren. Man kann entweder einen Rückkopplungskondensator (C_F) hinzufügen oder den Verstärker ändern, sodass man einen anderen A_OL-Frequenzgang oder andere Eingangskapazitäten erhält.

Eine konservative Berechnung, die Abweichungen bei der Bandbreite und der Eingangskapazität des Verstärkers sowie beim Wert des Rückkopplungswiderstands zulässt, positioniert den Pol des Systems von 1/β bei der Hälfte der Frequenz, bei der sich die zwei Kurven schneiden. Diese Berechnung von C_F ist in Gleichung 4 zu sehen:

 Gleichung 4

Hierbei ist f_GBW das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite für den Verstärker. Mit Gleichung 4 ergibt sich außerdem ein Phasenrand von 65 Grad.

Der Elektrometerverstärker ADA4530-1ARZ-R7 mit Eingangsruhestrom fA von Analog Devices hat einen maximalen Eingangsruhestrom von ±20 fA, eine Eingangs-Offset-Spannung von 50 Mikrovolt (µV) und einen Wert von 1 Megahertz (MHz) für f_GBW, wobei C_CM plus C_DIFF gleich 8 Pikofarad (pF) ist. Die Komponenten außerhalb des Verstärkers – R_F, C_RF und C_PD – haben Werte von 10 GΩ, 5 pF bzw. 1 pF.

Konzeptnachweis: Spektrophotometer als Detektor

Wie bereits erwähnt, detektiert eine aus Photodiode und Präzisionsverstärker bestehende Schaltung den durch auf die Photodiode treffende Photonen erzeugten Strom und wandelt ihn in eine nutzbare Spannung um. Ein hochauflösender Analog/Digital-Wandler (ADC) wandelt die Ausgangsspannung des Verstärkers dann in eine digitale Anzeige um. Abbildung 6 zeigt das Funktionsschema für diese Schaltung. Das als Detektorstufe fungierende Spektrophotometer muss Photodiodenströme im Bereich von Femtoampere mit einem präzisen analogen Frontend messen. Der Eingangsruhestrom des TIA muss den Anforderungen in Bezug auf einen niedrigen Eingangsruhestrom entsprechen.

Abbildung 6: Diese Abbildung zeigt eine TIA-Schaltung für ein als Detektor im Femtoampere-Bereich fungierendes Spektrophotometer auf der Basis des Elektrometerverstärkers ADA4530-1ARZ-R7 mit einem Eingangsruhestrom im Femtoampere-Bereich, für die eine Mezzanine-Karte (links) mit geringem Leckstrom in Kombination mit einer Datenerfassungskarte (rechts) verwendet wird. (Bildquelle: Bonnie Baker)

In der abgebildeten TIA-Schaltung werden zwei Karten verwendet: eine Mezzanine-Karte mit geringem Leckstrom und eine Datenerfassungskarte. Auf der Mezzanine-Karte befinden sich die Photodiode (D_PD), der Operationsverstärker ADA4530-1 mit extrem niedrigem Eingangsruhestrom, der überaus hohe Rückkopplungswiderstand (ein 10-GΩ-Glaswiderstand) sowie ein Rückkopplungskondensator (C_F), um die Basisausführung einer TIA-Schaltung zu erhalten.

Die entsprechenden Eingangskomponenten für dieses hochempfindliche analoge Frontend sind Photodioden oder Photomultiplier-Röhren. Die Messdiode (D_PD) ist mit den differenziellen Eingangs-Pins des ADA4530-1 verbunden. Ein in den ADA4530-1 integrierter Schutzpuffer sorgt dafür, dass sein Eingangsruhestrom von ±20 fA niedrig bleibt, indem er die Eingangs-Pins von den Leckströmen der Leiterplatte isoliert.

Für den in diesem Artikel durchgeführten Test handelt es sich bei der Mezzanine-Karte (EVAL-CN0407-1-SDPZ) um eine Karte mit niedrigem Leckstrom auf der Basis eines Hybrid-Laminats aus FR-4 und Rogers 4350B. Die äußeren Lagen sind aus Keramik (Rogers 4350B) und die inneren aus einem standardmäßigen Glasepoxid-Laminat (FR-4). Im Vergleich zu Glas- oder Epoxid-Materialien ist Rogers 4350B ein besserer Isolator (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die in dieser TIA-Schaltung verwendete Mezzanine-Karte mit niedrigem Leckstrom besteht aus einem Hybrid-Laminat aus FR-4 und Roges 4350B. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 7 minimiert das Material Rogers 4350B außerdem den Leckstrom und bietet im Vergleich zu Glas- oder Epoxid-Dielektrika sehr viel kürzere dielektrische Relaxationszeiten.

ADC und Spannungsreferenz

Auf der Datenerfassungskarte befinden sich ein ADC AD7172-2 von Analog Devices, ein Netzteilmodul, die Referenzspannung des ADC und eine isolierte digitale Schnittstelle. Der ADC ist ein 24-Bit-Delta-Sigma(Ʃ-Δ)-ADC, der bei einer Wandlungsrate von 5 Samples pro Sekunde (S/s) 24 rauschfreie Bits bietet.

Der Ausgangsspannungsbereich der Mezzanine-Karte beträgt ±5 Volt. Mit der 2,5-Volt-Spannungsreferenz ADR4525BRZ-R7 von Analog Devices beträgt der Eingangsspannungsbereich des ADC AD7172-2 ±2,5 Volt. Der abgestimmte Widerstandsteiler mit einem Teilerverhältnis von 10 kΩ/10 kΩ dämpft den Ausgang der Mezzanine-Karte um den Faktor zwei. Zur Minimierung der ADC-Offsetfehler schließt der ADG1419BRMZ-REEL7 von Analog Devices, ein Schalter vom Typ „Single Pole Double Throw“ (SPDT), den Eingang des Widerstandsteilers nach Masse kurz. Durch diese Konfiguration werden die gemessenen Offsetfehler von ADC und Spannungsteiler eliminiert. Der restliche Offset wird von der Schaltung des ADA4530-1 erzeugt.

Energiemanagement

Das Energiemanagement der als Detektor im Femtoampere-Bereich fungierenden Spektrophotometer-Stufe versorgt alle Komponenten auf der Mezzanine- und der Datenerfassungskarte. Das Energiemanagement auf der Datenerfassungskarte nutzt ein externes 9-Volt-DC-Netzteil (Abbildung 8).

Abbildung 8: Über ein externes 9-Volt-Netzteil versorgt der Leistungsteil des als Detektor im Femtoampere-Bereich fungierenden Spektrophotometers alle Komponenten auf der Mezzanine- und der Datenerfassungskarte über Low-Dropout-Regler (LDOs) von Analog Devices. (Bildquelle: Analog Devices)

Der Eingangskreis vom externen 9-Volt-Netzteil zu den Leistungs-ICs der Karte beinhaltet einen Schutz vor Überspannungstransienten und Sperrspannung. Drei rauscharme lineare LDO-Regler ADP7118ACPZN-R7 von Analog Devices erzeugen 5 Volt für den Verstärker ADA4530-1, 2,5 Volt für das analoge ADC-Frontend AD7172-2 und 3,3 Volt für die digitalen Ein-/Ausgangsleitungen und die digitalen Isolatoren ADUM3151BRSZ-RL7.

Test der Detektorschaltung mit Spektrophotometer

Die Mezzanine-Karte sitzt auf der Datenerfassungskarte (siehe Abbildung 9).

Abbildung 9: Die Mezzanine- und die Datenerfassungskarte, bevor die Mezzanine-Karte abgeschirmt wird. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 9 ist die Mezzanine-Karte ohne Abschirmung zu sehen. Angebracht verhindert die Abschirmung Störungen an der Eingangsstufe des Verstärkers ADA4530-1.

Um mit dem Test zu beginnen, müssen das 9-Volt-Netzteil angeschlossen und die Evaluierungssoftware EVAL-CN0407-SDPZ im Bereich „Circuit Evaluation & Test“ auf der Support-Website von Analog Devices heruntergeladen werden.

Sobald die Software installiert wurde und läuft, wird die Karte konfiguriert, um das ADC-Rauschen zu testen. Wählen Sie für das beste Rauschverhalten die niedrigste akzeptable Abtastrate aus. Beispielsweise produziert das Systemrauschen beim Abtasten mit 0,83 S/s für 120 Minuten einen Effektivwert (rms) des Rauschens von 1,4 fA mit einem DC-Wert von –150 Attoampere (aA) (Abbildung 10).

Abbildung 10: Wählen Sie für das bestmögliche Rauschverhalten des Femtoampere-Messsystems die niedrigste akzeptable Abtastrate aus. Das Beispiel zeigt das Systemrauschen beim Abtasten mit 0,83 S/s für 120 Minuten. Hierdurch wird ein Effektivwert (rms) des Rauschens von 1,4 fA mit einem DC-Wert von –150 aA produziert. (Bildquelle: Analog Devices)

Das thermische Rauschen des 10-GΩ-Widerstands dominiert mit 12,87 µV/√Hz das Systemrauschen. Um dem entgegenzuwirken, kann mit der Überabtastung des ADC das höhere Frequenzrauschen aus den Ergebnissen herausgefiltert werden.

Fazit:

Spektrophotometrische Geräte analysieren Gase oder Flüssigkeiten quantitativ auf feine Verunreinigungen oder Verfärbungen. Die Herausforderung für die Entwickler besteht im Design einer rauscharmen Frontend-Elektronik mit extrem niedrigem Strombedarf, durch die Messstörungen der Messgeräte minimiert werden.

Auf der Suche nach einer realisierbaren Spektrophotometrielösung hat sich gezeigt, dass eine TIA-Konfiguration bestehend aus einem Femtoampere-Verstärker ADA4530-1 und einem 24-Bit-Delta-Sigma-(ΔƩ)-ADC AD7172-2 für eine hochpräzise und robuste Lösung verwendet werden kann. Innovative Layout- und Kartenfertigungsverfahren unterstützen die Realisierung einer endgültigen Lösung mit geringem Rauschen.