Verwendung von LTspice zur Bestimmung des Rauschverhaltens von Fotoempfängern bei der Entwicklung empfindlicher Messgeräte

Die präzisen Breitbandsignalketten und die Simulator-Software LTspice der Analog Devices Inc. unterstützen Entwickler bei der Auswahl und Bewertung von Bauelementen. Jede Signalkette bietet Einblicke und das Anwendungswissen der ADI-Ingenieure und greift auf die jahrzehntelange Erfahrung und das branchenführende Analog-Portfolio des Herstellers zurück.

Die präzisen Breitbandsignalketten ermöglichen eine hochpräzise AC/DC-Messung und hohe Treiberleistung. Die drei Blockdiagramme (Strom- und Spannungs-, Treiberstrom- und -spannungs- und Lichtmessungen) stellen einzelne Signalketten dar, die jeweils für eine Vielzahl von anwendungsspezifischen Optimierungen in Bezug auf Messungen von Rauschabstand, DC-Linearität, Einschwingverhalten, Regel-/Messlatenz und Gesamtklirrfaktor vorbereitet sind.

Das Blockdiagramm der Lichtmessung eignet sich für Anwendungen in Durchflusszytometrie, Spektrometrie, chemischen Analyse und analytischen Instrumenten (Abbildung 1).

Abbildung 1: Blockdiagramm zur präzisen Breitband-Lichtmessung für Durchflusszytometrie, Spektrometrie oder andere analytische Messanwendungen. (Bildquelle: Analog Devices)

Diese Lösung kombiniert die hochpräzisen Transimpedanzverstärker (TIA) von ADI mit analoger Filterung sowie einer Spannungsreferenz und einem Analog/Digital-Wandler (ADC).

Lichtmessung

Der Transimpedanzverstärker muss einen extrem niedrigen Eingangsvorstrom, geringes Rauschen und eine sehr große Bandbreite aufweisen, um für Durchflusszytometriegeräte geeignet zu sein. Ein geeigneter Verstärker für diese Funktion ist der Operationsverstärker (OV) LTC6268H-10 von Analog Devices mit seinem extrem niedrigen Vorstrom und einem FET-Eingang mit 4 Gigahertz (GHz) (Abbildung 2). Sein Frequenzgang bei Konfiguration als Transimpedanzverstärker mit einem Rückkopplungswiderstand von 20 Kilohm (kΩ) ist rechts dargestellt.

Abbildung 2: Der Verstärker LTC6268H-10 eignet sich aufgrund seines geringen Eingangsvorstroms, seines geringen Rauschens und seiner großen Bandbreite für den Einsatz als Transimpedanzverstärker. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 2 weist der Fotodetektor (PD) eine Sperrvorspannung auf, um die parasitäre Kapazität zu verringern, während die parasitäre Rückkopplungskapazität (C) die parasitäre Kapazität der Leiterplatte und des Rückkopplungswiderstands abdeckt. Es ist wichtig, dass der Eingangsvorstrom des Operationsverstärkers LTC6268H-10 keinen signifikanten Gleichstromfehler erzeugt, wenn er durch den Rückkopplungswiderstand fließt. Der LTC6268H-10 erfüllt dieses Kriterium mit einem extrem niedrigen Eingangsvorstrom von ±4 Picoampere (pA). Die Rauscharmut des LTC6268H-10 wird mit 4 Nanovolt pro Hertz-Wurzel (nV/√Hz) bei 1 Megahertz (MHz) spezifiziert.

Die Hochgeschwindigkeits-Durchflusszytometrie erfordert Signalpfadkomponenten mit großer Bandbreite für eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit. Die Bandbreite des LTC6268H-10 in dieser Schaltung beträgt 210 MHz, was einer Anstiegsrate von ca. 1000 Volt pro Mikrosekunde (Volt/µs) entspricht.

Die kritischste Spezifikation ist schließlich die Rauschdichte, die mindestens dreimal niedriger sein muss als die Rauschdichte des A/D-Wandlers. Die Eingangsrauschdichte des LTC6268-10 beträgt 4,0 nV/√Hz bei 1 MHz. Die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers verstärkt dieses Rauschen. Zusätzlich erzeugt ein überlagernder 20-kΩ-Rückkopplungswiderstand Rauschen direkt am Ausgang des Verstärkers.

Der Rauschdichtebeitrag (V_FB) des 20-kΩ-Rückkopplungswiderstands, der bei höheren Frequenzen den Rauschbeitrag der Transimpedanzverstärkerstufe dominiert, ist gleich:

Die dritte und vierte Funktion im Blockdiagramm in Abbildung 2 haben die Aufgabe, das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers zu digitalisieren. Die kombinierte dritte und vierte Funktion sowie die Referenzfunktion bilden eine Datenerfassungslösung. Diese Lösung enthält den Filter, den Treiberverstärker, die Spannungsreferenz und den A/D-Wandler (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das µModule ADAQ23876 ist eine Datenerfassungslösung und wird hier in der Konfiguration mit asymmetrischem Eingang und einer Verstärkung von 1,38 dargestellt. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 3 ist das µModule ADAQ23876 von Analog Devices mit einem 16-Bit-SAR-Wandler (sukzessive Approximation) mit 15 Mega-Samples pro Sekunde (MS/s) ausgestattet, der Ergebnisse latenzfrei liefert. Der volldifferenzielle Verstärker am Eingang weist einen R_IN und eine C_IN von 1.407 Ω bzw. 3,3 Picofarad (pF) auf, um einen Tiefpassfilter 1. Ordnung zu erhalten.

Dieses System vereinfacht die Herausforderungen des Schaltungsentwicklers bei der Ansteuerung und dem Layout des A/D-Wandlers, indem es die Probleme intern mit dem vollständig integrierten Baustein löst. Für diese Anwendung ist die Konfiguration des ADAQ23876 auf ein einzelnes Eingangssignal ausgerichtet und implementiert eine interne Verstärkung von 1,38, wobei der typische Rauschabstand 88,8 Dezibel (dB) beträgt.

LTspice-Simulationen für die Schaltkreisanalyse

LTspice ist ein leistungsfähiger SPICE-Simulator mit der Möglichkeit der grafischen Schaltplanerstellung. Sie können Schaltpläne simulieren und diese mit dem in LTspice integrierten Wellenform-Viewer untersuchen.

Das Rauschverhalten einer Schaltung ist oft eine Kombination der einzelnen Komponenten in einem bestimmten Schaltplan. Die Rauschanalysefunktion von LTspice hilft bei der Ableitung des Rauschverhaltens. Zur Veranschaulichung wird in diesem Blog eine Lichtmessschaltung mit Modellen einer Fotodiode, eines Transimpedanzverstärkers und einer Datenerfassung simuliert (Abbildung 4).

Abbildung 4: Dieses Simulationsmodell verwendet den FET-Operationsverstärker LTC6862-10 und das µModule ADAQ23876 zur Simulation des Rauschverhaltens. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 4 stellt ist Fotodiodenmodell ein Siliziumsensor FCI-125G-006 von Optoelectronics mit 1,25 Gigabit pro Sekunde (GBit/s). Der FCI-125G-006 besitzt eine Sperrschichtkapazität von 0,66 pF. Der als Transimpedanzverstärker gewählte Einzelverstärker LTC6268H-10 ist bei Kreisverstärkungen von mehr als 10 Volt/Volt (V/V) stabil und verfügt über einen großen Temperaturbereich von -40 °C bis 125 °C.

Das ADAQ23876 nutzt die System-in-Package-(SIP)-Technologie, die die Anzahl der Systemkomponenten und die Komplexität des Designs reduziert, indem sie mehrere gemeinsame Signalverarbeitungs- und -aufbereitungsblöcke in einem einzigen Baustein kombiniert.

Ergebnisse zum Rauschen bei der Lichtmessung

Eine AC-Sweep-Rauschsimulation ist hilfreich, um die A/D-Wandlerauflösung der gesamten Schaltung zu bestätigen. Die Simulation berücksichtigt parasitäre Kapazitäten und Widerstände, um vollständige Rauschergebnisse über das gesamte Frequenzspektrum der Anwendung zu erhalten. Der Rauschbeitrag über das gesamte Frequenzspektrum der gesamten Anwendungsschaltung (ADAQ23876 + LTC6268 + FCI-125G-006) wird mit 124,49 Mikrovolt (µV) rms angegeben (Abbildung 5).

Abbildung 5: Rauschen des 16-Bit-A/D-Wandlers und des Transimpedanzverstärkers LTC6268 des µModule ADAQ23876, dargestellt mit dem Gesamtrauschen der beiden Komponenten. (Bildquelle: LTspice, Bonnie Baker)

Der RMS-Gesamtrauschbeitrag über das Frequenzspektrum der Simulation wird angezeigt, wenn der Benutzer mit der linken Maustaste auf den Kurvennamen am oberen Rand der Darstellung klickt (Abbildung 6).

Abbildung 6: Das Gesamtrauschen in der Fläche unter der Kurve hängt vom Simulationsfrequenzbereich und dem Rauschwert der Komponenten ab. Der Effektivwerk kann per einfachem Linksklick bei gedrückter Strg-Taste angezeigt werden. (Bildquelle: LTspice, Bonnie Baker)

Das vom ADAQ23876 generierte Rauschen über das gesamte Frequenzspektrum beträgt 71,79 µVRMS. In dieser Darstellung beläuft sich der Beitrag des A/D-Wandlers zum 1-MHz-Spannungspunktrauschen auf etwa 12 nV/√Hz. Das Punktrauschen, das eine Bandbreite von 1 Hz aufweist, erscheint unten links, wenn der Mauspfeil über die Kurve bewegt wird.

Der Rauschbeitrag des Transimpedanzverstärkers LTC6268 über das gesamte Frequenzspektrum beträgt an seinem Ausgangspin 100,28 µVRMS. Das 1-MHz-Punktrauschen am Ausgang des Verstärkers beläuft sich auf etwa 18,5 nV/√Hz.

Die wichtigste Frage ist also, was dies für die Auflösung des Gesamtsystems bedeutet.

Fazit

Für photometrische Messgeräte können eine Fotodiode, ein Transimpendanzverstärker wie der LTC6268 und das μModule ADAQ23876 (16 Bit, 15 MS/s) kombiniert werden, um den Aufbau eines hochpräzisen, schnellen und kompletten Datenerfassungssystems zu vereinfachen. Nutzen Entwickler dann noch das LTspice nimmt ihnen diese Kombination mühsame Rauschberechnungen, das schnelle Leiterplattenlayout und die Schaltkreisrationalisierung bei Präzisionsanwendungen wie der Durchflusszytometrie ab.