Come implementare un circuito di rilevamento spettrofotometrico ad alta sensibilità

Le crescenti preoccupazioni per la qualità dell'acqua e dell'aria hanno spinto i progettisti di strumentazioni di spettrofotometria analitica e di laboratorio ad analizzare le quantità di contaminanti sempre più sottili o la colorazione di gas o liquidi. Tuttavia, a livelli sempre più minuscoli sono necessari metodi di rilevamento altrettanto sensibili per misurare l'intensità della luce assorbita o riflessa quando la sostanza in esame passa attraverso una soluzione campione.

I progettisti si trovano così a dover progettare componenti elettronici front-end a basso rumore e bassissima corrente che riducano al minimo le interferenze di misurazione con i dispositivi di rilevamento. I circuiti con amplificatori a transimpedenza (TIA) standard dotati di fotodiodi front-end non sono abbastanza precisi da soddisfare i requisiti di sensibilità sempre più elevati degli spettrofotometri analitici.

Per molti progettisti, la cosa migliore è di semplicemente alterare i circuiti esistenti. Questa tecnica di progettazione riduce il costo complessivo garantendo al contempo le maggiori possibilità di successo.

Questo articolo prende in esame i requisiti di un circuito TIA per un fotodiodo ad alta precisione e bassa corrente. Per gestire correnti dei fotodiodi estremamente basse, presenteremo gli elementi critici della catena di segnali, incluso un amplificatore front-end a basso rumore ADA4530-1ARZ-R7 di Analog Devices e un convertitore analogico/digitale (ADC) ad alta precisione AD7172-2BRUZ, oltre alle tecniche di layout ottimali. Quindi viene descritto come realizzare da zero un progetto usando un progetto di riferimento che combini elementi correttamente abbinati in una configurazione pratica.

Spettrofotometria

La spettrofotometria applica l'analisi quantitativa in vari campi, ad esempio chimica, biochimica, fisica, ingegneria chimica e dei materiali. Questa tecnica misura l'assorbimento o la riflessione della luce incidente su una sostanza, in questo caso di una sostanza sospesa in acqua. Il dispositivo di misurazione rileva l'intensità di un fascio di luce quando passa attraverso una soluzione campione. Un tipico spettrofotometro comprende una sorgente luminosa, un collimatore, un monocromatore, un selettore di lunghezza d'onda, una cuvetta per la soluzione campione, un rilevatore fotoelettrico e un display digitale o un misuratore (Figura 1).

Figura 1: Uno spettrofotometro sfrutta il fatto che ogni sostanza chimica possa essere individuata in base al modo in cui assorbe, trasmette o riflette uno specifico intervallo di lunghezze d'onda della luce. (Immagine per gentile concessione di Chemistry LibreTexts)

Nella Figura 1, il collimatore, il monocromatore e il selettore di lunghezza d'onda producono la lunghezza d'onda desiderata da una sorgente luminosa. Il collimatore indirizza un fascio di luce diritto verso il monocromatore. Il monocromatore o prisma crea diverse lunghezze d'onda o uno spettro di luce. Il selettore della lunghezza d'onda (fessura guida) filtra il segnale di luce fino a una ristretta banda selezionata di lunghezze d'onda. Il risultante segnale di luce incidente (Io) va quindi a colpire una soluzione campione tenuta in una cuvetta, un contenitore a pareti diritte otticamente trasparente contenente i campioni del liquido.

Dopo che la lunghezza d'onda desiderata è passata attraverso la soluzione campione nella cuvetta, la luce trasmessa (It) viene acquisita da un fotorilevatore, che rileva il numero di fotoni emergenti. Il segnale viene elaborato ulteriormente e trasferito a un display digitale.

Ogni composto chimico assorbe, trasmette o riflette un intervallo specifico di lunghezze d'onda della luce. Le apparecchiature di spettrofotometria misurano il tipo e la quantità di una sostanza chimica attraverso l'assorbimento o la trasmissione misurando l'intensità della luce che esce dalla soluzione campione.

Esistono due tipi di spettrofotometri, in base all'intervallo di lunghezze d'onda del monocromatore:

1. lo spettrofotometro visibile nell'ultravioletto (UV), con un intervallo di lunghezze d'onda diviso in due - da 185 a 400 nanometri (nm) e un intervallo visibile da 400 a 700 nm;
2. lo spettrofotometro a infrarossi (IR), con una lunghezza d'onda compresa tra 700 e 15.000 nm.

La spettrofotometria ha moltissime applicazioni. In biochimica, ad esempio, viene utilizzata per analizzare le reazioni catalizzate da un enzima. Questa tecnica è impiegata anche per esaminare clinicamente campioni di sangue o di tessuto. Altri esempi di spettrofotometria comprendono la spettrofotometria di emissione atomica e la spettrofotometria di assorbimento atomico.

Stadio del fotorilevatore

Un classico stadio del fotorilevatore utilizza un fotosensore come un fotodiodo al silicio o un fotomoltiplicatore per convertire la luce in una piccola corrente. Un amplificatore operazionale segue poi il sensore ottico per convertire questa piccola corrente in una tensione utilizzabile. In termini semplici, questa è la descrizione di un TIA di base.

I componenti critici di un circuito TIA sono il fotodiodo, un amplificatore operazionale a bassa corrente di polarizzazione in ingresso, un resistore di retroazione (R_F) e un condensatore di retroazione stabilizzante (C_F) (Figura 2).

Figura 2: Un TIA di base converte una piccola corrente del sensore (I_PD) da un fotodiodo in una tensione utilizzabile. I componenti critici sono il fotodiodo (D_PD), un amplificatore operazionale a bassa corrente di polarizzazione in ingresso, un resistore di retroazione (R_F) e un condensatore di retroazione stabilizzante (C_F). (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

Nella Figura 2, il fotodiodo viene selezionato per rilevare gli intervalli di lunghezze d'onda UV visibili o IR. L'amplificatore operazionale ha ingressi ad alta impedenza con una corrente di polarizzazione in ingresso minima, con intervalli che vanno da decine di picoampere a decine di femtoampere. R_F può andare da centinaia di kiloohm (kΩ) a decine di gigaohm (GΩ) ed è sufficientemente alto da convertire la corrente del fotodiodo (I_PD) nell'intervallo della tensione di uscita completo dell'amplificatore. C_F, il cui valore dipende dal rapporto tra la larghezza di banda dell'amplificatore, la capacità di ingresso e la capacità parassita del fotodiodo, stabilisce il margine di fase del TIA.

La difficoltà principale di un progetto TIA è garantire la stabilità del circuito. Questa analisi valuterà la funzione di trasferimento del TIA con un diagramma di Bode.

Quello raffigurato è un tipico circuito TIA (Figura 3). La stabilità del circuito dipende dall'equilibrio tra il guadagno dell'amplificatore e le caratteristiche della larghezza di banda (A_OL(jw)), i due resistori del circuito e sei condensatori.

Figura 3: Nel modello di un circuito di fotorilevamento TIA, ai fini della stabilità occorre bilanciare il guadagno dell'amplificatore e le caratteristiche della larghezza di banda (A_OL(jw)), i due resistori del circuito e i sei condensatori. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

Nella Figura 3, il modello del fotodiodo ha un diodo ideale con la sorgente di corrente indotta dalla luce (I_PD), capacità di giunzione parassita (C_PD) e impedenza di giunzione parassita (R_PD). Le altre capacità parassite nel TIA che influiscono sulla stabilità del circuito sono la capacità di ingresso di modo comune dell'amplificatore (C_CM), la capacità di ingresso differenziale (C_DM) e la capacità parassita del resistore di retroazione (C_RF) (Figura 4).

Figura 4: Definizione delle resistenze e delle capacità nel circuito TIA secondo il modello nella Figura 3. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

La funzione di trasferimento del dominio della frequenza del TIA è data dall'Equazione 1:

 Equazione 1

Dove:

• A_OL(jw) è il guadagno dell'anello aperto dell'amplificatore nel campo di frequenza
• β è il fattore di retroazione del sistema, che equivale a 1/(1 + Z_IN/Z_F) dove:
• Z_IN è l'impedenza di ingresso distribuita e corrisponde a R_PD || jw(C_PD + C_CM + C_DIFF)
• Z_F è l'impedenza di retroazione distribuita e corrisponde a R_F || jw(C_RF + C_F)

Il diagramma di Bode aiuta a determinare la stabilità del circuito. Il diagramma di Bode appropriato per questo progetto ha il guadagno dell'anello aperto dell'amplificatore e la curva 1/β. Gli elementi del sistema che determinano la risposta in frequenza del guadagno di rumore (1/β) sono le correnti parassite del fotodiodo e l'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale (Z_IN), oltre ai componenti nell'anello di retroazione dell'amplificatore (R_F, C_RF e C_F) (Figura 5).

Figura 5: La velocità di chiusura tra la risposta in frequenza del guadagno dell'anello aperto e il reciproco del guadagno di retroazione (1/β) è di 20 decibel (dB)/decade. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

Nella Figura 5, la curva verde mostra il guadagno dell'anello chiuso del TIA, mentre la curva blu-verde mostra le prestazioni del guadagno dell'anello aperto di ADA4530-1. Nella curva di guadagno dell'anello chiuso del TIA, il guadagno in c.c. è uguale al guadagno non invertente del circuito amplificatore, dove il guadagno è uguale a 1 + R_F/R_PD. La prima variazione di frequenza con questa curva si verifica al primo zero (f_z), che dipende dalla rete di retroazione. La seconda variazione di frequenza della curva di guadagno dell'anello chiuso del TIA si verifica al primo polo (f_P), che dipende dalle correnti parassite del fotodiodo, da quelle dell'amplificatore e dagli elementi di retroazione. Questa curva di guadagno in teoria si appiattisce a un guadagno finale di 1 + (C_PD + C_CM + C_DIFF)/C_F. Per calcolare f_Z e f_P, vengono usate le Equazioni 2 e 3:

 Equazione 2

 Equazione 3

Il dato interessante, in questo circuito, è il punto in cui la curva A_OL(jw) interseca la curva 1/β. La velocità di chiusura tra queste due curve determina il margine di fase del sistema che, a sua volta, predice la stabilità.

Ad esempio, la velocità di chiusura delle due curve nella Figura 5 è di 20 dB/decade. La variazione di fase contribuita dall'amplificatore è pari a circa -90 gradi, mentre quella dal fattore di retroazione è di circa zero gradi. Aggiungendo la variazione di fase 1/β da quella A_OL(jw), la variazione del sistema è di -90 gradi e il margine di fase è di 90 gradi, il che determina un sistema stabile. Se la velocità di chiusura di queste due curve è di 40 dB/decade, a indicare una variazione di fase di -180 gradi e un margine di fase di zero gradi, il circuito oscillerà o risuonerà con un ingresso con funzione a gradino.

Esistono due modi per correggere l'instabilità del circuito: aggiungendo un condensatore di retroazione, C_F, oppure cambiando l'amplificatore per avere una diversa risposta in frequenza di A_OL, o diverse capacità di ingresso.

Un calcolo conservativo che consente la variazione della larghezza di banda dell'amplificatore e della capacità di ingresso, così come il valore del resistore di retroazione, colloca il polo del sistema di 1/β alla metà della frequenza in cui si intersecano le due curve. Questo calcolo per C_F è mostrato nell'Equazione 4:

 Equazione 4

Dove f_GBW è il prodotto del guadagno-larghezza di banda dell'amplificatore. Inoltre, l'Equazione 4 produce un margine di fase del sistema di 65 gradi.

Ad esempio, l'amplificatore con elettrometro a corrente di polarizzazione in ingresso fA ADA4530-1ARZ-R7 di Analog Devices ha una corrente di polarizzazione in ingresso massima di ±20 fA, una tensione di offset in ingresso di 50 microvolt (µV) e un f_GBW di 1 megahertz (MHz), con C_CM più C_DIFF che equivalgono a 8 picofarad (pF). I componenti all'esterno dell'amplificatore - R_F, C_RF e C_PD - sono rispettivamente 10 GΩ, 5 pF e 1 pF.

Proof of concept: rilevatore dello spettrofotometro

Come ricordato in precedenza, un fotodiodo/amplificatore di precisione rileva i fotoni incidenti sul fotodiodo e li converte in una tensione utilizzabile. Un ADC ad alta risoluzione converte quindi la tensione di uscita dell'amplificatore in una rappresentazione digitale. Lo schema funzionale è mostrato nella Figura 6. Lo stadio rilevatore dello spettrofotometro deve misurare le correnti dei fotodiodi nell'intervallo dei femtoampere con un front-end analogico di precisione. Le specifiche della corrente di polarizzazione in ingresso del TIA devono soddisfare questo requisito di bassa corrente di polarizzazione in ingresso.

Figura 6: Il circuito rilevatore fA TIA dello spettrofotometro basato sull'amplificatore con elettrometro a corrente di polarizzazione in ingresso fA ADA4530-1ARZ-R7 usa una scheda mezzanine a bassa dispersione (a sinistra) collegata a una scheda di acquisizione dati (a destra). (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

Il circuito TIA mostrato utilizza due schede: una mezzanine con bassa dispersione accoppiata a una scheda di acquisizione dati. Per formare un circuito TIA di base, la scheda mezzanine contiene il fotodiodo (D_PD), l'amplificatore operazionale a bassissima corrente di polarizzazione in ingresso ADA4530-1, il resistore con altissima retroazione (un resistore in vetro da 10 GΩ) e un condensatore di retroazione (C_F).

I dispositivi di ingresso appropriati per questo front-end analogico ad altissima sensibilità sono i fotodiodi oppure i sensori a tubo fotomoltiplicatore. Il diodo di rilevamento (D_PD) si accoppia sui pin di ingresso differenziale di ADA4530-1. Un buffer di protezione integrato in ADA4530-1 assicura che la corrente di polarizzazione in ingresso di ±20 fA resti bassa isolando i pin di ingresso dalla perdita della scheda CS.

Per il test eseguito in questo articolo, la mezzanine (EVAL-CN0407-1-SDPZ) è una scheda a bassa dispersione basata su un laminato ibrido FR-4 e Rogers 4350B. Gli strati esterni sono ceramici (Rogers 4350B), mentre quello interno è un laminato in resina epossidica vetrosa standard (FR-4). Il materiale Rogers 4350B è un isolante migliore del vetro o della resina epossidica (Figura 7).

Figura 7: La scheda mezzanine a bassa dispersione utilizzata in questa configurazione del TIA è un laminato ibrido FR-4 e Rogers 4350B. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 7, il materiale Rogers 4350B riduce al minimo anche la dispersione di corrente e, rispetto ai dielettrici di vetro o epossidici, ha tempi di rilassamento dielettrico molto più brevi.

ADC e riferimento di tensione

La scheda di acquisizione dati ha un ADC AD7172-2 di Analog Devices, un modulo di alimentazione, la tensione di riferimento dell'ADC e un'interfaccia digitale isolata. L'ADC è un ADC Σ-Δ a 24 bit che produce 24 bit senza rumore con una velocità di conversione di 5 campioni al secondo (sps).

L'intervallo della tensione di uscita della scheda mezzanine è di ±5 V. Con la tensione di riferimento di 2,5 V di ADR4525BRZ-R7 di Analog Devices, l'intervallo di ingresso dell'ADC AD7172-2 è di ±2,5 V. Il divisore resistivo abbinato da 10 kΩ/10 kΩ attenua l'uscita della scheda mezzanine, dimezzandola. Per ridurre al minimo gli errori di offset dell'ADC, un interruttore analogico unipolare a due vie (SPDT) ADG1419BRMZ-REEL7 di Analog Devices mette in cortocircuito l'ingresso del divisore resistivo a terra. Questa configurazione consente di eliminare l'errore di offset misurato dell'ADC e del divisore resistivo. Il circuito di ADA4530-1 genera l'offset rimanente.

Gestione energetica

La componente di gestione dell'alimentazione dello stadio del rilevatore fA dello spettrofotometro alimenta tutti i componenti sulle schede mezzanine e di acquisizione dati. La componente di gestione dell'alimentazione, sulla scheda di acquisizione dati, deriva la sua corrente da un alimentatore c.c. esterno a 9 V (Figura 8).

Figura 8: Utilizzando un ingresso esterno a 9 V, la componente di alimentazione del rilevatore fA dello spettrofotometro alimenta tutti i componenti sulle schede mezzanine e di acquisizione dati utilizzando i regolatori a bassa caduta di tensione (LDO) di Analog Devices. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il circuito di ingresso dall'ingresso esterno a 9 V ai CI di alimentazione della scheda include la protezione contro i transitori di sovratensione e la tensione inversa. Tre regolatori lineari LDO a basso rumore ADP7118ACPZN-R7 di Analog Devices generano 5 V per l'amplificatore ADA4530-1, 2,5 V per il front-end analogico ADC AD7172-2 e 3,3 V per le linee di ingresso/uscita digitali e gli isolatori digitali ADUM3151BRSZ-RL7 di Analog Devices.

Test del circuito rilevatore dello spettrofotometro

La scheda mezzanine si trova sopra la scheda di acquisizione dati, come mostrato nella Figura 9.

Figura 9: Schede mezzanine e di acquisizione dati combinate prima dell'applicazione di una schermatura attorno alla scheda mezzanine. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 9, la scheda mezzanine è raffigurata senza la schermatura. Una volta posizionata, la schermatura evita le interferenze nello stadio di ingresso dell'amplificatore ADA4530-1.

Per avviare il test, è necessario collegare l'alimentazione a 9 V e scaricare il software di valutazione EVAL-CN0407-SDPZ dalla sezione Circuit Evaluation & Test del sito di supporto di Analog Devices.

Una volta attivato il software, la scheda viene configurata per testare il rumore dell'ADC. Per ottimizzare le prestazioni di rumore, selezionare la frequenza di campionamento più bassa accettabile. Ad esempio, il rumore del sistema quando si effettua il campionamento a 0,83 sps per 120 minuti produce un rumore con un valore quadratico medio (rms) di base di 1,4 fA con un valore c.c. di -150 attoampere (aA) (Figura 10).

Figura 10: Per ottenere le migliori prestazioni di rumore dal sistema di misurazione fA, selezionare la velocità di campionamento più bassa accettabile. Ad esempio, quello raffigurato è il rumore del sistema durante il campionamento a 0,83 sps per 120 minuti, che produce un rumore con un valore quadratico medio (rms) di 1,4 fA, con un valore c.c. di -150 aA. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il rumore termico del resistore da 10 GΩ, pari a 12,87 μV/√Hz, dominerà il rumore del sistema. Per contrastarlo, la capacità di sovracampionamento dell'ADC può filtrare il rumore a frequenza superiore dai risultati.

Conclusione

La strumentazione spettrofotometrica analizza quantitativamente i contaminanti sottili o la colorazione di gas o liquidi. I progettisti si trovano così a dover progettare componenti elettronici front-end a basso rumore e bassissima corrente che riducano al minimo le interferenze di misurazione con i dispositivi di rilevamento.

È stato dimostrato che per creare una soluzione di spettrofotometria valida, robusta e ad alta precisione, si può utilizzare una configurazione del TIA comprendente un amplificatore fA ADA4530-1 e un ADC Σ-Δ AD7172-2 a 24 bit. Tecniche innovative per la realizzazione di layout e schede aiutano a creare la soluzione finale e a produrre un risultato a basso rumore.