Cómo usar LTspice para determinar el rendimiento de ruido de la fotodetección durante el diseño de instrumentos sensibles

Las cadenas de señal de ancho de banda amplio de precisión de Analog Devices Inc. y el software del simulador LTspice ayudan a los diseñadores con la selección y evaluación de dispositivos. Cada cadena de señal brinda información y conocimiento de aplicaciones de ADI al aprovechar décadas de experiencia y su cartera analógica.

Las cadenas de señal de ancho de banda amplio de precisión brindan una medición de CA-CC de alta precisión y un rendimiento de accionamiento. Los tres diagramas de bloques (corriente y voltaje, accionamiento de corriente y voltaje, y mediciones de luz) presentan cadenas de señales individuales, cada una de las cuales está lista para una variedad de optimizaciones específicas de la aplicación para relación señal-ruido (SNR), linealidad de CC, rendimiento del tiempo de estabilización, latencia de medición/bucle cerrado y mediciones de distorsión armónica total (THD).

El diagrama de bloques de medición de luz coincide con las aplicaciones de citometría de flujo, espectrometría, análisis químico e instrumentos analíticos (Figura 1).

Figura 1: Diagrama de bloques de medición de luz de ancho de banda amplio de precisión para citometría de flujo, espectrometría u otras aplicaciones de medición analítica. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Esta solución combina los amplificadores de transimpedancia de precisión (TIA) de ADI, el filtrado analógico, una referencia de voltaje y un convertidor de analógico a digital (ADC).

Medición de luz

El TIA debe tener una corriente de polarización de entrada extremadamente baja, poco ruido y un ancho de banda muy amplio para ser adecuado para equipos de citometría de flujo. Un amplificador adecuado para esta función es el amplificador operacional LTC6268H-10 de Analog Devices (amplificador operacional) con su corriente de polarización ultrabaja y entrada FET de 4 gigahercios (GHz) (Figura 2). Se muestra su respuesta de frecuencia (derecha), cuando se configura como un TIA con una resistencia de retroalimentación de 20 kilohmios (kΩ).

Figura 2: La baja corriente de polarización de entrada, el bajo ruido y el ancho de banda amplio del amplificador LTC6268H-10 lo hacen adecuado para su uso como TIA. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En la Figura 2, el fotodetector (PD) tiene polarización inversa para reducir la capacitancia parásita, y la capacitancia parásita de retroalimentación (C) captura la capacitancia parásita de la placa de circuito impreso y la resistencia de retroalimentación. Es fundamental que la corriente de polarización de entrada del amplificador operacional LTC6268H-10 no cree un error de CC significativo a medida que fluye a través de la resistencia de retroalimentación. El LTC6268H-10 cumple este criterio con una corriente de polarización de entrada extremadamente baja de ±4 picoamperios (pA). La especificación de bajo nivel de ruido del LTC6268H-10 es igual a 4 nanovoltios por raíz cuadrada de Hz (nV/√Hz) a 1 megahercio (MHz).

La citometría de flujo de alta velocidad requiere que los dispositivos de ruta de señal tengan un ancho de banda amplio para una velocidad de respuesta rápida. El ancho de banda del LTC6268H-10 en este circuito es de 210 MHz, lo que se traduce en una velocidad de respuesta de ~1000 voltios por microsegundo (voltios/µs).

Finalmente, la especificación más crítica es la densidad de ruido, que debe ser al menos tres veces menor que la densidad de ruido del ADC. La densidad de ruido de entrada del LTC6268-10 es de 4.0 nV/√Hz a 1 MHz. El ciclo de retroalimentación del amplificador operacional gana este ruido. Además, una resistencia de retroalimentación de 20 kΩ que eclipsa también produce ruido directamente en la salida del amplificador.

La contribución de densidad de ruido (V_FB) de la resistencia de retroalimentación de 20 kΩ, que a frecuencias más altas domina la contribución de ruido de la etapa del TIA, es igual a:

La responsabilidad de la tercera y cuarta función en el diagrama de bloques de la Figura 2 es convertir la señal de salida del TIA en una representación digital. Las funciones combinadas tercera, cuarta y de referencia crean una solución de adquisición de datos. Esta solución integra el filtro, el amplificador del controlador, la referencia de voltaje y el ADC (Figura 3).

Figura 3: El ADAQ23876 forma una solución de adquisición de datos y se muestra como una configuración de entrada de un solo extremo con una ganancia de 1.38. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En la Figura 3, el ADAQ23876 de Analog Devices tiene un ADC de registro de aproximaciones sucesivas (SAR) de 16 bits y 15 millones de muestras por segundo (MSPS) que proporciona resultados de latencia cero. El amplificador diferencial completo (FDA) de la entrada tiene un R_IN y C_IN de 1,407 Ω y 3.3 picofaradios (pF), respectivamente, para crear un filtro de paso bajo de primer orden.

Este sistema simplifica el controlador ADC del diseñador de circuitos y los desafíos de diseño al resolver los problemas internamente con el dispositivo completamente integrado. Para esta aplicación, la configuración ADAQ23876 atiende a una sola señal de entrada e implementa una ganancia interna de 1.38, donde la relación señal-ruido (SNR) típica es de 88.8 decibeles (dB).

Simulaciones LTspice para análisis de circuitos

LTspice es un software del simulador SPICE de alto rendimiento que tiene capacidad de captura de esquemas gráficos. Puede sondear esquemas para obtener resultados de simulación y explorarlos a través del visor de forma de onda incorporado de LTspice.

La respuesta al ruido de un circuito es a menudo una combinación de los componentes individuales en un esquema específico. La función de análisis de ruido de LTspice lo ayuda a derivar la respuesta al ruido. Para demostrarlo, este blog utiliza un circuito de medición de luz con un fotodiodo, TIA y modelos de solución de adquisición de datos (Figura 4).

Figura 4: Este modelo de simulación utiliza el amplificador operacional FET LTC6862-10 y la solución de adquisición de datos ADAQ23876 para producir respuestas al ruido. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En la Figura 4, el modelo de fotodiodo representa un sensor de silicio Optoelectronics FCI-125G-006 de 1.25 gigabits por segundo (Gbit/s). El FCI-125G-006 tiene una capacitancia parásita de polarización inversa de 0.66 pF. El amplificador único de elección del TIA, el LTC6268H-10, es estable en ganancias de bucle cerrado superiores a 10 voltios/voltio (V/V) y tiene una especificación de amplio rango de temperatura de -40 °C a 125 °C.

El ADAQ23876 utiliza tecnología de sistema en paquete (SIP) que reduce el número de componentes del sistema y la complejidad del diseño al combinar varios bloques comunes de procesamiento y acondicionamiento de señales en un solo dispositivo.

Resultados de ruido de medición de luz

Una simulación de ruido de barrido de CA es útil para confirmar la resolución de ADC del circuito total. La simulación considera capacitancias y resistencias parásitas para producir resultados completos de ruido en todo el espectro de frecuencia de la aplicación. La contribución de ruido en todo el espectro de frecuencias del circuito de aplicación total (ADAQ23876 + LTC6268 + FCI-125G-006) se muestra como 124.49 microvoltios (µV) rms (Figura 5).

Figura 5: Ruido del ADC de 16 bits ADAQ23876 y el TIA LTC6268, que se muestra con el ruido total de ambos dispositivos. (Fuente de imagen: LTspice, Bonnie Baker)

La contribución de ruido RMS total a lo largo del espectro de frecuencia de la simulación aparece cuando el usuario hace clic con la tecla Ctrl izquierda en el nombre de la curva en la parte superior del gráfico (Figura 6).

Figura 6: El ruido total en el área bajo la curva depende del rango de frecuencia de simulación y del valor de generación de ruido de los dispositivos. Un simple clic con la tecla Ctrl izquierda proporciona este valor rms. (Fuente de imagen: LTspice, Bonnie Baker)

La producción de ruido del ADAQ23876 en todo el espectro de frecuencias es igual a 71.79 µVRMS. En este gráfico, la contribución de ruido puntual de voltaje de 1 MHz del ADC es de aproximadamente 12 nV/√Hz. El ruido puntual, que tiene un ancho de banda de 1 Hz, aparece en la parte inferior izquierda mientras se desplaza sobre la curva.

La contribución de ruido del TIA LTC6268 en todo el espectro de frecuencias en su pin de salida es de 100.28 µVRMS. El ruido puntual de 1 MHz a la salida del TIA es de aproximadamente 18.5 nV/√Hz.

Entonces, la pregunta más crítica es, ¿qué significa esto en términos de la resolución del sistema total?

Conclusión

Para la instrumentación basada en fotometría, se puede combinar un fotodiodo, un TIA como el LTC6268 y el módulo ADAQ23876 de 16 bits y 15 MSPS para simplificar el diseño de un sistema completo de adquisición de datos de alta precisión y alta velocidad. Junto con la herramienta de simulación LTspice, la combinación libera al diseñador de los tediosos cálculos de ruido, el diseño de la placa de circuito impreso de alta velocidad y los dolores de cabeza por el conteo de chips para aplicaciones de precisión como la citometría de flujo.