Så implementerar du en avkänningskrets för spektrofotometri med hög känslighet

Den växande oron för vatten- och luftkvaliteten har motiverat designers av laboratorieinstrument och instrument för analytisk spektrofotometri för att kvantitativt analysera allt mer subtila föroreningar eller missfärgning i gaser eller vätskor. Men de allt mindre nivåerna kräver lika känsliga detekteringsmetoder för att mäta intensiteten för absorberat eller avlett ljus efter att den passerar genom en provtagningslösning.

Utmaningen för designers är att kunna utforma frontend-elektronik med lågt brus och ultralåg ström som minimerar mätinterferens med avkänningsenheter. Standardkretsar för transimpedansförstärkare (TIA) med frontend-fotodioder är inte tillräckligt exakta för att uppfylla de allt högre kraven på hög känslighet för analytiska spektrofotometrar.

För många designers är den bästa metoden att helt enkelt justera befintliga kretsar. Med hjälp av den här designtekniken minskas totalkostnaden och samtidigt säkerställs maximala förutsättningar för en lyckad design.

I den här artikeln diskuteras kraven för en TIA-krets för en fotodiod med hög precision och låg ström. För att tillgodose extremt låg fotodiodström introduceras det kritiska elementen för signalkedjan, inklusive Analog Devices ADA4530-1ARZ-R7-frontend-förstärkare med lågt brus och analog-till-digitalomvandlaren AD7172-2BRUZ med hög precision, tillsammans med optimala layoutmetoder. Därefter beskrivs hur du kommer igång med en design med hjälp av en referensdesign som kombinerar välmatchade element i en praktisk konfiguration.

Spektrofotometri

Spektrofotometri använder kvantitativ analys inom olika fält, till exempel kemi, biokemi och fysik samt kemi- och materialteknik. Den här metoden mäter det infallande ljusets absorption eller reflektion för ett ämne, i det här fallet ett ämne upplöst i vatten. Mätfixturen känner av ljuskänsligheten då en stråle passerar genom en provtagningslösning. En typisk spektrofotometer består av en ljuskälla, en kollimator, en monokromator, en våglängdsväljare, en kuvett för provtagningslösningen, en fotoelektrisk detektor och en digital display eller en mätare (figur 1).

Figur 1: En spektrofotometer drar nytta av att varje kemiska förening kan särskiljas av hur den absorberar, överför eller reflekterar ett visst intervall ljusvåglängder. (Bildkälla: Chemistry LibreTexts)

I figur 1 producerar kollimatorn, monokromatorn och våglängdsväljaren den önskade våglängden från en ljuskälla. Kollimatorn riktar en rak ljusstråle till monokromatorn. Monokromatorn eller prisman skapar flera våglängder eller ett ljusspektrum. Våglängdsväljaren (springan) filtrerar ljussignalen ned till ett smalt utvalt band av våglängder. Den resulterande signalen för infallande ljus (Io) träffar sedan en provtagningslösning i en kuvett, en optiskt klar behållare med raka sidor för att rymma vätskeprov.

När den önskade ljusvåglängden passerar genom kuvettens provtagningslösning detekteras det överförda ljuset (It) av en fotodetektor, som känner av antalet framväxande fotoner. Signalen bearbetas vidare för att slutligen gå till en digital display.

Varje kemiska förening absorberar, överför eller reflekterar ett visst intervall ljusvåglängder. Spektrofotometriutrustning mäter typen och mängden av ett kemiskt ämne genom absorption eller överföring genom att mäta ljusintensitetsproduktionen för provtagningslösningen.

Det finns två olika typer av spektrofotometrar, båda beroende av monokromatorns våglängdsintervall.

1. Den ultraviolettsynliga (UV) spektrofotometern med ett våglängdsintervall uppdelat i två: 185 till 400 nanometer (nm) och det synliga intervallet 400 till 700 nm.
2. IR-spektrofotometern, med ett våglängdsintervall på 700 till 1 5000 nm.

Tillämpningar för spektrofotometri finns i överflöd. Till exempel används spektrofotometri i biokemi för att analysera katalyserade enzymreaktioner. Metoden används även till att kliniskt undersöka blod eller vävnad. Andra spektrofotometrivarianter är atomemissionspektrofotometri och atomabsorptionsspektrofotometri.

Fotodetektorstadium

Ett klassiskt fotodetektorstadium använder en fotosensor, till exempel en kiselfotodiod eller fotomultiplikator för att omvandla ljus till en liten ström. En operationsförstärkare (op-förstärkare) följer sedan den optiska sensorn för att omvandla den lilla sensorströmmen till en användbar spänning. Kort sagt beskriver det här en enkel TIA.

De kritiska komponenterna i en TIA-krets är fotodioden, en op-förstärkare med låg ingångsbiaseringsström, ett återkopplingsmotstånd (R_F) och en stabiliserande återkopplingskondensator (C_F) (figur 2).

Figur 2: En enkel TIA omvandlar en lite sensorström (I_PD) från en fotodiod till en användbar spänning. De kritiska komponenterna är fotodioden (D_PD), en op-förstärkare med låg ingångsbiaseringsström, ett återkopplingsmotstånd (R_F) och en stabiliserande återkopplingskondensator (C_F). (Bildkälla: Bonnie Baker)

I figur 2 väljs fotodioden ut för att känna av UV-synliga intervall eller IR-våglängdsintervall. Op-förstärkaren har högimpedansingångar med minimal ingångsbiaseringsström, med intervall på tiotals pikoampere till tiotals femtoampere (fA). R_F kan sträcka sig från hundratals kiloohm (kΩ) till tiotals gigaohm (GΩ), och är tillräckligt högt för att omvandla fotodiodens ström (I_PD) till det fullständiga utgångsspänningsintervallet för förstärkaren. C_F, vars värde beror på förhållandet mellan förstärkarens bandbredd ingångskapacitans och parasitisk fotodiodskapacitans, etablerar fasmarginalen för TIA.

Den primära utmaningen i TIA-design är att säkerställa kretsstabilitet. Den här analysen utvärderar överföringsfunktionen för TIA med ett Bodediagram.

En typisk TIA-krets visas (figur 3). Kretsens stabilitet beror på åstadkommandet av en balans mellan förstärkarens förstärknings- och bandbreddsegenskaper (A_OL(jw)), kretsens två resistorer och sex kondensator.

Figur 3: I en TIA-fotoavkännningskretsmodell kräver stabilitet balansering av förstärkarens förstärknings- och bandbreddsegenskaper (A_OL(jw)), kretsens två resistorer och sex kondensatorer. (Bildkälla: Bonnie Baker)

I figur har fotodiodmodellen en idealisk diod med den ljusframkallade strömkällan (I_PD), parasitisk kopplingskapacitans (C_PD) och parasitisk kopplingsimpedans (R_PD). De övriga parasitiska kapacitanserna i TIA som påverkar kretsstabiliteten är förstärkarens common-mode-ingångskapacitans (C_CM), differentialingångskapacitansen (C_DM) och återkopplingsmotståndets parasitiska kapacitans (C_RF) (figur 4).

Figur 4: Definition av resistanserna och kapacitanserna i TIA-kretsen efter modellen i figur 3. (Bildkälla: Bonnie Baker)

Frekvensdomänöverföringsfunktionen för TIA anges enligt ekvation 1:

Ekvation 1

Där:

• A_OL(jw) är öppen slinga-förstärkningen för förstärkarens överfrekvensen
• β är systemåterkopplingsfaktorn, lika med 1/(1 + Z_IN/Z_F) där:
• Z_IN är den distribuerade ingångsimpedansen och lika med R_PD || jw(C_PD + C_CM + C_DIFF)
• Z_F är den distribuerade återkopplingsimpedansen och lika med R_F || jw(C_RF + C_F)

Bodediagrammet hjälper till att fastställa kretsens stabilitet. Det lämpliga Bodediagrammet för den här designen har förstärkarens öppen slinga-förstärkning och 1/β-kurvan. Systemelement som fastställer frekvenssvaret för brusförstärkning (1/β) är fotodiodens parasitära kapacitans och op-förstärkarens ingångsimpedans (Z_IN) samt komponenterna i förstärkarens återkopplingskrets (R_F, C_RF och C_F) (figur 5).

Figur 5: Stängningsförhållandet mellan öppen slinga-förstärkningens frekvenssvar och återkopplingsförstärkningsreciproken (1/β ) är 20 decibel (dB)/tiotal. (Bildkälla: Bonnie Baker)

I figur 5 visar den gröna kurvan sluten slinga-förstärkningen för TIA och den blågröna kurvan visar den prestanda för öppen slinga-förstärkning för ADA4530-1. I TIA-förstärkningskurvan för sluten slinga är förstärkningen vid likström lika med den ej växelriktande förstärkningen för förstärkarkretsen, där förstärkningen är lika med 1 + R_F/R_PD. Den första förändringen i frekvens med den här kurvan inträffar vid första noll (f_z), som är beroende av återkopplingsnätverket. Den andra förändringen i frekvens för TIA-förstärkningskurvan för sluten slinga inträffar vid den första polen (f_P), som är beroende av fotodiodens parasitära kapacitans, förstärkarens parasitära kapacitans och återkopplingselementen. Den här förstärkningskurvan planar teoretiskt ut vid den slutliga förstärkningen 1 + (C_PD + C_CM + C_DIFF)/C_F. För att beräkna f_Z används f_P, ekvation 2 och 3:

Ekvation 2

Ekvation 3

Det som är intressant i den här kretsen är var A_OL(jw)-kurvan skär 1/β-kurvan. Stängningsförhållandet mellan de här två kurvorna fastställer systemets fasmarginal och förutsäger, i sin tur, stabiliteten.

Till exempel är stängningsförhållandet för de två kurvorna i figur 5 20 dB/tiotal. Förstärkaren bidrar med ungefär en –90-gradig fasförskjutning och återkopplingsfaktorn bidrar med ungefär en nollgradig fasförskjutning. Genom att lägga till 1/β-fasförskjutning från A_OL(jw)-fasförskjutningen är systemets fasförskjutning –90 grader och fasmarginalen är 90 grader, vilket resulterar i ett stabilt system. Om stängningsförhållandet för de här två kurvorna är 40 dB/tiotal, vilket indikerar en fasförskjutning på –180 grader och en fasmarginal på noll grader kommer kretsen att oscillera eller ringa med en stegfunktionsingång.

Två sätt att korrigera kretsinstabilitet är att lägga till en återkopplingskondensator, C_F, eller ändra förstärkaren så att den har ett annat A_OL-frekvenssvar eller andra ingångskapacitanser.

En konservativ beräkning som tillåter variation i förstärkarbandbredd och ingångskapacitans, samt återkopplingsmotståndsvärde, placerar systemets pol på 1/β vid halva frekvensen där de två kurvorna korsar varandra. Beräkningen av C_F visas i ekvation 4:

Ekvation 4

Där f_GBW är förstärkarens förstärkning/bandbredd-produkt. Och ekvation 4 producerar en systemfasmarginal på 65 grader.

Till exempel har Analog Devices ADA4530-1ARZ-R7 fA-elektrometerförstärkare med ingångsbiaseringsström en maximal ingångsbiaseringsström på ±20 fA, en ingångsförskjutningsspänning på 50 mikrovolt (µV) och f_GBW på 1 megahertz (MHz), med C_CM plus C_DIFF som är lika med 8 pikofarad (pF). Komponenterna utanför förstärkaren – R_F, C_RF och C_PD – är 10 GΩ, 5 pF respektive 1 pF.

Koncepttest: spektrofotometerdetektor

Som nämnt tidigare detekterar och konverterar en fotodiod-/precisionsförstärkare infallande fotoner på fotodioden till en användbar spänning. En högupplöst A/D-omvandlare konverterar sedan förstärkarens utspänning till den digital representation. Funktionsschemat för det här visas i figur 6. Spektrofotometerdetektorsteget måste mäta fotodiodström i femtoampereintervallet med en analog precisions-frontend. TIA-förstärkarens specifikationer för ingångsbiaseringsström måste följa det här kravet på låg ingångsbiaseringsström.

Figur 6: TIA-detektorkrets för spektrofotometer-femtoampere baserat på elektrometerförstärkaren ADA4530-1ARZ-R7 med femtoampere-ingångsbiaseringsström använder ett Mezzanine-kort med lågt läckage (vänster) anslutet till ett datainsamlingskort (höger). (Bildkälla: Bonnie Baker)

TIA-kretsen som visas använder två kort: ett Mezzanine-kort med lågt läckage anslutet till ett datainsamlingskort. Mezzanine-kortet innehåller fotodioden (D_PD), op-förstärkaren ADA4530-1 med ultralåg ingångsbiaseringsström, det extraordinärt höga återkopplingsmotståndet (en 10 GΩ glasresistor) och en återkopplingskondensator (C_F) för att bilda en form av enkel TIA-krets.

De lämpliga ingångsenheterna för denna analoga frontend med ultrahög känslighet är fotodioder eller fotomultiplikatorrörsensorer. Avkänningsdioden (D_PD) spänner över differentialingångsstiften hos ADA4530-1. En integrerad skyddsbuffert i ADA4530-1 säkerställer att dess ±20 fA ingångsbiaseringsström förblir låg genom att isolera ingångsstiften från PC-kortläckaget.

För testet som utförs i den här artikeln är Mezzanine-kortet (EVAL-CN0407-1-SDPZ) ett lågläckagekort baserat på en hybrid av FR-4- och Rogers 4350B-laminat. De yttre lagren är keramiska (Rogers 4350B) och de inre lagren är ett standardepoxilaminat (FR-4). Jämfört med glas- eller epoximaterial är Rogers 4350B-materialet en bättre isolator (figur 7).

Figur 7: Mezzanine-kortet med lågt läckage som används i den här TIA-konfigurationen är en hybrid av FR-4- and Rogers 4350B-laminat. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 7 minimerar även Rogers 4350B-materialet strömläckaget och har, jämfört med glas- eller epoxidielektriska material, mycket kortare dielektriska dämpningstider.

A/D-omvandlare och spänningsreferens

Datainsamlingskortet har en Analog Devices AD7172-2-A/D-omvandlare, en strömförsörjningsmodul, A/D-omvandlarens referensspänning och ett isolerat digitalt gränssnitt. A/D-omvandlaren är en 24-bitars Ʃ-Δ A/D-omvandlare som producerar 24 brusfria bitar till en omvandlingsfrekvens på 5 samplingar per sekund (SPS).

Utspänningsintervallet för Mezzanine-kortet är ±5 volt. Med Analog Devices 2,5-volts spänningsreferens förADR4525BRZ-R7 är AD7172-2-A/D-omvandlarens ingångsintervall ±2,5 volt. Den 10 kΩ/10 kΩ-matchade resistoravdelaren dämpar utgången för Mezzanine-kortet med en faktor på två. För att minimera A/D-omvandlarens förskjutningsfel kortsluter en analog SPDT-omkopplare (single-pole/double-throw) från Analog Devices, ADG1419BRMZ-REEL7, ingången för resistoravdelaren till jord. Den här konfigurationen tillåter borttagning av det mätta, A/D-omvandlarens och resistoravdelarens förskjutningsfel. ADA4530-1:s egna kretsar genererar den återstående förskjutningen.

Strömhantering

Krafthanteringsdelen av spektrofotometer-femtoamperedetektorsteget driver alla komponenter på Mezzanine- och datainsamlingskort. Krafthanteringssektionen, på datainsamlingskortet, härleder effekten från ett 9 V extern likströmförsörjning (figur 8).

Figur 8: Med hjälp av en extern 9 V-ingång driver kraftsektionen av spektrofotometer-femtoamperedetektorn alla komponenter på Mezzanine- och datainsamlingskorten som använder Analog Devices LDO-regulatorer (regulatorer med lågt bortfall). (Bildkälla: Analog Devices)

Ingångskretsarna från den externa 9 V-ingången till kortets ström-IC-kretsar innehåller skydd mot överspänningstransienter och backspänning. Tre linjära ADP7118ACPZN-R7-LDO-regulatorer med lågt brus från Analog Devices genererar 5 volt för ADA4530-1-förstärkaren, 2,5 volt för AD7172-2 analog frontend för A/D-omvandlare och 3,3 volt för de digitala ingångs-/utgångslinjerna och Analog Devices digital isolatorer, ADUM3151BRSZ-RL7.

Testa spektrofotometer-detektorkretsen

Mezzanine-kortet rider på datainsamlingskortet, enligt figur 9.

Figur 9: Kombinationen av Mezzanine- och datainsamlingskort innan en skärm placeras runt Mezzanine-kortet. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 9 visas Mezzanine-kortet med skärmen borttagen. När skärmen är på plats förhindrar den interferens vid ingångssteget för ADA4530-1-förstärkaren.

För att börja testa måste 9 V-försörjningen vara ansluten och utvärderingsprogramvaran EVAL-CN0407-SDPZ ha laddats ned från avsnittet Circuit Evaluation & Test (Utvärdering och test av kretsar) på Analog Devices supportwebbplats.

När programvaran är igång konfigureras sedan kortet för att testa A/D-omvandlarbruset. För bästa brusprestanda väljer du den lägsta acceptabla samplingsfrekvensen. Exempel: Systembruset vid samling med 0,83 SPS i 120 minuter producerar brus med ett effektivvärde (rms) på 1,4 fA, med ett DC-värde på −150 attoampere (aA) (figur 10).

Figur 10: För bästa brusprestanda för femtoampere-mätsystemet väljer du den lägsta acceptabla samplingsfrekvensen. Som exempel visas systembruset vid sampling med 0,83 SPS i 120 minuter Det här producerar brus med ett effektivvärde (rms) på 1.4 fA, med ett DC-värde på −150 aA. (Bildkälla: Analog Devices)

Det termiska bruset från 10 GΩ-resistorn, lika med 12,87 µV/√Hz, dominerar systembruset. För att motverka detta kan översamplingsfunktionen hos A/D-omvandlaren filtrera bort bruset med högre frekvens från resultatet.

Slutsats

Spektrofotometriinstrument analyserar kvantitativt subtila föroreningar eller missfärgning i gaser eller vätskor. Utmaningen för designers är att kunna utforma frontend-elektronik med lågt brus och ultralåg ström som minimerar mätinterferens med avkänningsenheter.

I jakten på en livskraftig spektrofotometrilösning har vi visat att en TIA-konfiguration, som består av en ADA4530-1-femtoampere-förstärkare och en 24-bitars AD7172-2 Ʃ-Δ-A/D-omvandlare, kan användas för att skapa en robust lösning med hög precision. Innovativa layout- och korttillverkningsmetoder hjälper till att förverkliga den slutliga lösningen och producera ett resultat med lågt brus.