發布日期：2022-04-17 點擊率：51
人們對水和空氣質量的關注程度日益增加，促使設計人員設計實驗室和分析分光光度測定儀器，來對氣體或液體中越來越細微的污染物或變色現象進行定量分析。然而，由于要檢測的信號水平越來越微弱，檢測方法的靈敏度也必須相應地提高，以便測量其通過樣本溶液后吸收或偏轉的光的強度。
設計人員面臨的挑戰是要設計出低噪聲和超低電流的前端電子器件，最大限度減少檢測器件對測量的干擾。帶前端光電二極管的標準跨阻放大器 (TIA) 電路不夠精確，無法滿足分析分光光度計不斷提高的靈敏度要求。
對于許多設計人員來說，最好的辦法是簡單地調整現有電路。使用這種設計技術可降低總體成本，同時確保設計成功的可能性最大。
本文討論了 TIA 電路對高精度、低電流光電二極管的要求。為了適應極低的光電二極管電流，本文介紹了關鍵的信號鏈元件，包括 Analog Devices 的 ADA4530-1ARZ-R7 低噪聲前端放大器和 AD7172-2BRUZ 高精度模數轉換器 (ADC)，以及最優布局技術。隨后介紹如何利用一個在實際配置中結合了絕配元件的參考設計來啟動設計。
分光光度法將定量分析應用于眾多領域，包括化學、生物化學、物理學、化學和材料工程等。該技術可測量各種物質（在本文中是懸浮于水中的物質）上的入射光的吸收或反射情況。當光束通過樣本溶液時，測量裝置檢測光強度。典型分光光度計包括光源、準直儀、單色器、波長選擇器、樣本溶液比色皿、光電探測器以及數字顯示屏或量計（圖 1）。
圖 1：分光光度計利用了如下原理：每種化合物都可以通過其對特定范圍光波長的吸收、透射或反射情況來加以區分。（圖片來源：Chemistry LibreTexts）
圖 1 中的準直儀、單色器和波長選擇器用于從光源產生所需的波長。準直儀將直線光束引導到單色器。單色器或棱鏡產生若干波長或一個光譜。波長選擇器（狹縫）將光信號過濾到選定的狹窄波長帶。然后，得到的入射光信號 (Io) 到達比色皿中存放的樣本溶液，比色皿是用于存放液體樣品的直邊光學透明容器。
在目標光波長通過比色皿樣本溶液后，由光電探測器檢測透射光 (It)，獲得出射光子的數量。信號經過進一步處理，最終呈現在數字顯示屏上。
每種化合物都會吸收、透射或反射特定范圍的光波長。分光光度測定設備通過測量樣本溶液的光強度輸出判斷吸收或透射情況，從而鑒定化學物質的類型和數量。
根據單色器的波長范圍，有兩種不同類型的分光光度計。
紫外 (UV) 可見分光光度計的波長范圍分為兩種：185 至 400 nm 和可見光范圍 400 至 700 nm。
紅外 (IR) 分光光度計的波長范圍為 700 至 15000 nm。
分光光度法的應用比比皆是。例如，在生物化學中，利用分光光度法分析催化酶反應。該技術還用于臨床檢查血液或組織。分光光度法的其他變化包括原子發射分光光度法和原子吸收分光光度法。
經典的光電探測器級使用光電傳感器（例如硅光電二極管或光電倍增管）將光轉換為小電流。然后，光學傳感器之后的運算放大器將傳感器的小電流轉換為可用電壓。簡言之，這形同于一個基本 TIA。
TIA 電路中的關鍵元器件有光電二極管、低輸入偏置電流運算放大器、反饋電阻器 (RF) 和穩定反饋電容器 (CF)（圖 2）。
圖 2：基本 TIA 將光電二極管產生的小傳感器電流 (IPD) 轉換為可用電壓。關鍵元器件有光電二極管 (DPD)、低輸入偏置電流運算放大器、反饋電阻器 (RF) 和穩定反饋電容器 (CF)。（圖片來源：Bonnie Baker）
在圖 2 中，選擇光電二極管來檢測 UV 可見光或 IR 波長范圍。運算放大器具有高阻抗輸入，其輸入偏置電流極小，范圍在幾十 pA 到幾十 fA。RF 的范圍可以從幾百千歐 (kΩ) 到幾十千兆歐姆 (GΩ)，足以將光電二極管電流 (IPD) 轉換到放大器的滿電壓輸出范圍。CF 的值取決于放大器帶寬、輸入電容和寄生光電二極管電容之間的關系，其確定了 TIA 的相位裕量。
TIA 設計的主要挑戰在于確保電路穩定性。此分析將用波特圖評估 TIA 的傳遞函數。
典型 TIA 電路如圖 3 所示。電路穩定性取決于放大器增益和帶寬特性 (AOL(jw))、電路的兩個電阻器與六個電容器之間的平衡。
圖 3：在 TIA 光電檢測電路模型中，實現穩定性需要平衡放大器增益和帶寬特性 (AOL(jw))、電路的兩個電阻器和六個電容器。（圖片來源：Bonnie Baker）
圖 3 中的光電二極管模型包含一個理想二極管、光感應電流源 (IPD)、寄生結電容 (CPD) 和寄生結阻抗 (RPD)。TIA 中影響電路穩定性的其他寄生電容包括放大器共模輸入電容 (CCM)、差分輸入電容 (CDM) 和反饋電阻器的寄生電容 (CRF)（圖 4）。
圖 4：根據圖 3 中的模型給出的 TIA 電路中的電阻和電容定義。（圖片來源：Bonnie Baker）
TIA 的頻域傳遞函數由公式 1 給出：
等式 1
其中：
AOL(jw) 是放大器在頻率范圍內的開環增益
β 是系統反饋因子，等于 1/(1 + ZIN/ZF)，其中：
ZIN 為分布輸入阻抗，等于 RPD || jw(CPD + CCM + CDIFF)
ZF 為分布反饋阻抗，等于 RF || jw(CRF + CF)
波特圖有助于確定電路的穩定性。該設計的相應波特圖顯示了放大器的開環增益和 1/β 曲線。確定噪聲增益 (1/β) 頻率響應的系統元件是光電二極管寄生效應和運算放大器輸入阻抗 (ZIN)，還有放大器反饋回路中的元件（RF、CRF 和 CF）（圖 5）。
圖 5：開環增益頻率響應和反饋增益倒數 (1/β) 之間的閉合率為 20 dB/十倍頻程。（圖片來源：Bonnie Baker）
在圖 5 中，綠色曲線表示 TIA 的閉環增益，藍綠色曲線表示 ADA4530-1 的開環增益性能。在閉環 TIA 增益曲線中，DC 增益等于放大器電路的非反向增益，而增益等于 1 + RF/RPD。該曲線的第一次頻率變化發生在第一個零點 (fz)，其取決于反饋網絡。TIA 閉環增益曲線的第二次頻率變化發生在第一個極點 (fP)，其取決于光電二極管寄生效應、放大器寄生效應和反饋元件。該增益曲線理論上會在最終增益為 1 + (CPD + CCM + CDIFF)/CF 時變平。使用公式 2 和 3 計算 fZ 和 fP：
等式 2
等式 3
在這個電路中，有意思的地方是 AOL(jw) 曲線與 1/β 曲線相交處。這兩條曲線之間的閉合率決定了系統的相位裕量，進而可預測穩定性。
例如，圖 5 中兩條曲線的閉合率為 20 dB/十倍頻程。放大器貢獻大約 -90 度的相移，反饋因子貢獻大約零度的相移。從 AOL(jw) 相移增加 1/β 相移后，系統相移將是 -90 度，相位裕量為 90 度，系統將能保持穩定。如果這兩條曲線的閉合率為 40 dB/十倍頻程，即相移為 -180 度，相位裕量為零度，那么電路在階躍函數輸入下將會發生振蕩或振鈴。
有兩種方法可解決電路不穩定性問題：一是添加反饋電容 CF，二是改變放大器以提供不同的 AOL 頻率響應或不同的輸入電容。
保守計算是將系統的 1/β 極點置于兩條曲線相交頻率的一半處，從而允許放大器帶寬、輸入電容及反饋電阻值有所變化。CF 的計算如公式 4 所示：
等式 4
其中，fGBW 為放大器增益帶寬積。此外，公式 4 產生 65 度的系統相位裕量。
例如，Analog Devices 的 fA 級輸入偏置電流靜電計放大器 ADA4530-1ARZ-R7 的最大輸入偏置電流為 ±20 fA，輸入補償電壓為 50 μV，fGBW 為 1 MHz，CCM 加 CDIFF 等于 8 pF。放大器外部的元器件 RF、CRF 和 CPD 分別為 10 GΩ、5 pF 和 1 pF。
如前所述，光電二極管/精密放大器檢測光電二極管上的入射光子，并將其轉換為可用電壓。然后，高分辨率 ADC 將放大器的輸出電壓轉換為數字表示。其功能原理圖如圖 6 所示。分光光度計檢測器級必須利用精密模擬前端測量毫微微安范圍的光電二極管電流。TIA 的輸入偏置電流規格必須符合這種低輸入偏置電流要求。
圖 6：分光光度計毫微微安 TIA 檢測器電路基于 ADA4530-1ARZ-R7 fA 級輸入偏置電流靜電計放大器，通過低泄漏夾層板（左）連接到數據采集板（右）。（圖片來源：Bonnie Baker）
所示 TIA 電路使用兩片板：低泄漏夾層板與數據采集板配接。夾層板包含光電二極管 (DPD)、ADA4530-1 超低輸入偏置電流運算放大器、超高反饋電阻器（10 GΩ 玻璃電阻）和反饋電容器 (CF)，形成一個基本 TIA 電路。
支持這種超高靈敏度模擬前端的適當輸入器件是光電二極管或光電倍增管傳感器。檢測二極管 (DPD) 跨接在 ADA4530-1 差分輸入引腳之間。ADA4530-1 的集成防護緩沖器通過將輸入引腳與印刷電路板漏電電流隔離，確保其 ±20 fA 輸入偏置電流保持低水平。
對于本文中進行的測試，夾層板 (eval-CN0407-1-SDPZ) 是基于 FR-4 和 Rogers 4350B 混合層壓板的低泄漏板。外層為陶瓷 (Rogers 4350B)，內層為標準玻璃環氧樹脂層壓板 (FR-4)。與玻璃或環氧樹脂材料相比，Rogers 4350B 材料是更好的絕緣體（圖 7）。
圖 7：該 TIA 裝置中使用的低泄漏夾層板是 FR-4 和 Rogers 4350B 混合層壓板。（圖片來源：Analog Devices）
圖 7 中的 Rogers 4350B 材料還能最大限度減少漏電電流，而且與玻璃或環氧樹脂電介質相比，其介電弛豫時間要短得多。
數據采集板包含 Analog Devices AD7172-2 ADC、電源模塊、ADC 電壓基準和隔離數字接口。ADC 是一款 24 位 Σ-Δ 型 ADC，以每秒 5 個樣本 (SPS) 的轉換速率工作，可產生 24 個無噪聲位。
夾層板的輸出電壓范圍為 ±5 V。使用 Analog Devices 的 ADR4525BRZ-R7 2.5 V 電壓基準時，AD7172-2 ADC 的輸入范圍為 ±2.5 V。10 kΩ/10 kΩ 匹配電阻分壓器將夾層板的輸出衰減為一半。為使 ADC 失調誤差最小，Analog Devices 的 ADG1419BRMZ-REEL7 模擬單刀雙擲 (SPDT) 開關將電阻分壓器的輸入短接至地。此配置能消除測得的 ADC 和電阻分壓器失調誤差。余下的失調由 ADA4530-1 自身電路產生。
分光光度計毫微微安檢測器級的電源管理部分為夾層板和數據采集板上的所有元器件供電。數據采集板上的電源管理部分從外部 9 V 直流電源獲取電能（圖 8）。
圖 8：使用外部 9 V 輸入，分光光度計毫微微安檢測器的電源部分通過 Analog Devices 的低壓差穩壓器 (LDO) 為夾層板和數據采集板上的所有元器件供電。（圖片來源：Analog Devices）
從 9 V 外部輸入到電路板電源 IC 的輸入電路包括防范過壓瞬變和反向電壓的保護功能。三個 Analog Devices ADP7118ACPZN-R7 低噪聲 LDO 線性穩壓器為 ADA4530-1 放大器產生 5 V 電壓，為 AD7172-2 ADC 模擬前端產生 2.5 V 電壓，為數字輸入/輸出線路和 Analog Devices ADUM3151BRSZ-RL7 數字隔離器產生 3.3 V 電壓。
夾層板位于數據采集板之上，如圖 9 所示。
圖 9：夾層板和數據采集印刷電路板的組合，在采集板前圍繞夾層板放置的將是屏蔽板。（圖片來源：Analog Devices）
圖 9 顯示了移除屏蔽板后的夾層板。屏蔽板就位后，可防止 ADA4530-1 放大器輸入級的干擾。
要啟動測試，需要連接 9 V 電源，并從 Analog Devices 支持網站的“電路評估與測試”部分下載 eval-CN0407-SDPZ 評估軟件。
軟件啟動并運行后，配置電路板以測試 ADC 噪聲。為獲得最佳噪聲性能，應選擇可接受的最低采樣率。例如，以 0.83 SPS 采樣 120 分鐘時，系統產生 1.4 fA 的均方根 (rms) 噪聲，DC 值為 -150 阿安培 (aA)（圖 10）。
圖 10：為使毫微微安測量系統獲得最佳噪聲性能，應選擇可接受的最低采樣率。圖中顯示的是以 0.83 SPS 采樣 120 分鐘的系統噪聲。產生的均方根 (rms) 噪聲為 1.4 fA，DC 值為 -150 aA。（圖片來源：Analog Devices）
10 GΩ 電阻的熱噪聲為 12.87 μV/√Hz，是系統的主要噪聲。為了抵消此噪聲，可以使用 ADC 的過采樣功能從結果中濾除較高頻率的噪聲。
分光光度測定儀器可對氣體或液體中的細微污染物或變色現象進行定量分析。設計人員面臨的挑戰是要設計出低噪聲和超低電流的前端電子器件，最大限度減少檢測器件對測量的干擾。
為了幫助找到可行的分光光度測定解決方案，本文展示了一個由 ADA4530-1 毫微微安放大器和 24 位 AD7172-2 Σ-Δ ADC組成的 TIA 配置，可用來構建高精度、穩健型解決方案。創新的布局和電路板制造技術有助于實現最終解決方案并產生低噪聲結果。
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