Implementatie van een hooggevoelig spectrofotometrisch detectiecircuit

Door toenemende zorgen over de kwaliteit van lucht en water zoeken ontwerpers van spectrofotometrische instrumenten voor laboratoria en analysetoepassingen naar oplossingen voor de kwantitatieve analyse van steeds subtielere verontreinigingen of verkleuringen in gassen of vloeistoffen. Bij spectrofotometrie wordt de intensiteit van geabsorbeerd of weerkaatst licht gemeten, nadat het door een monster is geleid. Als de concentraties die moeten worden gedetecteerd steeds lager worden, betekent dit dat de detectiemethodes steeds gevoeliger moeten worden.

De uitdaging voor de ontwerpers van deze meetapparatuur: front-end elektronica ontwerpen met minimale ruis en extreem lage stroom, om interferentie bij het meten met de detectie-apparaten zo veel mogelijk tegen te gaan. Standaard circuits van transimpedantie-versterkers (TIA's) met front-end fotodiodes zijn niet nauwkeurig genoeg om te voldoen aan de steeds hogere gevoeligheidsvereisten van de analytische spectrofotometers.

Voor veel ontwerpers is de beste oplossing een aanpassing van de bestaande circuits. Deze ontwerpbenadering brengt de totale kosten omlaag en levert de hoogste kans op een succesvol ontwerp.

Dit artikel bespreekt de vereisten voor een TIA-circuit voor een bijzonder nauwkeurige zwakstroom-fotodiode. Om de bijzonder lage stroomsterktes voor fotodiodes mogelijk te maken, kijken we naar de kritieke elementen van de signaalketen, waaronder de front-end versterker ADA4530-1ARZ-R7 van Analog Devices en de bijzonder nauwkeurige analoog-naar-digitaal converter (ADC) AD7172-2BRUZ. Ook kijken we naar de optimale lay-out. Vervolgens wordt beschreven hoe een ontwerp kan worden opgezet met behulp van een referentieontwerp met een combinatie van elementen die goed op elkaar aansluiten in een praktische configuratie.

Spectrofotometrie

Spectrofotometrie gebruikt kwantitatieve analyses in verschillende werkgebieden, waaronder chemie, biochemie, natuurkunde en chemische technologie en materiaaltechnologie. De techniek meet de absorptie of reflectie van licht op een substantie, in dit geval een substantie die is gesuspendeerd in water. De meetinrichting detecteert de lichtintensiteit wanneer een lichtstraal door een monsteroplossing wordt geleid. Een typische spectrofotometer bestaat uit de volgende componenten: een lichtbron, een collimator, een monochromator, een golflengte-selector, een cuvet voor de monsteroplossing, een foto-elektrische detector en een digitaal display of een meter (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Iedere chemische samenstelling is herkenbaar aan de manier waarop het een specifiek bereik aan lichtgolflengtes absorbeert, doorlaat of reflecteert. Een spectrofotometer maakt hier gebruik van. (Bron afbeelding: Chemistry LibreTexts)

Afbeelding 1 laat zien hoe de collimator, monochromator, en golflengte-selector de gewenste golflente produceren uit een lichtbron. De collimator richt een rechte lichtstraal op de monochromator. De monochromator – een prisma – creëert verschillende golflengtes, of een lichtspectrum. De golflengte-selector (een spleet) filter het lichtsignaal tot een nauw gedefinieerde band met golflengtes. Het incident-lichtsignaal (Io) dat zo wordt gecreëerd valt vervolgens op de monsteroplossing in de cuvet, een optisch storingsvrije houder met rechte zijden, die speciaal bedoeld is voor vloeistofmonsters.

Nadat de gewenste lichtgolflengte door de monsteroplossing in de cuvet is geleid, wordt het doorgelaten licht (It) gedetecteerd door de fotodetector, die het aantal vrijkomende fotonen detecteert. Het signaal wordt verwerkt en wordt uiteindelijk op het digitale display weergegeven.

Iedere chemische samenstelling is herkenbaar aan de manier waarop deze een specifiek bereik aan lichtgolflengtes absorbeert, doorlaat of reflecteert. Een spectrofotometer bepaalt welke chemische substanties er aanwezig zijn en hoeveel, door de absorptie of doorlating te meten. Hiervoor registreert het apparaat de lichtintensiteit nadat het licht door de monsteroplossing is geleid.

Er zijn twee verschillende soorten spectrofotometer, afhankelijk van het golflengtebereik van de monochromator.

1. Bij de UV-spectrofotometer die gebruik maakt ultraviolet licht wordt onderscheid gemaakt tussen het golflentebereik van 185 tot 400 nanometer (nm) en het zichtbare bereik van 400 tot 700 nm.
2. Bij IR-spectrofotometers die gebruik maken van infrarood light het golflengtebereik tussen de 700 en 15.000 nm.

Er zijn talloze toepassingen voor spectrofotometrie. In de biochemie wordt spectrofotometrie gebruikt om gekatalyseerde enzymreacties te analyseren. Deze techniek wordt ook toegepast bij klinisch onderzoek van bloed of weefsels. Andere variaties zijn bijvoorbeeld spectrofotometrie van atomische uitstoot en absorptie.

Fotodetector-stadium

Een klassiek fotodetector-stadium maakt gebruik van een fotosensor om licht om te zetten in een zwakke stroom, bijvoorbeeld een fotodiode van silicium of een fotomultiplier. Na de optische sensor bevindt zich een operationeel versterker (de 'op amp', voor 'operational amplifier') die deze zwakke sensorstroom omzet in bruikbare spanning. Dit beschrijft de basis van een TIA.

De kritieke componenten in een TIA-circuit zijn de fotodiode, een versterker die werkt met een lage ingangssperstroom, een feedback-resistor (R_F) en een stabiliserende feedback-condensator (C_F) (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een eenvoudige TIA converteert een kleine sensorstroom (I_PD) van een fotodiode naar een bruikbare spanning. De kritieke componenten zijn de fotodiode (D_PD), een versterker die werkt met een lage ingangssperstroom, een feedback-resistor (R_F) en een stabiliserende feedback-condensator (C_F). (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

In Afbeelding 2 wordt de fotodiode geselecteerd voor het zichtbare UV-golflengtebereik of het onzichtbare infraroodbereik. De operationele versterker heeft inputs met hoge impedantie en minimale ingangssperstromen, tussen de tientallen picoampères tot tientallen femtoampères (fA). De R_F kan tussen honderden kilo-ohms (kΩ) tot tientallen giga-ohms (GΩ) bedragen, voldoende om de stroom (I_PD) van de fotodiode te converteren naar het volledige spanningsuitgangsbereik van de versterker. De waarde van C_F is afhankelijk van de relatie tussen de bandbreedte van de versterker, de inputcapacitantie en de parasitaire capacitantie van de fotodiode. Deze waarde bepaalt de fasemarge van de TIA.

De belangrijkste uitdaging bij het ontwerpen van een TIA is om de stabiliteit van het circuit te garanderen. Deze analyse evalueert de overdrachtsfunctie van de TIA met een Bode-plot.

We gaan uit van een typisch TIA-circuit (Afbeelding 3). De stabiliteit van het circuit hangt af van het evenwicht tussen de gain- en bandbreedtekarakteristieken (A_OL(jw)) van de versterker, de twee weerstanden van het circuit en de zes condensatoren.

Afbeelding 3: In een circuitmodel voor TIA-fotodetectie is er voor de stabiliteit een evenwicht vereist tussen de gain- en bandbreedtekarakteristieken (A_OL(jw)), van de versterker, de twee weerstanden van het circuit en de zes condensatoren. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

In Afbeelding 3 heeft het model van de fotodiode een ideale diode met een door licht geïnduceerde (I_PD), parasitaire capacitantie (C_PD) en parasitaire impedantie (R_PD). Er zijn nog meer parasitaire capacitanties in de TIA die een uitwerking hebben op de stabiliteit van het circuit: de common-mode inputcapacitantie van de versterker (C_CM), de differentiële inputcapacitantie (C_DM) en de parasitaire capacitantie van de feedbackweerstand (C_RF) (afbeelding 4).

Afbeelding 4: Definitie van de weerstanden en capacitanties in het TIA-circuit conform het model in Afbeelding 3. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

De transferfunctie van het frequentiedomein van de TIA is weergegeven in vergelijking 1:

Vergelijking 1

met

• A_OL(jw) is de open-lus gain van de versterker over de frequentie
• β is de feedbackfactor van het systeem, gelijk aan 1/(1 + Z_IN/Z_F) waarin:
• Z_IN is de gedistribueerde ingangsimpedantie en gelijk aan R_PD || jw(C_PD + C_CM + C_DIFF)
• Z_F is de gedistribueerde feedback-impedantie en gelijk aan R_F || jw(C_RF + C_F)

De Bode-plot helpt om de stabiliteit van het circuit te bepalen. De juiste Bode-plot voor dit ontwerp heeft de open-lus gain van de versterker en de 1/β-curve. De systeemelementen die de frequentierespons van de ruis-gain (1/β) bepalen zijn de parasitaire waarden van de fotodiode en de ingangsimpedantie van de op amp (Z_IN), en de componenten in de feedbacklus van de versterker (R_F, C_RF, en C_F) (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De sluitsnelheid tussen de frequentierespons van de open-lus gain en de terugkoppeling van de feedback-gain (1/β) is 20 decibel (dB)/decade. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

In afbeelding 5 geeft de groene curve de gesloten-lus gain van de TIA weer. De blauwe curve is de open-lus gain van de ADA4530-1. In de gesloten-lus gain-curve van de TIA is de gain bij DC gelijk aan de niet-inverterende gain van het versterkercircuit, waarbij gain = 1 + R_F/R_PD. De eerste wijziging in de frequentie treedt bij deze curve op bij de eerste nul (f_z), die afhankelijk is van het feedbacknetwerk. De tweede verandering in de frequentie van de gesloten-lus gain-curve van de TIA treedt op bij de eerste pool (f_P), die afhankelijk is van de parasitaire waarden van de fotodiode en versterker en van de feedbackelementen. Theoretisch wordt de gain-curve vlak bij een uiteindelijke gain van 1 + (C_PD + C_CM + C_DIFF)/C_F. Voor de berekening van f_Z en f_P worden vergelijkingen 2 en 3 toegepast:

Vergelijking 2

Vergelijking 3

Het interessante punt in dit circuit is het punt waarop de A_OL(jw)-curve de 1/β-curve snijdt. De sluitsnelheid tussen deze twee curves bepaalt de fasemarge van het systeem, die de stabiliteit voorspelt.

De sluitsnelheid van de twee curves in Afbeelding 5 is bijvoorbeeld 20 dB/decade. De versterker draagt een faseverschuiving van ongeveer -90 graden bij, de feedbackfactor ongeveer nul graden. Met de 1/β-faseverschuiving van de A_OL(jw)-faseverschuiving hierbij opgeteld is de faseverschuiving van het systeem -90 graden en de fasemarge komt uit op 90 graden. Het resultaat is een stabiel systeem. Als de sluitsnelheid van deze twee curves 40 dB/decade is, wat duidt op een faseverschuiving van -180 graden en een fasemarge van nul, dan zal het circuit oscilleren of resoneren met een functie-input.

De instabiliteit van het circuit kan worden gecorrigeerd door een feedbackcondensator C_F toe te voegen of door de frequentierespons A_OL of invoercapacitanties van de versterker te wijzigen.

Met een conservatieve berekening, die speling behoudt voor variaties in de versterkerbandbreedte en invoercapacitanties en de waarden van de feedbackweerstand, komt de pool 1/β van het systeem uit op de helft van de frequentie waar de twee curves elkaar snijden. Deze berekening voor C_F is weergegeven in Vergelijking 4:

Vergelijking 4

Waarbij f_GBW is het product is van de gain-bandbreedte van de versterker. Vergelijking 4 levert ook een fasemarge op van 65 graden.

De ingangssperstroom-elektrometerversterker ADA4530-1ARZ-R7 fA van Analog Devices heeft een maximale ingangssperstroom van ±20 fA, een invoer-offset-spanning van 50 microvolt (µV), en een f_GBW van 1 MHz, met C_CM plus C_DIFF = 8 picofarads (pF). De componenten buiten de versterker – R_F, C_RF, en C_PD– zijn respectievelijk 10 GΩ, 5 pF, en 1 pF.

Proof of concept: spectrofotometer-detector

Zoals eerder toegelicht detecteert en converteert een fotodiode/precisieversterker incidentele fotonen op de fotodiode naar een bruikbare spanning. Een ADC met hoge resolutie zet vervolgens de uitgangsspanning van de versterker om naar een digitale representatie. Het functieschema hiervoor is weergegeven in Afbeelding 6. Het stadium van de spectrofotometerdetector moet fotodiodestromen in het femtoampèrebereik meten met een nauwkeurig analoog front-end. De specificaties voor de ingangssperstroom van de TIA moeten overeenkomen met deze vereiste voor een lage ingangssperstroom.

Afbeelding 6: Het circuit van een femtoampère-TIA-detector voor een spectrofotometer op basis van de ADA4530-1ARZ-R7 femtoamèpre-ingangssperstroom elektrometerversterker gebruikt een verliesarm mezzaninebord (links) dat is aangesloten op een bord voor gegevensverzameling (rechts). (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

Het afgebeelde TIA-circuit gebruikt twee borden: een verliesarm mezzaninebord gekoppeld aan een bord voor gegevensverzameling. Het mezzaninebord bevat de fotodiode (D_PD), de operationele versterker met ultralage ingangssperstroom ADA4530-1, de bijzonder hoge feedbackweerstand (een glazen weerstand van 10 GΩ), en een feedbackcondensator (C_F), om zo een eenvoudig TIA-circuit te vormen.

Passende ingangsapparatuur voor deze extreem gevoelige analoge front-end zijn fotodiodes of fotomultiplicatorbuis (PMT)-sensoren. De detectiediode (D_PD) gaat over de differentiële invoerpinnen van de ADA4530-1. Een geïntegreerde buffer in de ADA4530-1 isoleert de ingangspinnen van de lekstromen van het PC-bord om de ±20 fA ingangssperstroom laag te houden.

Voor de test die in dit artikel is uitgevoerd is het mezzaninebord (EVAL-CN0407-1-SDPZ) een verliesarm bord op basis van een hybride tussen de FR-4 Rogers en de 4350B. De buitenlagen zijn keramiek (Rogers 4350B) en de binnenlaag is een standaard laminaat van epoxyglas (FR-4). In vergelijking met glas of epoxymaterialen levert het materiaal van de Rogers 4350B een superieure isolatie (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: het mezzaninebord in deze TIA-opstelling is een hybride tussen de FR-4 Rogers en de 4350B. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 7 minimaliseert het materiaal van de Rogers 4350B ook de lekstroom en in vergelijking met de diëlektrische eigenschappen van glas of epoxy zijn de ontspanningstijden veel korter.

ADC en spanningsreferentie

Het bord voor gegevensverzameling heeft een AD7172-2 ADC van Analog Devices, een voedingsmodule, de referentiespanning van de ADC en een geïsoleerde digitale interface. De ADC is een 24-bits Ʃ-Δ ADC die 24 ruisvrije bits levert met een conversiesnelheid van 5 samples per seconde (SPS).

Het uitgangsspanningsbereik van het mezzaninebord is ±5 volt. Met de 2,5 volt spanningsreferentie van de ADR4525BRZ-R7 van Analog Devices is het ingangsbereik van de AD7172-2 ADC ongeveer ±2,5 volt. De 10 kΩ/10 kΩ gematchte weerstandsverdeler vermindert de output van het mezzaninebord met een factor twee. Om ADC-offset-fouten tot een minimum te beperken is er een analoge single-pole/double-throw (SPDT)-schakelaar ADG1419BRMZ-REEL7 van Analog Devices toegepast, die de input van de weerstandsverdeler naar de aarde leidt. Door deze configuratie kunnen offset-fouten van de ADC en de weerstandsverdeler worden vermeden. Het interne circuit van de ADA4530-1 genereert de resterende offset.

Voedingsbeheer

Het voedingsbeheergedeelte van de femtoamp-spectrofotometerdetector voedt alle componenten op het mezzaninebord en gegevensverzamelingsbord. Het voedingsbeheer op het gegevensverzamelingsbord is aangesloten op een externe voeding van 9 DC (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Met een externe voeding van 9 volt voedt het voedingsgedeelte van de femtoamp-spectrofotometerdetector alle componenten op het mezzaninebord en gegevensverzamelingsbord met low-dropout (LDO)-regelaars van Analog Devices. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In het invoercircuit van de externe 9 volt voeding naar de voedings-IC's van het bord is een beveiliging geïntegreerd tegen transiënte overspanningen en omgekeerde spanning. Drie lineaire LDO-regelaars ADP7118ACPZN-R7 met lage ruis van Analog Devices genereren 5 volt voor de ADA4530-1 versterker, 2,5 volt voor de analoge front-end van de AD7172-2 ADC, en 3,3 volt voor de digitale input/output-lijnen en de digitale isolators ADUM3151BRSZ-RL7 van Analog Devices.

Het circuit van de spectrofotometerdetector testen

Het mezzaninebord zit bovenop het gegevensverzamelingsbord, zoals te zien is in Afbeelding 9.

Afbeelding 9: Het mezzaninebord en het pc-bord, voordat er een schild om het mezzaninebord wordt geplaatst. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 9 is het mezzaninebord te zien zonder schild. Na plaatsing voorkomt het schild interferentie voor het inputstadium van de ADA4530-1-versterker.

Om te kunnen beginnen met de test zijn er twee voorwaarden: de voeding van 9 volt moet zijn aangesloten, en de evaluatiesoftware voor de EVAL-CN0407-SDPZ moet gedownload zijn van de supportwebsite van Analog Devices (onder het gedeelte voor Circuit Evaluation & Tests).

Als de software draait wordt het bord geconfigureerd om de ruis van de ADC te testen. Selecteer de laagste sampling rate die acceptabel is voor de beste ruisprestaties. Een voorbeeld: de systeemruis bij een sampling van 0.83 SPS gedurende 120 minuten levert een RMS-ruis van 1,4 fA met een DC-waarde van -150 attoampère (aA) (Afbeelding 10).

Afbeelding 10: Kies de laagste sampling rate die nog acceptabel is voor optimale ruisprestaties in het femtoampère-meetsysteem. Als voorbeeld is de systeemruis weergegeven bij een sampling van 0,83 SPS gedurende 120 minuten. Dit levert een RMS-ruis van 1,4 fA met een DC-waarde van -150 aA. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De systeemruis zal worden gedomineerd door de thermische ruis van de weerstand van 10 GΩ, wat overeenkomt met 12,87 µV/√Hz. Om dit tegen te gaan kan de over-samplingfunctie van de ADC de ruis met hogere frequentie uit de resultaten filteren.

Conclusie

Spectrofotometrische instrumenten leveren een kwantitatieve analyse van subtiele verontreinigingen of verkleuringen in gassen en vloeistoffen. De uitdaging voor de ontwerpers van deze meetapparatuur: front-end elektronica ontwerpen met minimale ruis en extreem lage stroom, om interferentie bij het meten met de detectie-apparaten zo veel mogelijk tegen te gaan.

Op zoek naar een goede oplossing voor de spectrofotometrie is aangetoond dat een TIA-configuratie bestaande uit een ADA4530-1 femtoamp-versterker en een 24 bits AD7172-2 Ʃ-Δ ADC kan worden gebruikt om een bijzonder nauwkeurige en belastbare oplossing te creëren. Met een innovatieve lay-out en productietechnieken voor de boards wordt een uiteindelijke oplossing gerealiseerd die weinig ruis produceert.