Analog Devices Inc. 的 精密寬帶寬信號(hào)鏈和LTspice仿真器軟件可幫助設(shè)計(jì)人員選擇和評(píng)估器件。通過(guò)利用數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)及其模擬產(chǎn)品組合，每個(gè)信號(hào)鏈都帶來(lái)了 ADI 的洞察力和應(yīng)用知識(shí)。

　　精密寬帶寬信號(hào)鏈提供高精度 AC-DC 測(cè)量和驅(qū)動(dòng)性能。三個(gè)框圖（電流和電壓、電流和電壓驅(qū)動(dòng)以及光測(cè)量）展示了單獨(dú)的信號(hào)鏈，每個(gè)信號(hào)鏈都可以針對(duì)信噪比 （SNR）、直流線性度、建立時(shí)間性能、閉環(huán)/測(cè)量延遲和總諧波失真 （THD） 測(cè)量。

　　光測(cè)量框圖與流式細(xì)胞儀、光譜儀、化學(xué)分析和分析儀器應(yīng)用相匹配（圖 1）。

圖 1：用于流式細(xì)胞術(shù)、光譜法或其他分析測(cè)量應(yīng)用的精密寬帶寬光測(cè)量框圖。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　該解決方案結(jié)合了 ADI 的精密跨阻放大器 （TIA）、模擬濾波、電壓基準(zhǔn)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。

　　光測(cè)量

　　TIA 必須具有極低的輸入偏置電流、低噪聲和非常寬的帶寬，才能適用于流式細(xì)胞儀設(shè)備。適合此功能的放大器是 Analog Devices 的LTC6268H-10運(yùn)算放大器 （op amp），它具有超低偏置電流和 4 GHz FET 輸入（圖 2）。當(dāng)配置為帶有 20 kΩ （kΩ） 反饋電阻的 TIA 時(shí)，其頻率響應(yīng)如圖所示（右）。

圖 2：LTC6268H-10 放大器的低輸入偏置電流、低噪聲和寬帶寬使其適合用作 TIA。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　在圖 2 中，光電探測(cè)器 （PD） 被反向偏置以降低寄生電容，而寄生反饋電容 （C） 捕獲了印刷電路板和反饋電阻器的寄生電容。LTC6268H-10 運(yùn)算放大器的輸入偏置電流在流經(jīng)反饋電阻器時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯的 DC 誤差，這一點(diǎn)至關(guān)重要。LTC6268H-10 以 ±4 皮安 （pA） 的極低輸入偏置電流滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。LTC6268H-10 的低噪聲規(guī)格在 1 兆赫 （MHz） 時(shí)等于每根赫茲 （nV/√Hz） 4 納伏。

　　高速流式細(xì)胞儀要求信號(hào)路徑設(shè)備具有較寬的帶寬以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換速率。該電路中的 LTC6268H-10 帶寬為 210 MHz，轉(zhuǎn)換為約 1000 伏/微秒 （volts/μs） 的壓擺率。

　　最后，最關(guān)鍵的規(guī)格是噪聲密度，它必須至少比 ADC 噪聲密度低三倍。LTC6268-10 的輸入噪聲密度在 1MHz 時(shí)為 4.0nV/√Hz。運(yùn)算放大器反饋環(huán)路會(huì)獲得這種噪聲。此外，20 kΩ 反饋電阻器也會(huì)直接在放大器的輸出端產(chǎn)生噪聲。

　　20 kΩ 反饋電阻的噪聲密度貢獻(xiàn) （V FB ） 在較高頻率下主導(dǎo) TIA 級(jí)噪聲貢獻(xiàn)，等于：

　　圖 2 框圖中第三個(gè)和第四個(gè)功能的職責(zé)是將 TIA 的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。第三、第四和參考功能的組合創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)據(jù)采集解決方案。該解決方案集成了濾波器、驅(qū)動(dòng)放大器、電壓基準(zhǔn)和 ADC（圖 3）。

圖 3：ADAQ23876 構(gòu)成數(shù)據(jù)采集解決方案，顯示為增益為 1.38 的單端輸入配置。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　在圖 3 中，Analog Devices ADAQ23876具有一個(gè) 16 位、每秒 15 兆樣本 （MSPS）、逐次逼近寄存器 （SAR） ADC，可提供零延遲結(jié)果。輸入的全差分放大器 （FDA） 的 R IN和 C IN分別為 1，407 Ω 和 3.3 皮法 （pF），以創(chuàng)建一階低通濾波器。

　　該系統(tǒng)通過(guò)使用完全集成的器件在內(nèi)部解決問(wèn)題，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)人員的 ADC 驅(qū)動(dòng)器和布局挑戰(zhàn)。對(duì)于該應(yīng)用，ADAQ23876 配置滿足單輸入信號(hào)并實(shí)現(xiàn) 1.38 的內(nèi)部增益，其中典型信噪比 （SNR） 為 88.8 分貝 （dB）。

　　用于電路分析的 LTspice 仿真

　　LTspice 是具有圖形原理圖捕獲功能的高性能 SPICE 仿真器軟件。您可以通過(guò) LTspice 的內(nèi)置波形查看器探索仿真結(jié)果的原理圖并探索它們。

　　電路的噪聲響應(yīng)通常是特定原理圖中各個(gè)組件的組合。LTspice 的噪聲分析功能可幫助您推導(dǎo)出噪聲響應(yīng)。為了演示，本博客使用帶有光電二極管、TIA 和數(shù)據(jù)采集解決方案模型的光測(cè)量電路（圖 4）。

圖 4：該仿真模型使用 LTC6862-10 FET 運(yùn)算放大器和 ADAQ23876 數(shù)據(jù)采集解決方案來(lái)產(chǎn)生噪聲響應(yīng)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　在圖 4 中，光電二極管模型代表 Optoelectronics FCI-125G-006 1.25 千兆位每秒 （Gbit/s） 硅傳感器。FCI-125G-006 具有 0.66 pF 的反向偏置寄生電容。選擇的 TIA 單放大器 LTC6268H-10 在高于 10 伏特/伏特 （V/V） 的閉環(huán)增益中保持穩(wěn)定，并具有 –40°C 至 125°C 的寬溫度范圍規(guī)格。

　　ADAQ23876 采用系統(tǒng)級(jí)封裝 （SIP） 技術(shù)，通過(guò)在單個(gè)器件中組合多個(gè)通用信號(hào)處理和調(diào)理模塊來(lái)減少系統(tǒng)組件數(shù)量和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

　　光測(cè)量噪聲結(jié)果

　　交流掃描噪聲仿真有助于確認(rèn)整個(gè)電路的 ADC 分辨率。該仿真考慮了寄生電容和電阻，以在整個(gè)應(yīng)用的頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生完整的噪聲結(jié)果。整個(gè)應(yīng)用電路 （ADAQ23876 + LTC6268 + FCI-125G-006） 的整個(gè)頻譜中的噪聲貢獻(xiàn)顯示為 124.49 微伏 （μV） rms（圖 5）。

圖 5：來(lái)自 ADAQ23876 16 位 ADC 和 LTC6268 TIA 的噪聲，顯示了兩個(gè)器件的總噪聲。（圖片來(lái)源：LTspice，邦妮貝克）

　　當(dāng)用戶按住 ctrl 左鍵單擊圖表頂部的曲線名稱時(shí)，將顯示整個(gè)仿真頻譜中的總 RMS 噪聲貢獻(xiàn)（圖 6）。

圖 6：曲線下方區(qū)域的總噪聲取決于仿真頻率范圍和器件的噪聲生成值。一個(gè)簡(jiǎn)單的 ctrl 左鍵單擊提供了這個(gè) rms 值。（圖片來(lái)源：LTspice，邦妮貝克）

　　ADAQ23876 在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)的噪聲產(chǎn)生等于 71.79 μVRMS。在該圖中，ADC 的 1 MHz 電壓點(diǎn)噪聲貢獻(xiàn)約為 12 nV/√Hz。具有 1 Hz 帶寬的點(diǎn)噪聲出現(xiàn)在左下方，同時(shí)懸停在曲線上。

　　LTC6268 TIA 噪聲在其輸出引腳的整個(gè)頻譜范圍內(nèi)貢獻(xiàn)為 100.28 μVRMS。TIA 輸出端的 1 MHz 點(diǎn)噪聲約為 18.5 nV/√Hz。

　　那么，最關(guān)鍵的問(wèn)題是，就整個(gè)系統(tǒng)的分辨率而言，這意味著什么？

　　結(jié)論

　　對(duì)于基于光度測(cè)量的儀器，可以結(jié)合使用光電二極管、TIA（例如 LTC6268）和 ADAQ23876 16 位、15 MSPS μModule，以簡(jiǎn)化高精度、高速、完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與 LTspice 仿真工具一起，該組合使設(shè)計(jì)人員擺脫了繁瑣的噪聲計(jì)算、高速 PC 板布局和流式細(xì)胞儀等精密應(yīng)用的芯片計(jì)數(shù)難題。