精密宽带宽信号链和LTspice仿真器解决方案

　　Analog Devices Inc. 的 精密宽带宽信号链和LTspice仿真器软件可帮助设计人员选择和评估器件。通过利用数十年的经验及其模拟产品组合，每个信号链都带来了 ADI 的洞察力和应用知识。

　　精密宽带宽信号链提供高精度 AC-DC 测量和驱动性能。三个框图（电流和电压、电流和电压驱动以及光测量）展示了单独的信号链，每个信号链都可以针对信噪比 （SNR）、直流线性度、建立时间性能、闭环/测量延迟和总谐波失真 （THD） 测量。

　　光测量框图与流式细胞仪、光谱仪、化学分析和分析仪器应用相匹配（图 1）。

图 1：用于流式细胞术、光谱法或其他分析测量应用的精密宽带宽光测量框图。（图片来源：Analog Devices）

　　该解决方案结合了 ADI 的精密跨阻放大器 （TIA）、模拟滤波、电压基准和模数转换器 （ADC）。

　　光测量

　　TIA 必须具有极低的输入偏置电流、低噪声和非常宽的带宽，才能适用于流式细胞仪设备。适合此功能的放大器是 Analog Devices 的LTC6268H-10运算放大器 （op amp），它具有超低偏置电流和 4 GHz FET 输入（图 2）。当配置为带有 20 kΩ （kΩ） 反馈电阻的 TIA 时，其频率响应如图所示（右）。

图 2：LTC6268H-10 放大器的低输入偏置电流、低噪声和宽带宽使其适合用作 TIA。（图片来源：Analog Devices）

　　在图 2 中，光电探测器 （PD） 被反向偏置以降低寄生电容，而寄生反馈电容 （C） 捕获了印刷电路板和反馈电阻器的寄生电容。LTC6268H-10 运算放大器的输入偏置电流在流经反馈电阻器时不会产生明显的 DC 误差，这一点至关重要。LTC6268H-10 以 ±4 皮安 （pA） 的极低输入偏置电流满足这一标准。LTC6268H-10 的低噪声规格在 1 兆赫 （MHz） 时等于每根赫兹 （nV/√Hz） 4 纳伏。

　　高速流式细胞仪要求信号路径设备具有较宽的带宽以实现快速转换速率。该电路中的 LTC6268H-10 带宽为 210 MHz，转换为约 1000 伏/微秒 （volts/µs） 的压摆率。

　　最后，最关键的规格是噪声密度，它必须至少比 ADC 噪声密度低三倍。LTC6268-10 的输入噪声密度在 1MHz 时为 4.0nV/√Hz。运算放大器反馈环路会获得这种噪声。此外，20 kΩ 反馈电阻器也会直接在放大器的输出端产生噪声。

　　20 kΩ 反馈电阻的噪声密度贡献 （V FB ） 在较高频率下主导 TIA 级噪声贡献，等于：

　　图 2 框图中第三个和第四个功能的职责是将 TIA 的输出信号转换为数字表示。第三、第四和参考功能的组合创建了一个数据采集解决方案。该解决方案集成了滤波器、驱动放大器、电压基准和 ADC（图 3）。

图 3：ADAQ23876 构成数据采集解决方案，显示为增益为 1.38 的单端输入配置。（图片来源：Analog Devices）

　　在图 3 中，Analog Devices ADAQ23876具有一个 16 位、每秒 15 兆样本 （MSPS）、逐次逼近寄存器 （SAR） ADC，可提供零延迟结果。输入的全差分放大器 （FDA） 的 R IN和 C IN分别为 1，407 Ω 和 3.3 皮法 （pF），以创建一阶低通滤波器。

　　该系统通过使用完全集成的器件在内部解决问题，简化了电路设计人员的 ADC 驱动器和布局挑战。对于该应用，ADAQ23876 配置满足单输入信号并实现 1.38 的内部增益，其中典型信噪比 （SNR） 为 88.8 分贝 （dB）。

　　用于电路分析的 LTspice 仿真

　　LTspice 是具有图形原理图捕获功能的高性能 SPICE 仿真器软件。您可以通过 LTspice 的内置波形查看器探索仿真结果的原理图并探索它们。

　　电路的噪声响应通常是特定原理图中各个组件的组合。LTspice 的噪声分析功能可帮助您推导出噪声响应。为了演示，本博客使用带有光电二极管、TIA 和数据采集解决方案模型的光测量电路（图 4）。

图 4：该仿真模型使用 LTC6862-10 FET 运算放大器和 ADAQ23876 数据采集解决方案来产生噪声响应。（图片来源：Analog Devices）

　　在图 4 中，光电二极管模型代表 Optoelectronics FCI-125G-006 1.25 千兆位每秒 （Gbit/s） 硅传感器。FCI-125G-006 具有 0.66 pF 的反向偏置寄生电容。选择的 TIA 单放大器 LTC6268H-10 在高于 10 伏特/伏特 （V/V） 的闭环增益中保持稳定，并具有 –40°C 至 125°C 的宽温度范围规格。

　　ADAQ23876 采用系统级封装 （SIP） 技术，通过在单个器件中组合多个通用信号处理和调理模块来减少系统组件数量和设计复杂性。

　　光测量噪声结果

　　交流扫描噪声仿真有助于确认整个电路的 ADC 分辨率。该仿真考虑了寄生电容和电阻，以在整个应用的频谱范围内产生完整的噪声结果。整个应用电路 （ADAQ23876 + LTC6268 + FCI-125G-006） 的整个频谱中的噪声贡献显示为 124.49 微伏 （µV） rms（图 5）。

图 5：来自 ADAQ23876 16 位 ADC 和 LTC6268 TIA 的噪声，显示了两个器件的总噪声。（图片来源：LTspice，邦妮贝克）

　　当用户按住 ctrl 左键单击图表顶部的曲线名称时，将显示整个仿真频谱中的总 RMS 噪声贡献（图 6）。

图 6：曲线下方区域的总噪声取决于仿真频率范围和器件的噪声生成值。一个简单的 ctrl 左键单击提供了这个 rms 值。（图片来源：LTspice，邦妮贝克）

　　ADAQ23876 在整个频谱范围内的噪声产生等于 71.79 µVRMS。在该图中，ADC 的 1 MHz 电压点噪声贡献约为 12 nV/√Hz。具有 1 Hz 带宽的点噪声出现在左下方，同时悬停在曲线上。

　　LTC6268 TIA 噪声在其输出引脚的整个频谱范围内贡献为 100.28 µVRMS。TIA 输出端的 1 MHz 点噪声约为 18.5 nV/√Hz。

　　那么，最关键的问题是，就整个系统的分辨率而言，这意味着什么？

　　结论

　　对于基于光度测量的仪器，可以结合使用光电二极管、TIA（例如 LTC6268）和 ADAQ23876 16 位、15 MSPS μModule，以简化高精度、高速、完整数据采集系统的设计。与 LTspice 仿真工具一起，该组合使设计人员摆脱了繁琐的噪声计算、高速 PC 板布局和流式细胞仪等精密应用的芯片计数难题。