Comment utiliser LTspice pour déterminer les performances de bruit de photodétection lors de la conception d'instruments sensibles

Les chaînes de signaux de précision à large bande passante et le logiciel de simulation LTspice d'Analog Devices Inc. aident les concepteurs à sélectionner et à évaluer les dispositifs. Chaque chaîne de signaux apporte des informations et des connaissances applicatives d'ADI en exploitant les décennies d'expérience et le portefeuille de produits analogiques de la société.

Les chaînes de signaux de précision à large bande passante offrent des performances de commande et de mesure CA/CC de haute précision. Les trois schémas fonctionnels (courant et tension, commande de courant et de tension, et mesures de lumière) présentent des chaînes de signaux individuelles, chacune d'elles étant prête pour diverses optimisations spécifiques à l'application pour les mesures de rapport signal/bruit (SNR), de linéarité CC, de performances de temps de stabilisation, de latence de mesure/ boucle fermée et de distorsion harmonique totale (THD).

Le schéma fonctionnel de mesure de la lumière correspond aux applications de cytométrie en flux, de spectrométrie, d'analyse chimique et d'instruments analytiques (Figure 1).

Figure 1 : Schéma fonctionnel de mesure de la lumière de précision à large bande passante pour les applications de cytométrie en flux, de spectrométrie ou d'autres applications de mesures analytiques. (Source de l'image : Analog Devices)

Cette solution combine les amplificateurs d'adaptation d'impédance de précision d'ADI, un filtrage analogique, une référence de tension et un convertisseur analogique-numérique (CAN).

Mesure de la lumière

L'amplificateur d'adaptation d'impédance doit présenter un courant de polarisation d'entrée extrêmement faible, un faible bruit et une très large bande passante pour convenir aux équipements de cytométrie en flux. Un amplificateur approprié pour cette fonction est l'amplificateur opérationnel LTC6268H-10 d'Analog Devices avec son courant de polarisation ultrafaible et son entrée FET de 4 gigahertz (GHz) (Figure 2). Sa réponse en fréquence, lorsqu'il est configuré comme amplificateur d'adaptation d'impédance avec une résistance de contre-réaction de 20 kilohms (kΩ), est illustrée ci-dessous (à droite).

Figure 2 : Grâce à son faible courant de polarisation d'entrée, son faible bruit et sa large bande passante, l'amplificateur LTC6268H-10 est adapté à une utilisation en tant qu'amplificateur d'adaptation d'impédance. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 2, le photodétecteur (PD) présente une polarisation inverse pour réduire la capacité parasite, et la capacité parasite de retour (C) capture la capacité parasite du circuit imprimé et de la résistance de contre-réaction. Il est essentiel que le courant de polarisation d'entrée de l'amplificateur opérationnel LTC6268H-10 ne crée pas d'erreur CC significative lorsqu'il traverse la résistance de contre-réaction. Le LTC6268H-10 répond à ce critère avec un courant de polarisation d'entrée extrêmement faible de ±4 picoampères (pA). La spécification de faible bruit du LTC6268H-10 est égale à 4 nV/√Hz à 1 mégahertz (MHz).

La cytométrie en flux haute vitesse exige que les dispositifs de trajet du signal disposent d'une large bande passante pour une vitesse de balayage rapide. La bande passante du LTC6268H-10 dans ce circuit est de 210 MHz, ce qui se traduit par une vitesse de balayage de ~1000 volts par microseconde (V/µs).

Enfin, la spécification la plus critique est la densité de bruit, qui doit être au moins trois fois inférieure à la densité de bruit du CAN. La densité de bruit d'entrée du LTC6268-10 est de 4,0 nV/√Hz à 1 MHz. La boucle de rétroaction de l'amplificateur opérationnel augmente ce bruit. De plus, une résistance de contre-réaction de 20 kΩ produit également du bruit directement à la sortie de l'amplificateur.

La contribution de densité de bruit (V_FB) de la résistance de contre-réaction de 20 kΩ, qui, à des fréquences plus élevées, domine la contribution du bruit de l'étage de l'amplificateur d'adaptation d'impédance, est égale à :

La responsabilité des troisième et quatrième fonctions dans le schéma fonctionnel de la Figure 2 est de convertir le signal de sortie de l'amplificateur d'adaptation d'impédance en une représentation numérique. La combinaison des troisième et quatrième fonctions et de la fonction de référence crée une solution d'acquisition de données. Cette solution intègre le filtre, l'amplificateur d'attaque, la référence de tension et le CAN (Figure 3).

Figure 3 : L'ADAQ23876 constitue une solution d'acquisition de données et est représenté dans une configuration à entrée asymétrique avec un gain de 1,38. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 3, l'ADAQ23876 d'Analog Devices est doté d'un CAN à registre d'approximations successives (SAR) de 16 bits et 15 méga-échantillons par seconde (Méch./s) qui fournit des résultats sans latence. L'amplificateur entièrement différentiel (FDA) de l'entrée présente des valeurs R_IN et C_IN de 1,407 Ω et 3,3 picofarads (pF), respectivement, pour créer un filtre passe-bas du 1^er ordre.

Ce système simplifie les défis de configuration et de circuit d'attaque CAN pour le concepteur de circuits en résolvant les problèmes en interne avec le dispositif entièrement intégré. Pour cette application, la configuration de l'ADAQ23876 s'adapte à un seul signal d'entrée et implémente un gain interne de 1,38, où le rapport signal/bruit (SNR) typique est de 88,8 décibels (dB).

Simulations LTspice pour l'analyse des circuits

LTspice est un logiciel de simulation SPICE hautes performances qui permet de capturer des schémas graphiques. Vous pouvez simuler des schémas de circuits et les explorer grâce à la visionneuse de formes d'ondes intégrée dans LTspice.

La réponse en bruit d'un circuit est souvent une combinaison de composants individuels dans un schéma spécifique. La fonction d'analyse du bruit de LTspice vous aide à dériver la réponse en bruit. Pour le démontrer, cet article utilise un circuit de mesure de la lumière avec une photodiode, un amplificateur d'adaptation d'impédance et des modèles de solutions d'acquisition de données (Figure 4).

Figure 4 : Ce modèle de simulation utilise l'amplificateur opérationnel FET LTC6268-10 et la solution d'acquisition de données ADAQ23876 pour produire des réponses en bruit. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 4, le modèle de photodiode représente un capteur silicium Optoelectronics FCI-125G-006 de 1,25 gigabit par seconde (Gb/s). Le FCI-125G-006 offre une capacité parasite de polarisation inverse de 0,66 pF. L'amplificateur d'adaptation d'impédance simple de choix, le LTC6268H-10, est stable à des gains en boucle fermée supérieurs à 10 V/V et affiche une spécification de plage de températures étendue de -40°C à +125°C.

L'ADAQ23876 utilise la technologie de système en boîtier (SiP) qui réduit le nombre de composants du système et la complexité de la conception en combinant plusieurs blocs communs de traitement et de mise en forme des signaux dans un seul dispositif.

Résultats du bruit de mesure de la lumière

Une simulation de bruit de balayage CA est utile pour confirmer la résolution CAN du circuit total. La simulation prend en compte les résistances et les capacités parasites pour produire des résultats de bruit complets sur le spectre de fréquences de l'application. La contribution du bruit sur l'ensemble du spectre de fréquences du circuit d'application total (ADAQ23876 + LTC6268 + FCI-125G-006) est de 124,49 microvolts (µV) RMS (Figure 5).

Figure 5 : Bruit du CAN 16 bits ADAQ23876 et de l'amplificateur d'adaptation d'impédance LTC6268, illustré avec le bruit total des deux dispositifs. (Source de l'image : LTspice, Bonnie Baker)

La contribution du bruit RMS total sur le spectre de fréquences de la simulation apparaît lorsque l'utilisateur effectue un Ctrl + clic gauche sur le nom de la courbe en haut du graphique (Figure 6).

Figure 6 : Le bruit total dans la zone sous la courbe dépend de la gamme de fréquences de la simulation et de la valeur de génération du bruit des dispositifs. Un simple Ctrl + clic gauche fournit cette valeur efficace. (Source de l'image : LTspice, Bonnie Baker)

La production de bruit de l'ADAQ23876 sur l'ensemble du spectre de fréquences est égale à 71,79 µVRMS. Dans ce graphique, la contribution de bruit ponctuel de tension à 1 MHz du CAN est d'environ 12 nV/√Hz. Le bruit ponctuel, dont la bande passante est de 1 Hz, apparaît en bas à gauche en survolant la courbe.

La contribution de bruit de l'amplificateur d'adaptation d'impédance LTC6268 sur l'ensemble du spectre de fréquences au niveau de sa broche de sortie est de 100,28 µVRMS. Le bruit ponctuel à 1 MHz au niveau de la sortie de l'amplificateur d'adaptation d'impédance est d'environ 18,5 nV/√Hz.

La question la plus importante est donc de savoir ce que cela signifie en termes de résolution du système total.

Conclusion

Pour les instruments basés sur la photométrie, une photodiode, un amplificateur d'adaptation d'impédance tel que le LTC6268 et un μModule 16 bits et 15 Méch./s ADAQ23876 peuvent être combinés pour simplifier la conception d'un système d'acquisition de données complet haute précision et haute vitesse. Avec l'outil de simulation LTspice, la combinaison soulage le concepteur du casse-tête engendré par les calculs de bruit fastidieux, la configuration des circuits imprimés haute vitesse et le nombre de puces pour les applications de précision telles que la cytométrie en flux.