고감도 분광 광도계 감지 회로를 구현하는 방법

수질 및 공기질에 대한 우려가 커지면서 실험 및 분석 분광 광도계 계측 설계자는 기체 또는 액체 상태의 미세 물질 또는 변색을 정량적으로 분석해야 한다는 부담감이 커지고 있습니다. 하지만 샘플 솔루션을 통과한 이후에 흡수되거나 반사되는 빛의 강도를 측정할 수 있는 분 단위의 균등하게 민감한 감지 방법이 필요합니다.

설계자는 감지 장치와의 측정 간섭을 최소화하는 저소음 초저전류 프런트 엔드 전자 장치를 설계할 수 있어야 합니다. 프런트 엔드 광 다이오드를 포함하는 표준 트랜스 임피던스 증폭기(TIA) 회로는 분석 분광 광도계에 대해 점차적으로 높아지는 감도 요구 사항을 충족할 정도로 정밀하지 않습니다.

많은 설계자에게 최상의 방법은 기존 회로를 간단히 수정하는 것입니다. 이 설계 기술을 사용하면 설계에 성공할 가능성을 극대화하는 동시에 전반적인 비용을 낮출 수 있습니다.

이 기사에서는 고정밀 저전류 광 다이오드에 대한 TIA 회로의 요구 사항을 설명합니다. 매우 낮은 광 다이오드 전류를 수용하기 위해 Analog Devices ADA4530-1ARZ-R7 저소음 프런트 엔드 증폭기, AD7172-2BRUZ 고정밀 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 최적 레이아웃 기술을 비롯한 신호 체인의 주요 요소를 소개합니다. 그런 다음 잘 맞는 요소를 실용적인 구성에 결합하는 참조 설계를 이용해 수월하게 설계를 시작하는 방법을 설명합니다.

분광 광도계

분광 광도계에서는 화학, 생화학, 물리, 화학공학, 재료공학 등 다양한 분야에서 정량적 분석을 사용하고 있습니다. 이 기술은 물질(이 경우 물에 비치는 물질)에 대한 흡수 또는 입사광을 측정합니다. 측정 기수에서는 빔이 샘플 솔루션을 통과할 때 빛의 강도를 감지합니다. 일반적인 분광 광도계는 광원, 분광기, 단색 광기, 파장 선택기, 샘플 솔루션을 위한 큐벳, 광전 감지기, 디지털 디스플레이 또는 계측기로 구성됩니다(그림 1).

그림 1: 분광 광도계는 빛의 특정 파장 범위를 흡수, 전달 또는 반사하는 방법에 따라 모든 화학 화합물을 구분할 수 있다는 사실을 활용합니다. (이미지 출처: Chemistry LibreTexts)

그림 1에서 분광기, 단색 광기 및 파장 선택기는 광원에서 원하는 파장을 생성합니다. 분광기는 빛의 직선 빔을 단색 광기에 전달합니다. 단색 광기 또는 프리즘은 다양한 파장 또는 빛 스펙트럼을 생성합니다. 파장 선택기(구멍)는 광신호를 필터링하여 선택된 파장 밴드를 좁힙니다. 그러면 결과 입사광 신호(Io)는 액체 샘플 보관을 위한 각형 광학 투명 컨테이너인 큐벳에 보관되는 샘플 솔루션에 영향을 줍니다.

원하는 빛의 파장이 큐벳의 샘플 솔루션을 통과하고 나면 신생 광자 수를 감지하는 광검출기에서 전달된 빛(It)을 감지합니다. 신호는 추가적으로 처리되어 디지털 디스플레이로 전달됩니다.

모든 화학 화합물은 빛의 특정 파장 범위를 흡수, 전달 또는 반사합니다. 분광 광도계 장비는 샘플 솔루션의 빛의 강도 출력을 측정하여 흡수 또는 전달되는 화학 물질의 유형과 양을 계측합니다.

각각 단색 광기의 파장 범위에 종속되는 두 가지 유형의 분광 광도계가 있습니다.

1. 파장 범위가 있는 자외선(UV) 가시 분광 광도계는 185nm ~ 400nm 및 400nm ~ 700nm 가시 범위의 두 가지로 분할됩니다.
2. 적외선(IR) 분광 광도계는 파장 범위가 700nm ~ 15000nm입니다.

분광 광도계의 응용 분야는 다양합니다. 예를 들어 생화학 분야에서 분광 광도계는 촉매 효소 반응을 분석하는 데 사용됩니다. 또한 이 기술은 혈액 또는 조직을 임상적으로 검사하는 데 사용됩니다. 기타 분광 광도계 변형으로는 원자 방출 분광 광도계 및 원자 흡수 분광 광도계가 있습니다.

광검출기 단계

일반 광검출기 단계에서는 실리콘 광 다이오드 또는 광전자 증배관과 같은 광 센서를 사용하여 빛을 작은 전류로 변환합니다. 광 센서를 따라 연산 증폭기(op amp)에서 작은 센서 전류를 사용 가능한 전압으로 변환합니다. 간단히 말해 여기서는 기본 TIA를 설명합니다.

TIA 회로의 중요 부품에는 광 다이오드, 낮은 입력 바이어스 전류 연산 증폭기, 피드백 저항기(R_F), 안정화 피드백 커패시터(C_F) 등이 있습니다(그림 2).

그림 2: 기본 TIA는 광 다이오드의 작은 센서 전류(I_PD)를 유용한 전압으로 변환합니다. 중요 부품에는 광 다이오드(D_PD), 낮은 입력 바이어스 전류 연산 증폭기, 피드백 저항기(R_F), 안정화 피드백 커패시터(C_F) 등이 있습니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

그림 2에서 광 다이오드는 UV 가시 또는 IR 파장 범위를 감지하기 위해 선택되었습니다. 연산 증폭기는 최소 입력 바이어스 전류와 수십 피코암페어(pA) ~ 수십 펨토암페어(fA) 범위로 높은 임피던스 입력을 사용합니다. R_F 범위는 수백 kΩ ~ 수십 GΩ이며 광 다이오드 전류(I_PD)를 증폭기의 전체 출력 전압 범위로 변환하는 데 충분할 정도로 높습니다. C_F는 증폭기의 대역폭, 입력 정전 용량 및 기생 광 다이오드 정전 용량 간의 관계에 따라 값이 달라지며, TIA의 위상 마진을 설정합니다.

TIA 설계의 주요 문제는 회로 안정성을 확보하는 것입니다. 이 분석에서는 보데 플롯을 사용하여 TIA의 전달 함수를 평가합니다.

그림 3은 일반 TIA 회로를 보여줍니다. 회로의 안정성은 증폭기의 이득 및 대역폭 특성(A_OL(jw)), 회로의 저항 기 2개 및 커패시터 6개 간의 균형에 따라 달라집니다.

그림 3: TIA 광 감지 회로 모델에서 증폭기의 이득 및 대역폭 특성(A_OL(jw)), 회로의 저항기 2개 및 커패시터 6개 간에 균형이 이루어질 때 안정성이 확보됩니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

그림 3의 광 다이오드 모델에서는 광 유도 전류 소스(I_PD), 기생 접합 정전 용량(C_PD) 및 기생 접합 임피던스(R_PD)를 포함하는 아이디얼 다이오드를 사용합니다. TIA에서 회로 안정성에 영향을 주는 기타 기생 정전 용량으로는 증폭기의 공통 모드 입력 정전 용량(C_CM), 차동 입력 정전 용량(C_DM) 및 피드백 저항기의 기생 정전 용량(C_RF)이 있습니다(그림 4).

그림 4: 그림 3의 모델에 따른 TIA 회로의 저항 및 정전 용량 정의 (이미지 출처: Bonnie Baker)

TIA의 주파수 도메인 전달 함수는 방정식 1에 따라 제공됩니다.

방정식 1

여기서,

• A_OL(jw)은 주파수에 대한 증폭기의 개방 루프 이득입니다.
• β는 시스템 피드백 계수이며 1/(1 + Z_IN/Z_F)과 같습니다.
• Z_IN은 분산 입력 임피던스이며 R_PD || jw(C_PD + C_CM + C_DIFF)와 같습니다.
• Z_F는 분산 피드백 임피던스이며 R_F || jw(C_RF + C_F)와 같습니다.

보데 플롯을 사용하여 회로의 안정성을 확인할 수 있습니다. 이 설계에 적절한 보데 플롯은 증폭기의 개방 루프 이득 및 1/β 곡선을 가집니다. 잡음 이득(1/β) 주파수 응답을 결정하는 시스템 요소는 광 다이오드 기생, 연산 증폭기의 입력 임피던스(Z_IN), 증폭기의 피드백 루프 부품(R_F, C_RF, C_F) 등입니다(그림 5).

그림 5: 개방 루프 이득 주파수 응답과 피드백 이득 역(1/β) 간의 근접률은 10년에 20dB입니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

그림 5에서 녹색 곡선은 TIA의 폐쇄 루프 이득을 보여주고 청록색 곡선은 ADA4530-1의 개방 루프 이득 성능을 보여줍니다. 폐쇄 루프 TIA 이득 곡선에서 DC 이득은 증폭기 회로의 비반전 이득과 같습니다(이득 = 1 + R_F/R_PD). 이 곡선에서 첫 번째 주파수 변경은 첫 번째 0(f_z) 위치(피드백 네트워크에 따라 다름)에서 발생합니다. TIA 폐쇄 루프 이득 곡선의 두 번째 주파수 변경은 첫 번째 극(f_P) 위치(광 다이오드 기생, 증폭기 기생 및 피드백 요소에 따라 다름)에서 발생합니다. 이 이득 곡선은 1 + (C_PD + C_CM + C_DIFF)/C_F의 최종 이득에서 이론적으로 평평합니다. f_Z 및 f_P를 계산하려면 방정식 2 및 3을 사용합니다.

방정식 2

방정식 3

이 회로에서 중요한 점은 A_OL(jw) 곡선이 1/β 곡선과 교차하는 위치입니다. 두 곡선 간의 근접률에 따라 시스템의 위상 마진이 결정됩니다. 즉, 안정성을 예측할 수 있습니다.

예를 들어 그림 5에서 두 곡선의 근접률은 10년에 20dB입니다. 증폭기는 약 –90도 위상 변이에 기여하고, 피드백 계수는 약 0도 위상 변이에 기여합니다. A_OL(jw) 위상 변이에서 1/β 위상 변이를 더하면 시스템 위상 변이는 –90도, 위상 마진은 90도가 되어 안정적인 시스템이 구축됩니다. 두 곡선의 근접률이 10년에 40dB인 경우 즉, 위상 변이가 –180도이고 위상 마진이 0도이면 회로가 스텝 함수 입력에 따라 진동하거나 울립니다.

회로 불안정성을 해결하는 두 가지 방법으로 피드백 커패시터 C_F를 추가하거나 증폭기에서 다른 A_OL 주파수 응답 또는 다른 입력 정전 용량을 사용하도록 변경할 수 있습니다.

증폭기 대역폭 및 입력 정전 용량의 차이와 피드백 저항기 값을 허용하는 보수적인 계산에서는 두 곡선이 교차하는 1/2 주파수 위치에 1/β 시스템 극을 배치합니다. C_F에 대한 이 계산은 방정식 4에 표시됩니다.

방정식 4

여기서 f_GBW는 증폭기의 이득 대역폭 곱입니다. 또한 방정식 4에서는 시스템 위상 마진 65도를 구합니다.

예를 들어 Analog Devices의 ADA4530-1ARZ-R7 fA 입력 바이어스 전류 전위계 증폭기의 최대 입력 바이어스 전류는 ±20fA이고, 입력 오프셋 전압은 50µV이고, f_GBW는 1MHz이고, C_CM + C_DIFF는 8pF입니다. 증폭기 외부 부품(R_F, C_RF, C_PD)은 각각 10GΩ, 5pF 및 1pF입니다.

개념 증명: 분광 광도계 검출기

앞서 언급한 대로 광 다이오드/정밀 증폭기는 광 다이오드의 입사 광자를 감지하여 가용 전압으로 변환합니다. 그러면 고분해능 ADC가 증폭기의 출력 전압을 디지털 표현방식으로 변환합니다. 이에 대한 기능 회로도는 그림 6을 참조하십시오. 분광 광도계 검출기 단계에서는 정밀 아날로그 프런트 엔드를 사용하여 fA 범위 내 광 다이오드 전류를 측정해야 합니다. TIA의 입력 바이어스 전류 사양은 이 낮은 입력 바이어스 전류 요구 사항을 준수해야 합니다.

그림 6: ADA4530-1ARZ-R7 fA 입력 바이어스 전류 전위계 증폭기를 기반으로 하는 분광 광도계 fA TIA 검출기 회로에서는 데이터 취득 기판(오른쪽)에 연결된 저누설 메자닌 기판(왼쪽)을 사용합니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

표시된 TIA 회로에서는 저누설 메자닌 기판을 데이터 취득 기판과 연결하여 두 개의 기판을 사용합니다. 메자닌 기판에는 기본 TIA 회로를 형성하는 광 다이오드(D_PD), ADA4530-1 초저입력 바이어스 전류 연산 증폭기, 과도하게 높은 피드백 저항기(10GΩ 유리 저항기) 및 피드백 커패시터(C_F)가 포함되어 있습니다.

이 초고감도 아날로그 프런트 엔드에 적절한 입력 장치는 광 다이오드 또는 광전자 증배관 튜브 센서입니다. 감지 다이오드(D_PD)는 ADA4530-1의 차동 입력 핀을 포괄합니다. ADA4530-1에 통합된 가드 버퍼는 입력 핀을 PC 기판 누설로부터 분리하여 ±20fA 입력 바이어스 전류를 낮게 유지합니다.

이 기사에서 수행된 테스트에서 메자닌 기판(EVAL-CN0407-1-SDPZ)은 하이브리드 FR-4 및 Rogers 4350B 래미네이트를 기반으로 하는 저누설 기판입니다. 외부 레이어는 세라믹(Rogers 4350B)이고 내부 레이어는 표준 유리 에폭시 래미네이트(FR-4)입니다. 유리 또는 에폭시 소재에 비해 Rogers 4350B 소재는 더 우수한 절연체입니다(그림 7).

그림 7: 이 TIA 설정에 사용된 저누설 메자닌 기판은 하이브리드 FR-4 및 Rogers 4350B 래미네이트입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

또한 그림 7에서 Rogers 4350B 소재는 전류 누설을 최소화하고 유리 또는 에폭시 유전체에 비해 유전 완화 시간이 훨씬 짧습니다.

ADC 및 전압 레퍼런스

데이터 취득 기판에는 Analog Devices AD7172-2 ADC, 전원 공급 장치, ADC의 레퍼런스 전압 및 분리된 디지털 인터페이스가 있습니다. ADC는 5 SPS(샘플링 속도)의 전환율에서 잡음 없는 24비트를 생성하는 24비트 Ʃ-Δ ADC입니다.

메자닌 기판의 출력 전압 범위는 ±5V입니다. Analog Devices의 ADR4525BRZ-R7 2.5V 전압 레퍼런스를 사용할 경우 AD7172-2 ADC의 입력 범위는 ±2.5V입니다. 10kΩ/10kΩ 정합 저항기 분배기는 메자닌 기판의 출력을 2배 줄입니다. ADC 오프셋 오류를 최소화하기 위해 Analog Devices의 ADG1419BRMZ-REEL7 아날로그 단극/쌍투(SPDT) 스위치에서는 접지에 대한 저항기 분배기의 입력을 단락시킵니다. 이 구성을 사용하면 측정된 ADC 및 저항기 분배기 오프셋 오류를 제거할 수 있습니다. ADA4530-1의 자체 회로망에서 나머지 오프셋을 생성합니다.

전력 관리

분광 광도계 fA 검출기 단계의 전력 관리 부분에서 메자닌과 데이터 취득 기판의 모든 부품을 구동합니다. 데이터 취득 기판의 전력 관리 섹션에서는 9V 외부 DC 전원 공급 장치에서 전력을 파생합니다(그림 8).

그림 8: 외부 9V 입력하는 분광 광도계 fA 검출기의 전력 섹션에서는 Analog Devices의 저드롭아웃 조정기(LDO)를 사용하여 메자닌 및 데이터 취득 기판의 모든 부품을 구동합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

9V 외부 입력에서 기판의 전력 IC까지 입력 회로망에는 과도 과전압과 역전압 방지 기능이 포함되어 있습니다. Analog Devices의 세 ADP7118ACPZN-R7 저잡음 LDO 선형 조정기에서는 5V(ADA4530-1 증폭기), 2.5V(AD7172-2 ADC 아날로그 프런트 엔드) 및 3.3V(디지털 I/O 라인 및 Analog Devices ADUM3151BRSZ-RL7 디지털 절연기)가 생성됩니다.

분광 광도계 검출기 회로 테스트

메자닌 기판은 그림 9와 같이 데이터 취득 기판의 위쪽에 실장됩니다.

그림 9: 실드를 메자닌 기판 주위에 배치하기 전에 메자닌 기판과 데이터 취득 PC 기판을 결합합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 9에서는 메자닌 기판이 실드가 제거된 상태로 보여지고 있습니다. 실장된 실드는 ADA4530-1 증폭기의 입력 단계에서 간섭을 방지합니다.

테스트를 시작하려면 9V 공급 장치를 연결하고 Analog Devices 지원 사이트의 회로 평가 및 테스트 섹션에서 EVAL-CN0407-SDPZ 평가 소프트웨어를 다운로드해야 합니다.

소프트웨어를 불러와서 실행하면 ADC 잡음을 테스트하도록 기판이 구성됩니다. 최적의 잡음 성능을 얻기 위해 최저 허용 샘플링 속도(SPS)를 선택하십시오. 예를 들어 0.83 SPS로 120분 동안 샘플링할 경우 시스템 잡음은 1.4fA rms로 DC 값은 -150aA입니다(그림 10).

그림 10: fA 측정 시스템의 최적 잡음 성능을 얻기 위해 최저 허용 샘플링 속도(SPS)를 선택하십시오. 예를 들어 0.83 SPS로 120분 동안 샘플링할 때의 시스템 잡음을 보여줍니다. 여기서는 DC 값 -150aA로 1.4fA rms 잡음이 생성됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

10GΩ 저항기의 열잡음은 12.87 µV/√Hz로서 시스템 잡음의 대부분을 차지합니다. 여기에 대응하는 ADC의 오버샘플링 기능은 결과에서 더 높은 주파수 잡음을 필터링할 수 있습니다.

결론

분광 광도계 계측에서는 유리 또는 액체의 변색 또는 미세 물질을 정량적으로 분석합니다. 설계자는 감지 장치와의 측정 간섭을 최소화하는 저소음 초저전류 프런트 엔드 전자 장치를 설계할 수 있어야 합니다.

실현 가능한 분광 광도계 솔루션을 추구하여 ADA4530-1 fA 증폭기와 24비트 AD7172-2 Ʃ-Δ ADC로 구성된 TIA 구성을 활용하여 강력한 고정밀 솔루션을 구축할 수 있다는 것을 입증했습니다. 혁신적인 레이아웃 및 기판 제조 기술을 통해 최종 솔루션을 실현하고 잡음을 낮출 수 있습니다.