민감한 기기 설계 중에 LTspice를 사용하여 광 감지 잡음 성능을 확인하는 방법

Analog Devices Inc.의 정밀 광대역 신호 체인 및 LTspice 시뮬레이터 소프트웨어는 설계자가 적합한 장치를 선택하고 평가할 수 있도록 지원합니다. 각 신호 체인은 ADI의 수십 년 동안 축적된 경험과 아날로그 포트폴리오를 활용하여 인사이트 및 애플리케이션 지식을 제공합니다.

정밀 광대역 신호 체인은 고정밀 AC-DC 측정 및 구동 성능을 제공합니다. 세 제품 구성도(전류 및 전압, 전류 및 전압 구동, 조명 측정)는 각각 신호 대 잡음비(SNR), DC 선형성, 정착 시간 성능, 폐쇄 루프/측정 대기 시간, 총 고조파 왜곡(THD) 측정에 대한 다양한 응용 분야별 최적화를 위해 준비된 개별 신호 체인을 제공합니다.

조명 측정 제품 구성도는 유세포분석기, 분광계, 화학적 분석 및 분석 기기 응용 분야와 일치합니다(그림 1).

그림 1: 유세포분석기, 분광계 또는 기타 분석 측정 응용 분야를 위한 정밀 광대역 조명 측정 제품 구성도 (이미지 출처: Analog Devices)

이 솔루션은 ADI의 정밀 트랜스 임피던스 증폭기(TIA), 아날로그 필터링, 전압 레퍼런스, 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 결합한 솔루션입니다.

조명 측정

TIA는 매우 낮은 입력 바이어스 전류를 사용하고, 잡음이 적고, 대역폭이 매우 넓어서 유세포분석기 장비에 적합합니다. 이 기능에 적절한 증폭기로는 바이어스 전류가 매우 낮고 4GHz FET 입력을 사용하는 Analog Devices의 LTC6268H-10 연산 증폭기(op amp)가 있습니다(그림 2). 오른쪽은 20kΩ 피드백 저항기 탑재 TIA로 구성된 경우의 주파수 응답을 보여줍니다.

그림 2: LTC6268H-10 증폭기는 낮은 입력 바이어스 전류, 낮은 잡음, 넓은 대역폭으로 인해 TIA로 사용하는 데 적합합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 2에서, 광검출기(PD)는 기생 정전 용량을 줄이기 위해 역방향 바이어스되고, 기생 피드백 정전 용량(C)은 pc 기판 및 피드백 저항기 기생 정전 용량을 캡처합니다. LTC6268H-10 연산 증폭기의 입력 바이어스 전류는 피드백 저항기를 흐르는 과정에서 중요한 DC 오류를 발생하지 않아야 합니다. LTC6268H-10은 ±4pA의 매우 낮은 입력 바이어스 전류로 이 기준을 충족하며 LTC6268H-10의 낮은 잡음 사양은 1MHz에서 4nV/√Hz와 동일합니다.

고속 유세포분석기를 사용하려면 빠른 슬루율을 위해 넓은 대역폭을 지원하는 신호 경로 장치가 필요합니다. 이 회로의 LTC6268H-10 대역폭은 210MHz이며, 마이크로초당 1000V 이하의 슬루율로 해석됩니다.

마지막으로 가장 중요한 사양은 잡음 밀도로, ADC 잡음 밀도보다 최소 3배 더 작아야 합니다. LTC6268-10의 입력 잡음 밀도는 1MHz에서 4.0nV/√Hz이고, 연산 증폭기 피드백 루프는 이 잡음을 얻습니다. 또한 오버섀도잉 20kΩ 피드백 저항기는 증폭기의 출력에서 직접 잡음을 생성합니다.

높은 주파수에서 TIA 단계 잡음의 대부분을 차지하는 20kΩ 피드백 저항기의 잡음 밀도 기여(V_FB)는 다음과 같습니다.

그림 2 제품 구성도에서 세 번째 기능과 네 번째 기능은 TIA의 출력 신호를 디지털 표현으로 변환하는 역할을 합니다. 결합된 세 번째, 네 번째 및 레퍼런스 기능은 데이터 취득 솔루션을 생성합니다. 이 솔루션은 필터, 구동기 증폭기, 전압 레퍼런스 및 ADC를 통합합니다(그림 3).

그림 3: ADAQ23876은 데이터 취득 솔루션을 형성하며 이득이 1.38인 단일 엔드 입력 구성으로 표시됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 3에서 Analog Devices ADAQ23876에는 결과 대기 시간이 0인 16비트 15MSPS 연속 근사화 레지스터(SAR) ADC가 있습니다. 입력의 완전 차동 증폭기(FDA)는 각각 1,407Ω 및 3.3pF R_IN 및 C_IN으로 1차 저역 통과 필터를 생성합니다.

이 시스템은 완전 집적 소자를 통해 내부적으로 문제를 해결하여 회로 설계자의 ADC 구동기 및 레이아웃 과제를 간소화합니다. 이 응용 분야에서 ADAQ23876 구성은 단일 입력 신호를 충족하고 1.38의 내부 이득을 구현하며, 일반적인 신호 대 잡음비(SNR)는 88.8dB입니다.

회로 분석을 위한 LTspice 시뮬레이션

LTspice는 그래픽 회로도 캡처 기능을 갖춘 고성능 SPICE 시뮬레이터 소프트웨어입니다. LTspice의 내장된 파형 뷰어를 통해 회로도를 탐색하여 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있습니다.

회로의 잡음 응답은 주로 특정 회로도의 개별 부품을 합한 것과 같습니다. LTspice의 잡음 분석 기능을 사용하여 잡음 응답을 도출할 수 있습니다. 시연을 위해 이 블로그에서는 광 다이오드, TIA 및 데이터 취득 솔루션 모델을 포함하는 조명 측정 회로를 사용합니다(그림 4).

그림 4: 이 시뮬레이션 모델에서는 LTC6862-10 FET 연산 증폭기 및 ADAQ23876 데이터 취득 솔루션을 사용하여 잡음 응답을 생성합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 4에서 광 다이오드 모델은 광전자 FCI-125G-006 1.25Gbit/s 실리콘 센서를 대표합니다. FCI-125G-006의 역방향 바이어스 기생 정전 용량은 0.66pF입니다. 선택된 TIA 단일 증폭기인 LTC6268H-10은 10V/V보다 큰 폐쇄 루프 이득에서 안정적이며 –40°C ~ 125°C의 넓은 온도 범위 사양을 지원합니다.

ADAQ23876은 여러 공통 신호 처리 및 컨디셔닝 블록을 단일 장치에 결합하여 시스템 부품 수와 설계 복잡도를 줄이는 시스템 인 패키지(SIP) 기술을 사용합니다.

조명 측정 잡음 결과

AC 스윕 잡음 시뮬레이션은 ADC의 총 회로 분해능을 확인하는 데 유용합니다. 시뮬레이션에서는 응용 분야의 주파수 스펙트럼 전반에서 완벽한 잡음 결과를 생성하기 위해 기생 정전 용량과 저항을 고려합니다. 총 응용 분야 회로(ADAQ23876 + LTC6268 + FCI-125G-006)의 전체 주파수 스펙트럼에서 잡음 기여도는 124.49µV rms로 표시됩니다(그림 5).

그림 5: ADAQ23876 16비트 ADC 및 LTC6268 TIA의 잡음이 두 장치의 총 잡음과 함께 표시됩니다. (이미지 출처: LTspice, Bonnie Baker)

Ctrl 키를 누른 상태로 그래프의 맨 위에 있는 곡선 이름을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하면 시뮬레이션 주파수 스펙트럼 전반의 총 RMS 잡음 기여도가 표시됩니다(그림 6).

그림 6: 곡선 아래 영역의 총 잡음은 시뮬레이션 주파수 범위와 장치의 잡음 생성 값에 따라 달라집니다. Ctrl 키를 누른 상태로 마우스 왼쪽 버튼을 클릭하면 이 rms 값이 제공됩니다. (이미지 출처: LTspice, Bonnie Baker)

전체 주파수 스펙트럼에서 ADAQ23876의 잡음 생성은 71.79µVRMS이고, 이 그래프에서 ADC의 1MHz 전압 스폿 잡음 기여는 약 12nV/√Hz입니다. 곡선 위로 마우스 커서를 위동하면 대역폭이 1Hz인 스폿 잡음이 왼쪽 하단에 표시됩니다.

출력 핀의 전체 주파수 스펙트럼에서 LTC6268 TIA 잡음 기여는 100.28µVRMS입니다. TIA의 출력에서 1MHz 스폿 잡음은 약 18.5nV/√Hz입니다.

그러므로 가장 중요한 질문은, 전체 시스템 분해능의 측면에서 이는 무엇을 의미하는가입니다.

결론

광도 측정 기반 계측에서 광 다이오드, TIA(예: LTC6268) 및 ADAQ23876 16비트 15MSPS μModule을 결합하여 완벽한 고정밀 고속 데이터 취득 시스템 설계를 간소화할 수 있습니다. LTspice 시뮬레이션 도구와 함께 사용하면 유세포분석기와 같은 정밀 응용 분야에서 설계자의 지루한 잡음 계산, 고속 pc 기판 레이아웃 및 칩 수 문제를 완화할 수 있습니다.