Analog Devices Inc. 的 精密寬帶寬信號鏈和LTspice仿真器軟件可幫助設計人員選擇和評估器件。通過利用數十年的經驗及其模擬產品組合，每個信號鏈都帶來了 ADI 的洞察力和應用知識。

　　精密寬帶寬信號鏈提供高精度 AC-DC 測量和驅動性能。三個框圖（電流和電壓、電流和電壓驅動以及光測量）展示了單獨的信號鏈，每個信號鏈都可以針對信噪比 （SNR）、直流線性度、建立時間性能、閉環/測量延遲和總諧波失真 （THD） 測量。

　　光測量框圖與流式細胞儀、光譜儀、化學分析和分析儀器應用相匹配（圖 1）。

圖 1：用于流式細胞術、光譜法或其他分析測量應用的精密寬帶寬光測量框圖。（圖片來源：Analog Devices）

　　該解決方案結合了 ADI 的精密跨阻放大器 （TIA）、模擬濾波、電壓基準和模數轉換器 （ADC）。

　　光測量

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

　　在圖 2 中，光電探測器 （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 運算放大器的輸入偏置電流在流經反饋電阻器時不會產生明顯的 DC 誤差，這一點至關重要。LTC6268H-10 以 ±4 皮安 （pA） 的極低輸入偏置電流滿足這一標準。LTC6268H-10 的低噪聲規格在 1 兆赫 （MHz） 時等于每根赫茲 （nV/√Hz） 4 納伏。

　　高速流式細胞儀要求信號路徑設備具有較寬的帶寬以實現快速轉換速率。該電路中的 LTC6268H-10 帶寬為 210 MHz，轉換為約 1000 伏/微秒 （volts/μs） 的壓擺率。

　　最后，最關鍵的規格是噪聲密度，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 時為 4.0nV/√Hz。運算放大器反饋環路會獲得這種噪聲。此外，20 kΩ 反饋電阻器也會直接在放大器的輸出端產生噪聲。

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

　　圖 2 框圖中第三個和第四個功能的職責是將 TIA 的輸出信號轉換為數字表示。第三、第四和參考功能的組合創建了一個數據采集解決方案。該解決方案集成了濾波器、驅動放大器、電壓基準和 ADC（圖 3）。

圖 3：ADAQ23876 構成數據采集解決方案，顯示為增益為 1.38 的單端輸入配置。（圖片來源：Analog Devices）

　　在圖 3 中，Analog Devices ADAQ23876具有一個 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），以創建一階低通濾波器。

　　該系統通過使用完全集成的器件在內部解決問題，簡化了電路設計人員的 ADC 驅動器和布局挑戰。對于該應用，ADAQ23876 配置滿足單輸入信號并實現 1.38 的內部增益，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 LTspice 的內置波形查看器探索仿真結果的原理圖并探索它們。

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

圖 4：該仿真模型使用 LTC6862-10 FET 運算放大器和 ADAQ23876 數據采集解決方案來產生噪聲響應。（圖片來源：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） 的閉環增益中保持穩定，并具有 –40°C 至 125°C 的寬溫度范圍規格。

　　ADAQ23876 采用系統級封裝 （SIP） 技術，通過在單個器件中組合多個通用信號處理和調理模塊來減少系統組件數量和設計復雜性。

　　光測量噪聲結果

　　交流掃描噪聲仿真有助于確認整個電路的 ADC 分辨率。該仿真考慮了寄生電容和電阻，以在整個應用的頻譜范圍內產生完整的噪聲結果。整個應用電路 （ADAQ23876 + LTC6268 + FCI-125G-006） 的整個頻譜中的噪聲貢獻顯示為 124.49 微伏 （μV） rms（圖 5）。

圖 5：來自 ADAQ23876 16 位 ADC 和 LTC6268 TIA 的噪聲，顯示了兩個器件的總噪聲。（圖片來源：LTspice，邦妮貝克）

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

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

　　ADAQ23876 在整個頻譜范圍內的噪聲產生等于 71.79 μVRMS。在該圖中，ADC 的 1 MHz 電壓點噪聲貢獻約為 12 nV/√Hz。具有 1 Hz 帶寬的點噪聲出現在左下方，同時懸停在曲線上。

　　LTC6268 TIA 噪聲在其輸出引腳的整個頻譜范圍內貢獻為 100.28 μVRMS。TIA 輸出端的 1 MHz 點噪聲約為 18.5 nV/√Hz。

　　那么，最關鍵的問題是，就整個系統的分辨率而言，這意味著什么？

　　結論

　　對于基于光度測量的儀器，可以結合使用光電二極管、TIA（例如 LTC6268）和 ADAQ23876 16 位、15 MSPS μModule，以簡化高精度、高速、完整數據采集系統的設計。與 LTspice 仿真工具一起，該組合使設計人員擺脫了繁瑣的噪聲計算、高速 PC 板布局和流式細胞儀等精密應用的芯片計數難題。