在灵敏仪器设计过程中如何使用 LTspice 确定光电感应噪声性能

Analog Devices Inc. 的 精密宽带宽信号链以及 LTspice 仿真器软件能够协助设计人员选择和评估器件。依托 ADI 数十年的经验及其仿真产品组合，每个信号链都融合了该公司的深刻行业见解和应用知识。

精密宽带宽信号链提供了高精度的 AC-DC 测量和驱动性能。三个方框图（电流与电压、电流与电压驱动以及光测量）显示了各个信号链，每个信号链均能在特定应用中进行各种优化：信噪比 (SNR)、DC 线性度、建立时间性能、闭环/测量延时和总谐波失真 (THD) 测量。

光测量方框图最适合流式细胞仪、分光仪、化学分析和分析仪器应用（图 1）。

图 1：精密宽带宽光测量方框图适用于流式细胞仪、分光仪或其他分析测量应用。（图片来源：Analog Devices）

这种解决方案结合了 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 必须具有以下特点：极低的输入偏置电流、低噪声，以及适合流式细胞仪设备的超宽带宽。对于这种功能，适合的放大器就是 Analog Devices 的 LTC6268H-10 运算放大器 (op amp)，其具有超低的偏置电流和 4 GHz FET 输入（图 2）。右侧显示了使用 20 kΩ 反馈电阻器配置为 TIA 时的频率响应。

图 2：LTC6268H-10 放大器具有较低的输入偏置电流、低噪声和宽带宽，因此适合用作 TIA。（图片来源：Analog Devices）

在图 2 中，光电探测器 (PD) 经反向偏置来减小寄生电容，寄生反馈电容 (C) 捕获印刷电路板和反馈电阻器的寄生电容。当 LTC6268H-10 运算放大器的输入偏置电流流经反馈电阻器时，该电流不能引发重大 DC 误差，这一点很重要。LTC6268H-10 的输入偏置电流低至 ±4 pA，因而符合这一标准。LTC6268H-10 的低噪声规格为 1 MHz 时 4 nV/√Hz。

高速流式细胞仪要求信号路径器件具备宽带宽，以便实现快速压摆率。LTC6268H-10 在这种电路中的带宽为 210 MHz，这可以转换为 ~1000 volts/µs 的压摆率。

最后，最关键的规格是噪声强度，必须至少比 ADC 噪声强度低三倍。LTC6268-10 的输入噪声强度为 1 MHz 时 4.0 nV/√Hz。运算放大器反馈回路可对这种噪声产生增益。此外，一个作用不大的 20 kΩ 反馈电阻器也会直接在放大器的输出端产生噪声。

这个 20 kΩ 反馈电阻器对噪声强度的影响 (V_FB) 计算如下，其中频率较高时主导形成 TIA 级的噪声水平：

在图 2 的方框图中，第三和第四功能的作用是将 TIA 的输出信号转换为数字表示形式。第三、第四和参考功能相结合形成了一个数据采集解决方案。这个解决方案整合了滤波器、激励放大器、电压基准和 ADC（图 3）。

图 3：ADAQ23876 构成一个数据采集解决方案并显示为单端输入配置，增益为 1.38。（图片来源：Analog Devices）

在图 3 中，Analog Devices 的 ADAQ23876 具有一个 16 位 15 MSPS 逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，其能提供零延时的结果。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 pF，以构建一个一阶低通滤波器。

此系统可简化电路设计人员面临的 ADC 驱动器和布局挑战，其能通过完全集成器件将问题在内部解决掉。对于这种应用，ADAQ23876 配置能适应单输入信号并实现 1.38 的内部增益，其中典型信噪比 (SNR) 为 88.8 dB。

适合电路分析的 LTspice 仿真

LTspice 是高性能的 SPICE 仿真器软件，并具有图形化原理图获取功能。您可以研究原理图来获取仿真结果，并在 LTspice 的内置波形查看器中进行探索。

电路的噪声响应通常会结合特定原理图中的各个分量。LTspice 的噪声分析功能有助于推演噪声响应。为了演示，本博客结合使用光测量电路以及光电二极管、TIA 和数据采集解决方案模型（图 4）。

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

在图 4 中，光电二极管模型代表一个光电 FCI-125G-006 1.25 Gbit/s 硅传感器。FCI-125G-006 具有一个 0.66 pF 反向偏置寄生电容。TIA 的首选单级放大器 LTC6268H-10 能在高于 10 V/V 的闭环增益下保持稳定，并且具有宽广的温度范围规格 –40°C 至 125°C。

ADAQ23876 采用系统级封装 (SIP) 技术，可将多个常用信号处理和调节模块组合在单个器件中，从而减少系统元件数量并降低设计复杂度。

光测量噪声结果

交流扫描噪声模拟有助于确认总体电路的 ADC 分辨率。该模拟会考虑寄生电容和电阻，以便生成应用频谱内的完整噪声结果。总体应用电路 (ADAQ23876 + LTC6268 + FCI-125G-006) 之整个频谱内的噪声水平显示为 124.49 µV rms（图 5）。

图 5：来自 ADAQ23876 16 位 ADC 和 LTC6268 TIA 的噪声，其中显示两个器件的总噪声。（图片来源：LTspice、Bonnie Baker）

当用户按住 ctrl 键的同时左键单击图表上方的曲线名称时，即会显示该模拟的频谱内总 RMS 噪声水平（图 6）。

图 6：曲线下方区域中的总噪声取决于模拟频率范围和器件的噪声产生值。只需按住 ctrl 键的同时左键单击，即可提供此 rms 值。（图片来源：LTspice、Bonnie Baker）

ADAQ23876 在整个频谱内产生的噪声等于 71.79 µVRMS。在这个图表中，ADC 的 1 MHz 电压点噪声水平大约为 12 nV/√Hz。在将鼠标悬停于曲线上时，点噪声（带宽为 1 Hz）显示在左下方。

在整个频谱内，LTC6268 TIA 在输出引脚处的噪声水平为 100.28 µVRMS。TIA 输出端的 1 MHz 点噪声大约为 18.5 nV/√Hz。

那么，最关键的问题是：这对整个系统的分辨率意味着什么？

总结

对于基于光度测定的仪器，可以组合采用光电二极管、LTC6268 等 TIA，以及 ADAQ23876 16 位 15 MSPS μModule，以便简化高精度、高速、完整数据采集系统的设计工作。再加上 LTspice 仿真工具，这种组合可以让设计人员摆脱精密应用（如流式细胞仪）中的繁琐噪声计算、高速印刷电路板布局，以及芯片数量等令人头疼的任务。