如何在設計敏感儀器的過程中，利用 LTspice 判斷光電感測雜訊效能

Analog Devices Inc. 的精密寬頻訊號鏈和 LTspice 模擬器軟體，可協助設計人員挑選及評估裝置。每一個訊號鏈都享有 ADI 數十年的經驗與類比產品組合所帶來的洞見與應用知識。

精密寬頻訊號鏈提供十分精準的 AC-DC 測量及驅動效能。以下三個方塊圖 (電流和電壓、電流和電壓驅動，以及光線測量) 提供個別的訊號鏈，每個訊號鏈隨時能進行各種應用相關的最佳化，對訊噪比 (SNR)、DC 線性、趨穩時間效能、封閉迴路／測量延遲及總諧波失真 (THD) 進行最佳測量。

光線測量方塊圖符合流式細胞術、光譜測定法、化學分析與分析儀器應用 (圖 1)。

圖 1：流式細胞術、光譜測定法或其他分析測量應用的精密寬頻光線測量方塊圖。(圖片來源：Analog Devices)

這款解決方案結合 ADI 的精密轉阻放大器 (TIA)、類比濾波、參考電壓和類比數位轉換器 (ADC)。

光線測量

轉阻放大器必須具有極低的輸入偏壓電流、低雜訊和非常大的頻寬，才可用流式細胞術設備。要發揮此功能，適合的放大器為 Analog Devices 的 LTC6268H-10 運算放大器，具有超低偏壓電流及 4 GHz FET 輸入 (圖 2)。配置成具有 20 kΩ 回授電阻的轉阻放大器時，其頻率響應如圖右所示。

圖 2：LTC6268H-10 放大器具有低輸入偏壓電流、低雜訊與大頻寬，因此適合當作轉阻放大器。(圖片來源：Analog Devices)

在圖 2 中，光電偵測器 (PD) 會逆向偏壓，以降低寄生電容量，而寄生回授電容 (C) 會擷取電路板與回授電阻的寄生電容量。LTC6268H-10 運算放大器的輸入偏壓電流，不會在流經回授電阻時產生明顯的 DC 誤差，這點相當重要。LTC6268H-10 符合此條件，輸入偏壓電流極低，只有 ±4 pA。LTC6268H-10 的低雜訊規格為 1 MHz 時 4 nV/√Hz。

對於高速流式細胞術，訊號路徑裝置必須具有大頻寬，以提供快速迴轉率。此電路中的 LTC6268H-10 頻寬為 210 MHz，可達到大約 1000 V/µs 的迴轉率。

最後，最關鍵的規格是雜訊密度，至少必須比 ADC 雜訊密度低三倍。LTC6268-10 的輸入雜訊密度為 1 MHz 時 4.0 nV/√Hz。運算放大器回授迴路可取得此雜訊。此外，壓倒性的 20 kΩ 回授電阻還會在放大器的輸出端直接產生雜訊。

在較高的頻率下，此 20 kΩ 回授電阻帶來的雜訊密度 (V_FB)，在轉阻放大器級雜訊中佔極大比例，等於：

圖 2 方塊圖中的第三和第四個功能，負責將轉阻放大器的輸出訊號轉換成數位形式。結合第三、第四和參考功能之後，便可建立數據採集解決方案。此解決方案整合了濾波器、驅動器放大器、參考電壓和 ADC (圖 3)。

圖 3：ADAQ23876 可構成數據採集解決方案，在此圖中為單端輸入配置，增益為 1.38。(圖片來源：Analog Devices)

在圖 3 中，Analog Devices ADAQ23876 具有 16 位元、15 MSPS 的連續漸近暫存器 (SAR) ADC，可提供零延遲的結果。輸入端的全差動放大器 (FDA)，其 R_IN 和 C_IN 分別為 1,407 Ω 與 3.3 pF，可建立第一階低通濾波器。

此系統可解決全整合式裝置內部的問題，簡化電路設計人員在 ADC 驅動器和佈局上面臨的難題。對於此應用，ADAQ23876 的配置可因應單一輸入訊號，並實作 1.38 內部增益，其典型訊噪比 (SNR) 為 88.8 dB。

LTspice 電路分析模擬

LTspice 是高效能的 SPICE 模擬器軟體，具有圖形化線路圖擷取功能。您可以探查模擬結果的線路圖，並透過 LTspice 內建的波形檢視器探查這些結果。

電路的雜訊響應，通常是由特定線路圖中個別元件搭配而成。LTspice 的雜訊分析功能可協助您取得雜訊響應。為了示範，此部落格使用帶有光電二極體、轉阻放大器及數據採集解決方案模型的光線測量電路 (圖 4)。

圖 4：這個模擬模型採用 LTC6862-10 FET 運算放大器和 ADAQ23876 數據採集解決方案，來產生雜訊響應。(圖片來源：Analog Devices)

圖 4 中的光電二極體型號是 Optoelectronics FCI-125G-006 1.25 Gbit/s 矽感測器。FCI-125G-006 具有 0.66 pF 逆向偏壓寄生電容量。挑選的轉阻放大器單通道放大器 (LTC6268H-10) 相當穩定，封閉迴路增益超過 10 V/V，且具有寬廣的溫度範圍，規格介於 -40°C 至 125°C。

ADAQ23876 採用系統級封裝 (SIP) 技術。此技術將多個通用訊號處理與調節區塊結合在單一裝置中，藉此降低系統元件數量和設計複雜性。

光線測量雜訊結果

AC 掃描雜訊模擬有助於確認總電路的 ADC 解析度。此模擬將寄生電容量及電阻值納入考慮，並針對該應用的整個頻譜，產生完整的雜訊結果。總體應用電路 (ADAQ23876 + LTC6268 + FCI-125G-006) 整個頻譜下產生的雜訊，如圖 5 所示為 124.49 µV rms。

圖 5：ADAQ23876 16 位元 ADC 和 LTC6268 轉阻放大器發出的雜訊，以及這兩個裝置的總雜訊。(圖片來源：LTspice，Bonnie Baker)

使用者對繪圖頂端的曲線名稱按下左 Ctrl 及滑鼠左鍵時，會出現該模擬所有頻譜下產生的總 RMS 雜訊 (圖 6)。

圖 6：曲線下方區域的總雜訊，取決於模擬頻率範圍和裝置的雜訊產生值。只要按下左 Ctrl 及滑鼠左鍵，就能提供此 rms 值。(圖片來源：LTspice，Bonnie Baker)

ADAQ23876 在整個頻譜下產生的雜訊為 71.79 µVRMS。在此繪圖中，ADC 產生的 1 MHz 電壓定點雜訊大約是 12 nV/√Hz。滑鼠游標懸停在曲線上時，左下方會出現頻寬 1 Hz 的定點雜訊。

LTC6268 輸出引腳在整個頻譜下產生的轉阻放大器雜訊為 100.28 µVRMS。轉阻放大器輸出端的 1 MHz 定點雜訊，大約為 18.5 nV/√Hz。

因此最重要的問題是，這在整個系統的解析度方面意味著什麼？

結論

對於光度測定型儀器，可結合光電二極體、LTC6268 此類轉阻放大器，和 ADAQ23876 16 位元、15 MSPS μModule，就可輕易設計出高精密性、高速、完整的數據採集系統。搭配 LTspice 模擬工具，此組合能讓設計人員在進行流式細胞術等精密應用時，擺脫枯燥的雜訊計算、高速電路板佈局及晶片數量等難題。