Cómo implementar un circuito de detección espectrofotométrica de alta sensibilidad

Las crecientes preocupaciones sobre la calidad del agua y del aire han llevado a los diseñadores de instrumentos espectrofotométricos de laboratorio y analítica a analizar cuantitativamente los contaminantes o la decoloración cada vez más sutiles en gases o líquidos. Sin embargo, los niveles cada vez más ínfimos requieren métodos de detección igualmente sensibles para medir la intensidad de la luz absorbida o desviada después de que esta pasa a través de una solución de muestra.

El desafío para los diseñadores es poder crear componentes electrónicos de front end de bajo nivel de ruido y de corriente ultra baja que minimicen las interferencias de medición con los dispositivos de detección. Los circuitos del amplificador de transimpedancia (TIA) estándar con fotodiodos frontales no tienen la precisión suficiente para satisfacer los requisitos de sensibilidad cada vez más exigentes de los espectrofotómetros analíticos.

Para muchos diseñadores, el mejor camino es simplemente ajustar los circuitos existentes. El uso de esta técnica de diseño reduce el costo general al tiempo que garantiza la máxima posibilidad de lograr un diseño exitoso.

En este artículo se describen los requisitos de un circuito TIA para un fotodiodo de baja corriente y alta precisión. Para adaptarse a corrientes de fotodiodos extremadamente bajas, se presentan los elementos críticos de la cadena de señal, incluidos un amplificador de front end de bajo ruido ADA4530-1ARZ-R7 de Analog Devices y un convertidor analógico a digital (ADC) de alta precisión AD7172-2BRUZ, junto con las técnicas de diseño óptimo. También se describe cómo lograr un diseño desde el inicio utilizando un diseño de referencia que combina elementos bien conjugados en una configuración práctica.

Espectrofotometría

La espectrofotometría utiliza el análisis cuantitativo en diversos campos, como química, bioquímica, física, productos químicos e ingeniería de materiales. La técnica mide la luz de absorción o reflexión que incide sobre una sustancia, en este caso, una sustancia suspendida en agua. El dispositivo de medición detecta la intensidad de la luz cuando un haz pasa a través de una solución de muestra. Un espectrofotómetro típico consta de una fuente de luz, un colimador, un monocromador, un selector de longitud de onda, una cubeta para la solución de muestra, un detector fotoeléctrico y una pantalla digital o un medidor (Figura 1).

Figura 1: Un espectrofotómetro aprovecha que cada compuesto químico se distingue por la forma en que absorbe, transmite o refleja un rango específico de longitudes de onda de la luz. (Fuente de la imagen: Chemistry LibreTexts)

En la Figura 1, el colimador, el monocromador y el selector de longitud de onda producen la longitud de onda deseada desde una fuente de luz. El colimador dirige un haz de luz recto hacia el monocromador. El monocromador o prisma crea varias longitudes de onda o un espectro de luz. El selector de longitud de onda (hendidura) filtra la señal de luz en una banda estrecha de longitudes de onda seleccionada. La señal de luz incidente resultante (Io) incide entonces en una solución de muestra contenida en una cubeta, un recipiente transparente de lados rectos y ópticamente transparente que sirve para almacenar muestras de líquidos.

Una vez que la longitud de onda de luz deseada pasa a través de la solución de muestra de la cubeta, la luz transmitida (It) es detectada mediante un fotodetector, que capta el número de fotones emergentes. La señal se sigue procesando hasta que es enviada a una pantalla digital.

Cada compuesto químico absorbe, transmite o refleja un rango específico de longitudes de onda de luz. El equipo de espectrofotometría mide el tipo y la cantidad de una sustancia química a través de la absorción o transmisión al medir la intensidad de luz de la solución de muestra.

Hay dos tipos de espectrofotómetros diferentes, que dependen del rango de longitud de onda del monocromador.

1. El espectrofotómetro visible ultravioleta (UV), con un rango de longitud de onda dividido en dos: de 185 a 400 nanómetros (nm) y el rango visible de 400 a 700 nm.
2. El espectrofotómetro infrarrojo (IR), con un rango de longitud de onda de 700 a 15000 nm.

Abundan las aplicaciones para la espectrofotometría. En bioquímica, por ejemplo, la espectrofotometría se utiliza para analizar las reacciones enzimáticas catalizadas. La técnica también se utiliza para analizar clínicamente la sangre o el tejido. Otras variaciones de espectrofotometría son la espectrofotometría de emisión atómica y la espectrofotometría de absorción atómica.

Etapa del fotodetector

Un fotodetector clásico utiliza un fotosensor, como un fotodiodo de silicio o un fotomultiplicador, para convertir la luz en una corriente pequeña. A continuación, un amplificador operacional sigue al sensor óptico para convertir esa corriente pequeña del sensor en un voltaje utilizable. En términos simples, esa es la descripción de un TIA básico.

Los componentes críticos en un circuito TIA son el fotodiodo, un amplificador operacional de corriente de polarización de entrada baja, una resistencia de retroalimentación (R_F) y un condensador de retroalimentación de estabilización (C_F) (Figura 2).

Figura 2: Un TIA básico convierte una pequeña corriente del sensor (I_PD) de un fotodiodo en un voltaje utilizable. Los componentes críticos son el fotodiodo (D_PD), un amplificador operacional de corriente de polarización de entrada baja, una resistencia de retroalimentación (R_F) y un condensador de retroalimentación de estabilización (C_F). (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

En la Figura 2, el fotodiodo se selecciona para detectar los rangos de longitud de onda de UV visible o IR. El amplificador operacional tiene entradas de alta impedancia con una corriente de polarización de entrada mínima, en los rangos de decenas de picoamperios a decenas de femtoamperios (fA). R_F puede variar desde cientos de kiloohmios (kΩ) a decenas de gigaohmios (GΩ), y es lo suficientemente alta para convertir la corriente del fotodiodo (I_PD) al rango completo de voltaje de salida del amplificador. C_F, cuyo valor depende de la relación entre el ancho de banda del amplificador, la capacitancia de entrada y la capacitancia del fotodiodo parásito, establece el margen de fase del TIA.

El principal desafío en el diseño de TIA es garantizar la estabilidad del circuito. Este análisis evalúa la función de transferencia del TIA con un diagrama de Bode.

Se muestra un circuito TIA típico (Figura 3). La estabilidad del circuito depende de lograr un equilibrio entre la ganancia del amplificador y las características del ancho de banda [A_OL(jw)], las dos resistencias del circuito y los seis condensadores.

Figura 3: En un modelo de circuito fotosensibe TIA, la estabilidad requiere equilibrar la ganancia del amplificador y las características del ancho de banda [A_OL(jw)], las dos resistencias del circuito y los seis condensadores. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

En la Figura 3, el modelo de fotodiodo tiene un diodo ideal con la fuente de corriente inducida por la luz (I_PD), la capacitancia de la unión parásita (C_PD) y la impedancia de la unión parásita (R_PD). Las otras capacitancias parásitas en el TIA que afectan la estabilidad del circuito son la capacitancia de entrada en modo común del amplificador (C_CM), la capacitancia de entrada diferencial (C_DM) y la capacitancia parásita de la resistencia de realimentación (C_RF) (Figura 4).

Figura 4: Definición de las resistencias y capacitancias en el circuito TIA según el modelo de la Figura 3. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

La función de transferencia de dominio de frecuencia del TIA está determinada según la Ecuación 1:

Ecuación 1

Donde:

• A_OL(jw) es la ganancia de lazo abierto del amplificador sobre la frecuencia
• β es el factor de realimentación del sistema, que equivale a 1/(1 + Z_IN/Z_F) donde:
• Z_IN es la impedancia de entrada distribuida e igual a R_PD || jw (C_PD + C_CM + C_DIFF)
• Z_F es la impedancia de realimentación distribuida e igual a R_F || jw (C_RF + C_F)

El diagrama de Bode ayuda a determinar la estabilidad del circuito. El diagrama de Bode apropiado para este diseño tiene la ganancia de lazo abierto del amplificador y la curva 1/β. Los elementos del sistema que determinan la respuesta de frecuencia de ganancia de ruido (1/β) son los parásitos fotodiodos y la impedancia de entrada del amplificador operacional (Z_IN), así como los componentes del lazo de realimentación del amplificador (R_F, C_RF y C_F) (Figura 5).

Figura 5: La tasa de cierre entre la respuesta de frecuencia de ganancia de lazo abierto y la recíproca de la ganancia de retroalimentación (1/β) es de 20 decibelios (dB)/década. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

En la Figura 5, la curva verde muestra la ganancia de lazo cerrado del TIA y la curva verde azulada muestra el rendimiento de ganancia de lazo abierto del ADA4530-1. En la curva de ganancia de lazo cerrado del TIA, la ganancia en CC es igual a la ganancia no inversora del circuito amplificador, con una ganancia igual a 1 + R_F/R_PD. El primer cambio de frecuencia con esta curva se produce en el primer cero (f_z), que depende de la red de realimentación. El segundo cambio en la frecuencia de la curva de ganancia de lazo cerrado del TIA se produce en el primer polo (f_P), que depende de los parásitos del fotodiodo, los parásitos del amplificador y los elementos de realimentación. Esta curva de ganancia en teoría se aplana en una ganancia final de 1 + (C_PD + C_CM + C_DIFF)/C_F. Para calcular f_Z y f_P, se usan las ecuaciones 2 y 3:

Ecuación 2

Ecuación 3

Lo interesante en este circuito es donde se cruzan la curva A_OL(jw) y la curva 1/β. La tasa de cierre entre estas dos curvas determina el margen de fase del sistema y, a su vez, predice la estabilidad.

Por ejemplo, la tasa de cierre de las dos curvas en la Figura 5 es de 20 dB/década. El amplificador contribuye aproximadamente con un cambio de fase de –90 grados, y el factor de realimentación contribuye aproximadamente con un cambio de fase de cero grados. Al agregar el cambio de fase 1/β del cambio de fase A_OL(jw), el cambio de fase del sistema es de –90 grados y el margen de fase es de 90 grados, lo que se traduce en un sistema estable. Si la tasa de cierre de estas dos curvas es de 40 dB/década, lo que indica un cambio de fase de –180 grados y un margen de fase de cero grados, el circuito oscilará o sonará con una entrada de función escalón.

Dos formas de corregir la inestabilidad del circuito son agregar un condensador de retroalimentación, C_F, o cambiar el amplificador para que tenga una respuesta de frecuencia A_OL diferente, o capacitancias de entrada diferentes.

Un cálculo conservador que permite variar el ancho de banda del amplificador y la capacitancia de entrada, así como el valor de la resistencia de retroalimentación, coloca el polo del sistema de 1/β en la mitad de la frecuencia en la que se intersecan las dos curvas. Este cálculo para C_F se muestra en la Ecuación 4:

Ecuación 4

Donde f_GBW es el producto del ancho de banda de ganancia del amplificador. Además, la ecuación 4 produce un margen de fase del sistema de 65 grados.

Por ejemplo, el amplificador electrómetro de corriente de polarización de entrada de fA ADA4530-1ARZ-R7 de Analog Devices tiene una corriente de polarización de entrada máxima de ± 20 fA, un voltaje de compensación de entrada de 50 microvoltios (µV) y un f_GBW de 1 megahercio (MHz), donde C_CM más C_DIFF es igual a 8 picofaradios (pF). Los componentes externos al amplificador, R_F, C_RF y C_PD, son 10 GΩ, 5 pF y 1 pF, respectivamente.

Prueba de concepto: detector espectrofotómetro

Como se mencionó anteriormente, un amplificador de fotodiodo/precisión detecta y convierte los fotones que inciden sobre el fotodiodo en un voltaje utilizable. Un ADC de alta resolución a su vez convierte el voltaje de salida del amplificador en una representación digital. El esquema funcional de este proceso se muestra en la Figura 6. La etapa del detector espectrofotómetro debe medir las corrientes de fotodiodos en el rango de femtoamperios con un front end analógico de precisión. Las especificaciones de corriente de polarización de entrada del TIA deben cumplir con este requisito de corriente de polarización de entrada baja.

Figura 6: El circuito detector de TIA de femtoamperios del espectrofotómetro basado en el amplificador electrómetro de corriente de polarización de entrada de femtoamperios ADA4530-1ARZ-R7 utiliza una placa intermedia de baja fuga (izquierda) conectada a una placa de adquisición de datos (derecha). (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

El circuito TIA que se muestra utiliza dos placas: una intermedia de baja fuga acoplada a una de adquisición de datos. La placa intermedia contiene el fotodiodo (D_PD), el amplificador operacional de corriente de polarización de entrada ultra baja ADA4530-1, la resistencia de retroalimentación extremadamente alta (una resistencia de vidrio de 10 GΩ) y un condensador de retroalimentación (C_F) para formar un circuito TIA básico.

Los dispositivos de entrada apropiados para este front end analógico de sensibilidad ultra alta son fotodiodos o sensores de tubos fotomultiplicadores. El diodo sensor (D_PD) se extiende a través de los pines de entrada diferencial del ADA4530-1. Un búfer de protección integrado en el ADA4530-1 garantiza que su corriente de polarización de entrada de ± 20 fA se mantenga baja al aislar los pines de entrada de la fuga de la placa de CI.

Para la prueba realizada en este artículo, la placa intermedia (EVAL-CN0407-1-SDPZ) es una placa de baja fuga basada en un laminado híbrido FR-4 y Rogers 4350B. Las capas exteriores son de cerámica (Rogers 4350B) y la capa interior es un laminado de epoxi de vidrio estándar (FR-4). En comparación con los materiales de vidrio o epoxi, el material Rogers 4350B es un mejor aislante (Figura 7).

Figura 7: La placa intermedia de baja fuga utilizada en esta configuración de TIA es un laminado híbrido FR-4 y Rogers 4350B. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En la Figura 7, el material Rogers 4350B también minimiza la fuga de corriente y, en comparación con los dieléctricos de vidrio o epoxi, tiene tiempos de relajación dieléctrica mucho más cortos.

ADC y referencia de voltaje

La placa de adquisición de datos tiene un ADC AD7172-2 de Analog Devices, un módulo de fuente de alimentación, el voltaje de referencia del ADC y una interfaz digital aislada. El ADC es un ADC Ʃ-Δ de 24 bits que produce 24 bits sin ruido a una tasa de conversión de 5 muestras por segundo (SPS).

El rango de voltaje de salida de la placa intermedia es de ± 5 voltios. Con la referencia de voltaje de 2.5 voltios ADR4525BRZ-R7 de Analog Devices, el rango de entrada del ADC AD7172-2 es de ± 2.5 voltios. El divisor de resistencia emparejado de 10 kΩ/10 kΩ atenúa la salida de la placa intermedia en un factor de dos. Para minimizar los errores de compensación de ADC, un interruptor analógico ADG1419BRMZ-REEL7 de Analog Devices de un polo simple/doble vía (SPDT) corta la entrada del divisor de resistencia a tierra. Esta configuración permite eliminar el error de compensación del divisor de resistencia y el ADC medido. El propio circuito del ADA4530-1 genera la compensación restante.

Administración de suministro

La parte de administración de alimentación de la etapa del detector de femtoamperios del espectrofotómetro suministra todos los componentes en las placas de adquisición de datos e intermedia. La sección de administración de alimentación, en la placa de adquisición de datos, deriva su energía de una fuente de alimentación de CC externa de 9 voltios (Figura 8).

Figura 8: Usando una entrada externa de 9 voltios, la sección de alimentación del detector de femtoamperios del espectrofotómetro alimenta todos los componentes en las placas de adquisición de datos e intermedia utilizando reguladores de caída baja (LDO) de Analog Devices. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los circuitos de entrada de la entrada externa de 9 voltios a los circuitos integrados de alimentación de la placa incluyen protección contra los transitorios de sobretensión y voltaje inverso. Tres reguladores lineales LDO de bajo ruido ADP7118ACPZN-R7 de Analog Devices generan 5 voltios para el amplificador ADA4530-1; 2.5 voltios para el front end analógico AD7172-2 ADC y 3.3 voltios para las líneas de entrada/salida digitales y los aisladores digitales ADUM3151BRSZ-RL7 de Analog Devices.

Probando el circuito detector del espectrofotómetro

La placa intermedia se monta sobre la placa de adquisición de datos como se muestra en la Figura 9.

Figura 9: Combinación de las placas de CI intermedia y de adquisición de datos antes de colocar un escudo alrededor de la placa intermedia. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En la Figura 9, se muestra la placa intermedia con el escudo retirado. Una vez en su lugar, el escudo evita interferencias en la etapa de entrada del amplificador ADA4530-1.

Para comenzar la prueba, es necesario conectar el suministro de 9 voltios y descargar el software de evaluación EVAL-CN0407-SDPZ de la sección Evaluación y prueba del circuito del sitio de soporte de Analog Devices.

Una vez que el software está en funcionamiento, se configura la placa para probar el ruido del ADC. Para obtener el mejor rendimiento de ruido, seleccione la tasa de muestreo aceptable más baja. Por ejemplo, el ruido del sistema al muestreo a 0.83 SPS durante 120 minutos produce un ruido de raíz cuadrada media (rms) de 1.4 fA con un valor de CC de −150 attoamperios (aA) (Figura 10).

Figura 10: Para obtener el mejor rendimiento de ruido del sistema de medición de femtoamperios, seleccione la frecuencia de muestreo aceptable más baja. Por ejemplo, se muestra el ruido del sistema al tomar una muestra a 0.83 SPS durante 120 minutos. Esto produce un ruido de raíz cuadrada media (rms) de 1.4 fA, con un valor de CC de -150 aA. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El ruido térmico de la resistencia de 10 GΩ, que equivale a 12.87 µV/√Hz, dominará el ruido del sistema. Para contrarrestarlo, la capacidad de sobremuestreo del ADC puede filtrar el ruido de mayor frecuencia de los resultados.

Conclusión:

Los instrumentos de espectrofotometría analizan cuantitativamente los contaminantes o la decoloración sutiles en gases o líquidos. El desafío para los diseñadores es poder crear componentes electrónicos de front end de bajo nivel de ruido y de corriente ultra baja que minimicen las interferencias de medición con los dispositivos de detección.

En la búsqueda de una solución de espectrofotometría viable, se ha demostrado que se puede usar una configuración TIA, que comprende un amplificador de femtoamperios ADA4530-1 y un ADC de 24 bits AD7172-2 Ʃ-Δ, para crear una solución robusta y de alta precisión. Las técnicas innovadoras de diseño y fabricación de placas ayudan a alcanzar la solución final y producen un resultado de bajo ruido.