高感度分光光度センシング回路の実現方法

水質および大気質に対する懸念の高まりにより、実験室用および分析用の分光光度計の設計者は、ますます微細になる汚染物質または気体または液体の変色を定量的に分析することを強いられています。しかしながら、増え続ける微細レベルには、吸収または偏向された光がサンプル溶液を通過した後に、その強度を測定するのと同等のに高感度の検出方法が必要とされます。

設計者にとっての課題は、センシングデバイスとの測定干渉を最小限に抑える、低ノイズおよび超低電流フロントエンドデバイスの設計です。フロントエンドフォトダイオードを備えた標準トランスインピーダンスアンプ（TIA）回路は、分析用分光光度計の増大する高感度要件を満たすのに十分正確ではありません。

多くの設計者にとって、最善の方法は単に既存の回路を調整することです。この設計手法を使用すると、設計全体を成功させる可能性を最大限に確保しながら、全体のコストを削減できます。

この記事では、高精度、低電流フォトダイオード用のTIA回路の要件について説明します。極めて低いフォトダイオード電流に対応するために、Analog DevicesのADA4530-1ARZ-R7低ノイズフロントエンドアンプとAD7172-2BRUZの高精度A/Dコンバータ（ADC）を含む、シグナルチェーンの重要な要素とともに最適なレイアウト手法を紹介します。さらに、実践的な構成に相応しいエレメントを組み合わせたリファレンス設計を使用して、設計を開始する方法を説明します。

分光光度法

分光光度法は、化学、生化学、物理学、化学および材料工学などのさまざまな分野で定量分析を使用します。この技法は、物質（この場合は水中に懸濁した物質）に入射する吸収または反射光を測定します。測定治具は、ビームがサンプル溶液を通過するときの光強度を感知します。典型的な分光光度計は、光源、コリメータ、モノクロメータ、波長セレクタ、サンプル溶液用のキュベット、光電検出器、およびデジタルディスプレイまたはメータを含みます（図1）。

図1：分光光度計は、すべての化合物が特定の範囲の光波長をどのように吸収、透過、または反射するかによって区別できるという事実を利用しています。（画像提供：Chemistry LibreTexts）

図1では、コリメータ、モノクロメータ、および波長セレクタが光源から必要な波長を生成します。コリメータは直線光線をモノクロメータに向けます。モノクロメータまたはプリズムは、いくつかの波長または光スペクトルを作り出します。波長セレクタ（スリット）は、光信号を狭い選択された波長帯域までフィルタリングします。得られた入射光信号（Io）は次に、液体サンプルを保持するための、真っ直ぐで、光学的に透明な容器であるキュベットに保持されたサンプル溶液に衝突します。

目的の波長の光がキュベットのサンプル溶液を通過すると、透過光（It）が光検出器によって検出されます。光検出器は、出現する光子の数を検出します。信号はさらに処理されて最終的にデジタルディスプレイに送られます。

すべての化合物は特定の範囲の光波長を吸収、透過、または反射します。分光光度測定装置は、試料溶液の光強度出力を測定することによって、吸収または透過を通して化学物質の種類および量を測定します。

分光光度計には2種類あり、それぞれモノクロメータの波長範囲に依存します。

1. 紫外（UV）可視分光光度計は、波長範囲が185〜400ナノメートル（nm）と可視範囲が400〜700nmの2つに分割されています。
2. 赤外（IR）分光光度計は、波長範囲が700〜15000nmです。

分光光度法への応用は多数あります。たとえば、生化学分野では、分光光度法が触媒酵素反応を分析するために使用されています。この技法は血液や組織の臨床検査にも使用されます。他の分光光度法のバリエーションには、原子発光分光光度法および原子吸光分光光度法が含まれます。

光検出器段

古典的な光検出器段は、光を小さい電流に変換するためにシリコンフォトダイオードまたは光電子増倍管のような光センサを使用します。次に、オペアンプが光センサの後に続き、小さなセンサ電流を使用可能な電圧に変換します。簡単に言えば、これは基本的なTIAを説明しています。

TIA回路の重要な部品は、フォトダイオード、低入力バイアス電流オペアンプ、帰還抵抗器（R_F）、および安定化帰還コンデンサ（C_F）です（図2）。

図2：基本的なTIAは、フォトダイオードからの小さなセンサ電流（I_PD）を使用可能な電圧に変換します。重要な部品は、フォトダイオード（D_PD）、低入力バイアス電流オペアンプ、帰還抵抗器（R_F）、および安定化帰還コンデンサ（C_F）です。（画像提供：ボニー・ベイカー氏）

図2では、フォトダイオードはUV可視またはIR波長範囲のいずれかを検出するように選択されています。オペアンプは、数十ピコアンペアから数十フェムトアンペア（fA）の範囲の最小入力バイアス電流で高インピーダンス入力を備えています。R_Fの範囲は数百キロオーム（kΩ）から数十ギガオーム（GΩ）にわたり、フォトダイオードの電流（I_PD）をアンプの全出力電圧範囲に変換するのに十分な大きさです。その値がアンプの帯域幅、入力静電容量、および寄生フォトダイオード静電容量の関係に依存するC_Fは、TIAの位相マージンを決定します。

TIA設計における主な課題は、回路の安定性を確保することです。この解析はボード線図でTIAの伝達関数を評価します。

典型的なTIA回路を示します（図3）。回路の安定性は、アンプのゲインと帯域幅の特性（A_OL(jw)）、回路の2つの抵抗器、6つのコンデンサのバランスを取ることによって決まります。

図3：TIA受光回路モデルでは、安定性にはアンプのゲインと帯域幅の特性（A_OL(jw)）、回路の2つの抵抗器、6つのコンデンサのバランスが必要です。（画像提供：ボニー・ベイカー氏）

図3では、フォトダイオードモデルに、光誘起電流源（I_PD）、寄生接合容量（C_PD）、および寄生接合インピーダンス（R_PD）を備えた理想ダイオードがあります。回路の安定性に影響を与えるTIAの他の寄生容量は、アンプのコモンモード入力静電容量（C_CM）、差動入力静電容量（C_DM）、および帰還抵抗器の寄生容量（C_RF）です（図4）。

図4：図3のモデルによるTIA回路内の抵抗と静電容量の定義です。（画像提供：ボニー・ベイカー氏）

TIAの周波数領域伝達関数は式１のように与えられます。

 式1

ここで、式の要素は次のとおりです。

• A_OL(jw)は、周波数全域にわたるアンプの開ループゲインです。
• βは、1/(1 + Z_IN/Z_F)に等しいシステムフィードバック係数です。ここで、
• Z_INは分布入力インピーダンスで、R_PD || jw(C_PD + C_CM + C_DIFF)に等しくなります。
• Z_Fは分布帰還インピーダンスで、R_F || jw(C_RF + C_F)に等しくなります。

ボード線図は、回路の安定性を判断するのに役立ちます。この設計に適したボード線図には、アンプの開ループゲインと1/β曲線があります。ノイズゲイン（1/β）の周波数応答を決定するシステム要素は、フォトダイオードの寄生成分とオペアンプの入力インピーダンス（Z_IN）、そしてアンプのフィードバックループのコンポーネント（R_F、C_RF、およびC_F）です（図5）。

図5：開ループゲイン周波数応答とフィードバックゲイン逆数（1/β）の間のクロージャレートは20dB/ディケードです。（画像提供：ボニー・ベイカー氏）

図5では、緑色の曲線がTIAの閉ループゲインを示し、青の曲線がADA4530-1の開ループゲイン性能を示します。閉ループTIAゲイン曲線では、DCでのゲインはアンプ回路の非反転ゲインに等しく、ゲインは1 + R_F/R_PDに等しくなります。この曲線による周波数の最初の変化は、フィードバックネットワークに依存する最初のゼロ（f_z）で発生します。TIA閉ループゲイン曲線の周波数の2番目の変化は最初の極（f_P）で発生します。これはフォトダイオードの寄生成分、アンプの寄生成分、およびフィードバック素子に依存します。このゲイン曲線は理論的には、1 + (C_PD + C_CM + C_DIFF)/C_Fの最終ゲインで平坦になります。f_Zとf_Pを計算するために、式2と3が使用されます。

 式2

 式3

この回路で興味深いのは、A_OL(jw)曲線が1/β曲線と交差するところです。これら2つの曲線の間のクロージャレートはシステムの位相マージンを決定し、次に安定性を予測します。

たとえば、図5の2つの曲線のクロージャレートは20dB/ディケードです。アンプは約−90度の位相シフトに寄与し、フィードバック係数は約0度の位相シフトに寄与しています。A_OL(jw)位相シフトから1/β位相シフトを加算すると、システムの位相シフトは-90度、位相マージンは90度となり、安定したシステムが得られます。これら2つの曲線のクロージャレートが40dB/ディケードで、位相シフトが–180度で位相マージンが0度の場合、回路はステップ関数入力で発振またはリンギングします。

回路の不安定性を補正する2つの方法は、帰還コンデンサC_Fを追加するか、アンプを変更して異なるA_OL周波数応答または異なる入力静電容量を持つことです。

アンプの帯域幅と入力静電容量、さらに帰還抵抗器の値を変えることができる控えめな計算では、2つの曲線が交差する周波数の半分の周波数でシステムの1/βの極を配置します。C_Fのこの計算は式4に示されています。

 式4

ここで、f_GBWはアンプのゲイン帯域幅積です。また、式4から65度のシステム位相マージンが得られます。

たとえば、Analog DevicesのADA4530-1ARZ-R7 fA入力バイアス電流エレクトロメータアンプは、最大入力バイアス電流が±20fA、50µV（マイクロボルト）の入力オフセット電圧、およびf_GBWが1MHzのC_CMプラスC_DIFFで8ピコファラッド（pF）に等しくなります。アンプ外部の部品、R_F、C_RF、およびC_PDは、それぞれ10GΩ、5pF、1pFです。

概念の証明：分光光度計検出器

前述のように、フォトダイオード/精密アンプは、フォトダイオードに入射した光子を検出して使用可能な電圧に変換します。その後、高分解能ADCがアンプの出力電圧をデジタル表現に変換します。この機能図を図6に示します。分光光度計の検出器段は、高精度のアナログフロントエンドでフェムトアンペア範囲のフォトダイオード電流を測定する必要があります。TIAの入力バイアス電流仕様は、この低入力バイアス電流要件に準拠しなければなりません。

図6：ADA4530-1ARZ-R7フェムトアンペア入力バイアス電流エレクトロメータアンプをベースにした分光光度計フェムトアンペアTIA検出回路は、データ収集ボード（右）に接続された低リークメザニンボード（左）を使用します。（画像提供：Bonnie Baker）。

示されているTIA回路は2つのボードを使用しています。これは低リークメザニンボードとデータ収集ボードの組み合わせです。メザニンボードには、基本TIA回路を形成するためのフォトダイオード（D_PD）、ADA4530-1超低入力バイアス電流オペアンプ、非常に高いフィードバック抵抗器（10GΩのガラス抵抗器）、およびフィードバックコンデンサ（C_F）が含まれています。

この超高感度アナログフロントエンドに適した入力デバイスは、フォトダイオードまたは光電子増倍管センサです。検出ダイオード（D_PD）は、ADA4530-1の差動入力ピンにまたがっています。ADA4530-1に内蔵されたガードバッファは、入力ピンをPCボードのリークから絶縁することによって、±20fAの入力バイアス電流を確実に低く保ちます。

この記事のテストで使用したメザニンボード（EVAL-CN0407-1-SDPZ）は、ハイブリッドFR-4とRogers 4350Bのラミネートをベースにした低リークボードです。外側の層はセラミック製（Rogers 4350B）、内側の層は標準のガラスエポキシラミネート（FR-4）です。ガラスやエポキシ材料と比較して、Rogers 4350B材料はより優れた絶縁体です（図7）。

図7：このTIAセットアップで使用される低リークメザニンボードは、ハイブリッドFR-4とRogers 4350Bラミネートです。（画像提供：Analog Devices）

図7では、Rogers 4350B材料は漏れ電流も最小限に抑えており、ガラスやエポキシの誘電体と比較して、誘電緩和時間がはるかに短くなっています。

ADCと電圧リファレンス

データ収集ボードは、Analog DevicesのAD7172-2 ADC、電源モジュール、ADCの基準電圧、および絶縁されたデジタルインターフェースを備えています。このADCは、毎秒5サンプル（SPS）の変換レートで24のノイズフリービットを生成する24ビットのƩ-Δ ADCです。

メザニンボードの出力電圧範囲は、±5Vです。Analog DevicesのADR4525BRZ-R7 2.5V電圧リファレンスの場合、AD7172-2 ADCの入力範囲は±2.5Vです。10kΩ/10kΩの整合抵抗分割器は、メザニンボードの出力を2分の1に減衰させます。ADCオフセット誤差を最小限に抑えるために、Analog DevicesのADG1419BRMZ-REEL7アナログ単極双投（SPDT）スイッチが抵抗分割器の入力をグランドに短絡します。この構成により、測定されたADCと抵抗分割器のオフセット誤差を取り除くことができます。ADA4530-1の独自の回路が残りのオフセットを生成します。

電力管理

分光光度計フェムトアンペア検出器段の電力管理部分は、メザニンおよびデータ収集ボード上のすべてのコンポーネントに電力を供給します。データ収集ボード上の電力管理セクションは、9Vの外部DC電源から電力を供給します（図8）。

図8：外部9V入力を使用して、分光光度計フェムトアンペア検出器の電源部は、Analog Devicesの低ドロップアウトレギュレータ（LDO）を使用して、メザニンおよびデータ収集ボード上のすべてのコンポーネントに電力を供給します。（画像提供：Analog Devices）

9Vの外部入力からボードのパワーICまでの入力回路は、過電圧トランジェントと逆電圧に対する保護を含んでいます。3つのAnalog DevicesのADP7118ACPZN-R7低ノイズ、LDOリニアレギュレータは、ADA4530-1アンプ用に5V、AD7172-2 ADCアナログフロントエンド用に2.5V、デジタル入出力ラインとAnalog DevicesのADUM3151BRSZ-RL7デジタルアイソレータ用に3.3Vを生成します。

分光光度計検出回路のテスト

図9に示すように、メザニンボードはデータ収集ボードの上にあります。

図9：シールドがメザニンボードの周りに配置される前のメザニンとデータ収集PCボードの組み合わせです。（画像提供：Analog Devices）

図9では、シールドを取り外した状態のメザニンボードを示しています。いったん設置されると、シールドはADA4530-1アンプの入力段での干渉を防ぎます。

テストを開始するには、9V電源を接続し、EVAL-CN0407-SDPZ評価ソフトウェアをAnalog DevicesのサポートサイトのCircuit Evaluation ＆ Testセクションからダウンロードする必要があります。

ソフトウェアが起動して実行されると、ボードはADCノイズをテストするように設定されます。最高のノイズ性能を得るには、許容できる最低のサンプリングレートを選択します。たとえば、0.83SPSで120分間サンプリングしたときのシステムノイズは、1.4fAの二乗平均平方根（rms）ノイズと、-150アトアンペア（aA）のDC値を生成します（図10）。

図10：フェムトアンペア測定システムの最高のノイズ性能を得るためには、許容できる最低のサンプリングレートを選択します。たとえば、表示は0.83SPSで120分間サンプリングしたときのシステムノイズです。これにより、DC値-150aAで、1.4fAの二乗平均平方根（rms）ノイズが生成されます。（画像提供：Analog Devices）

12.87µV/√Hzに等しい10GΩ抵抗器からの熱ノイズがシステムノイズの大部分を占めます。これを防ぐために、ADCのオーバーサンプリング機能は、結果からより高い周波数のノイズを除去することができます。

まとめ

分光光度計は微妙な汚染物質や気体や液体の変色を定量的に分析します。設計者にとっての課題は、センシングデバイスとの測定干渉を最小限に抑える、低ノイズおよび超低電流フロントエンドデバイスの設計です。

実行可能な分光光度計ソリューションを追求して、ADA4530-1フェムトアンプと24ビットAD7172-2 Ʃ-Δ ADCを含むTIA構成を使用して、高精度で堅牢なソリューションを作成できることが実証されています。革新的なレイアウトおよびボード製造技術により、最終的なソリューションを実現し、低ノイズの結果を生み出します。