Gli strumenti portatili di spettroscopia sono diventati strumenti indispensabili in numerose industrie, consentendo un'analisi rapida e in loco che una volta era limitata alle impostazioni di laboratorio. Dall'identificazione di contaminanti nelle fonti di acqua alla diagnosi delle condizioni mediche nelle cliniche remotive, questi dispositivi si basano sulla conversione precisa dei segnali ottici in dati digitali. Al centro di questa conversione si trova il Convertitore Analog-to-Digital (ADC), un componente che determina direttamente la risoluzione dello strumento, l'accuratezza, l'accuratezza e l'efficienza di distribuzione complessa.

La crescente domanda di spettroscopia portatile

Le agenzie di monitoraggio ambientale richiedono dispositivi portatili per rilevare gli inquinanti a livelli di parti per miliardo. I spettrometri di controllo a livello di punta di assistenza richiedono che possano analizzare campioni di sangue o di tessuto con precisione di laboratorio, ma che operano su una batteria per ore. L'industria farmaceutica utilizza gli spettrometri portatili di controllo a livello quasi infrarosso (NIR) e Ramanometers per verificare l'identità cruda.

La risoluzione, generalmente espressa in bit, definisce il più piccolo cambiamento del segnale che un ADC può rilevare. Un ADC a 16 bit, per esempio, può risolvere una parte in 65.536; un convertitore a 18 bit risolve una parte in 262,144. L'alta risoluzione è vitale per la spettroscopia perché l'assorbimento chimico o i picchi di emissione possono raggiungere un consumo di ampiezza di costi estremamente ridotto.

ADC Architectures Suited per Spectroscopia

Non tutte le architetture ADC sono altrettanto adatte per la combinazione di alta risoluzione e bassa potenza richiesta nella spettroscopia portatile. I tipi più comunemente impiegati sono i moduli di omologazione (SAR) ADC e i modulatori sigma‐delta (ΔΣ).

Registrazione di successo-approximation (SAR) ADCs

I convertitori SAR-DA offrono un forte compromesso tra velocità, risoluzione e potenza. Essi operano confrontando il segnale di ingresso contro una tensione di riferimento utilizzando un algoritmo di ricerca binaria, tipicamente raggiungendo risoluzioni fino a 18 bit a velocità di campionamento di megahertz. Il loro consumo di energia scaglie approssimativamente lineari con la velocità di campionamento, rendendoli efficienti per applicazioni a velocità moderata.

Sigma-Delta (ΔΣ) ADCs

I modelli di potenza a basso consumo di Sigma-delta ADC sono famosi per la loro capacità di fornire una risoluzione estremamente alta (20 bit o più) attraverso il sovracampamento e la modellazione del rumore.

Sfide di consumo di energia in dettaglio

Progettare un ADC a basso potere senza sacrificare la risoluzione comporta superare diversi ostacoli intercorrelati:

Rumore termico e Limitazioni kT/C

Nella tecnologia CMLTOS, il pavimento di rumore fondamentale è impostato da rumore termico, che scala con capacità. Per ridurre il rumore e raggiungere alta risoluzione, i condensatori di campionamento devono essere grandi, ma i condensatori più grandi aumentano il carico sugli amplificatori e aumentano il consumo di energia dinamica (Pdinamica = C] carico

Comparatore e potenza di amplificazione

Le architetture SAR e sigma-delta si basano su comparatori e amplificatori operativi che dominano l'utilizzo del potere. Raggiungere un elevato guadagno e larghezza di banda con un basso consumo di corrente è una classica sfida di progettazione analogica.

Riduzione del rifornimento di tensione

L'uso di tensioni di alimentazione inferiori (ad esempio, 1,2 V invece di 3.3 V) riduce drasticamente la potenza di commutazione digitale, ma complica l'oscillazione del segnale e la sala di testa. In uno strumento portatile, l'ADC deve spesso gestire segnali di ingresso che vanno da microvolti a volt, richiedendo un attento guadagno di scaling per evitare saturazioni.

Supervisione digitale di potenza e interfaccia

Poiché le risoluzioni ADC aumentano, il backend digitale, compresi i filtri digitali per modulatori sigma-delta, la formattazione dei dati e le interfacce seriali, consumano energia non banale. Le interfacce seriali ad alta velocità come SPI possono disegnare milliamps se non accuratamente progettati.

Strategie di progettazione per ADC ad alta risoluzione, a bassa potenza

Gli ingegneri hanno sviluppato un ricco kit di strumenti di tecniche di circuito e di livello di sistema per affrontare le sfide sopra descritte.Le seguenti strategie sono particolarmente rilevanti per la progettazione portatile di spettroscopia ADC:

Oversampling e Noise Shaping

I modulatori Sigma-delta utilizzano intrinsecamente il sovracampamento per diffondere il rumore di quantizzazione su una larghezza di banda più ampia e quindi modellare il rumore lontano dalla banda del segnale. Questo consente l'uso di modulatori di ordine inferiore con circuiti analogici più semplici, riducendo il potere.

Progettazione di circuiti a bassa tensione

Per mantenere il rapporto segnale-rumore (SNR) a tali basse tensioni, i progettisti spesso utilizzano architetture completamente differenziali che raddoppiano l'oscillazione del segnale senza aumentare la tensione. Le tensioni di riferimento sono generate sul chip utilizzando regolatori a basso contenuto di goccia (LDO) che rifiutano il rumore di alimentazione.

Topologie di amplificatori efficienti

I circuiti di condensatore a commutazione che non richiedono amplificatori a tempo continuo possono ridurre drasticamente la potenza statica. Ad esempio, in un ADC SAR, il comparatore può essere un preamplificatore dinamico seguito da un fermo, consumando potenza solo durante la fase di confronto.

Gestione integrata del potere

Molti moderni ADC incorporano più modalità di potenza: modalità a prestazioni complete durante la scansione attiva, modalità di sonno con solo perdite e modalità standby con sveglia rapida. In uno spettrometro portatile, l'ADC può essere riciclato in modo da dovere: alimenta solo quando uno spettro viene raccolto (ad esempio, ogni pochi secondi), rimanendo a dormire il resto del tempo.

Architetture interlavate nel tempo

Per gli spettrometri che richiedono l'acquisizione di dati ad alta velocità (ad esempio, la scansione di un ampio range di lunghezza d'onda rapidamente), l'interleaving multiplo ADC a bassa potenza può aumentare il throughput senza aumentare la potenza di un singolo convertitore oltre i limiti.

Tecnologie emergenti e direzioni future

Diversi tecnologie emergenti promettono di spingere ulteriormente i confini delle prestazioni ADC per la spettroscopia portatile:

Nodi di processo CMOS avanzati

La migrazione a 28 nm, 22 nm, e i nodi più piccoli migliorano la densità digitale e riducono la potenza dinamica. Tuttavia, le prestazioni analogiche in questi nodi soffrono di un ridotto guadagno intrinseco e di una maggiore perdita. I progettisti si affidano sempre più alla calibrazione assistita dal digitale per correggere le imperfezioni analogiche, come l'offset del comparatore e l'errore del condensatore.

Calibrazione di apprendimento della macchina

Gli algoritmi di apprendimento automatico (ML) sono impiegati in particolare per calibrare in tempo reale le non-idealità degli ADC. Ad esempio, una piccola rete neurale può imparare la funzione di trasferimento di un modulatore sigma‐delta e fornire una correzione on-chip per la non linearità e il rumore. Questo consente l’uso di front-end analogici più semplici, pur ottenendo un’alta risoluzione efficace.

Fotonici integrati e ADC

L'integrazione fotonica-elettronica di On-chip è un campo emergente dove i fotodetetectori, gli amplificatori e gli ADC sono co-fabricati su un singolo substrato di silicio. Questo riduce le capacità parassitarie e le perdite di interconnessione, consentendo un minore rumore e potenza. I ricercatori hanno dimostrato spettrometri di prototipo con array di fotodiodi integrati e ADC SAR a 12 bit sullo stesso die, mirando a mano a manometri NIR.

Circuito di Sub-Threshold e Near-Threshold

I transistor operativi nella regione sub-threshold (VGS < VTH[]]) possono ridurre l'energia mediante ordini di grandezza, anche se a costo di velocità e rumore.

Studi di casi in ADC portatili di spettroscopia

Spettrometro Raman portatile

Un tipico sistema Raman portatile utilizza un laser da 532 nm o 785 nm, uno spettrometro con un rilevatore CCD o CMOS, e un ADC per digitalizzare lo spettro. Dispositivi commerciali come quelli di Metrohm o Rigaku impiegano ADC a 16 bit per risolvere i picchi Raman stretti. Il budget di alimentazione ADC è spesso limitato a 50 mW-W bit per consentire diverse ore di funzionamento da una coppia di design Wh.

Miniatura NIR Spectrometro

Negli spettrometri NIR compatti per i test di qualità agricola, come quelli sviluppati da Viavi Solutions, un array di rivelatori lineare viene letto da un multisala e da un singolo ADC. La risoluzione richiesta è di solito 16–18 bit per distinguere le differenze di assorbimento sottili nei cereali e nei prodotti.

Detector di fluorescenza punto di vista

I sensori di fluorescenza portatili per rilevare i biomarcatori o gli agenti patogeni richiedono una sensibilità estremamente elevata. Un approccio di fotoconto può essere utilizzato con un tubo di fotomultiplier (PMT) seguito da un ADC veloce (ad esempio, 12 bit a 100 MSPS) può quantificare la durata della fluorescenza.

Conclusioni

Lo sviluppo di ADC ad alta risoluzione, a bassa potenza, è un punto di riferimento per la spettroscopia portatile. Selezioniamo attentamente l'architettura, impiegando tecniche di circuito avanzate e sfruttando tecnologie emergenti come la calibrazione dell'apprendimento automatico e il funzionamento sub-sorvegliamento, gli ingegneri possono soddisfare le severe esigenze di potenza e prestazioni degli strumenti a campo-deployable.

Per i lettori interessati a approfondire, le seguenti risorse forniscono un'eccellente profondità tecnica: