Разработка высокоразрешающих маломощных устройств для портативных приборов спектроскопии
Портативные приборы спектроскопии стали незаменимыми инструментами во многих отраслях промышленности, что позволило быстро проводить анализ на месте, который когда-то ограничивался лабораторными условиями. От выявления загрязняющих веществ в источниках воды до диагностики медицинских условий в отдаленных клиниках, эти устройства полагаются на точную конверсию оптических сигналов в цифровые данные. В основе этого преобразования лежит аналого-цифровой преобразователь (ADC), компонент, который непосредственно определяет разрешение инструмента, точность и энергоэффективность. Разработка ADC, которые одновременно достигают высокого разрешения и низкого энергопотребления, является сложной инженерной задачей, но которая необходима для дальнейшей миниатюризации и развертывания спектроскопических систем на местах.
Растущий спрос на портативную спектроскопию
Переход к портативным аналитическим инструментам обусловлен необходимостью принятия решений в режиме реального времени на месте. Агентства по мониторингу окружающей среды требуют портативных устройств для обнаружения загрязняющих веществ на уровнях частей на миллиард. Диагностика точек ухода требует спектрометров, которые могут анализировать образцы крови или тканей с лабораторной точностью, но работать на батарее в течение нескольких часов. Фармацевтическая промышленность использует портативные ближние инфракрасные (NIR) и рамановские спектрометры для проверки идентичности сырья на заводском этаже. В каждом случае ADC должен захватывать тонкие спектральные особенности, не истощая источник питания, что делает его дизайн критическим узким местом.
Прямое устранение этого узкого места требует понимания фундаментальных компромиссов в конструкции ADC. Разрешение, обычно выраженное в битах, определяет наименьшее изменение сигнала, которое может обнаружить ADC. 16-битный ADC, например, может разрешить одну часть в 65 536; 18-битный преобразователь разрешает одну часть в 262 144. Высокое разрешение жизненно важно для спектроскопии, потому что пики химического поглощения или излучения могут быть чрезвычайно узкими и низкими по амплитуде. Однако более высокое разрешение часто приходит за счет увеличения энергопотребления и снижения скорости преобразования. Портативные инструменты должны сбалансировать эти параметры для достижения адекватной спектральной точности с минимальным потреблением энергии.
Архитектура ADC подходит для спектроскопии
Не все архитектуры ADC одинаково подходят для комбинации высокого разрешения и низкой мощности, требуемой в портативной спектроскопии. Наиболее часто используемые типы - последовательные аппроксимирующие регистры (SAR) ADC и модуляторы сигма-дельта (ΔΣ).
АЦП регистра последовательного приближения (САР)
SAR ADCs предлагают сильный компромисс между скоростью, разрешением и мощностью. Они работают, сравнивая входной сигнал с опорным напряжением с помощью двоичного алгоритма поиска, обычно достигая разрешения до 18 бит при скорости выборки мегагерц. Их шкалы энергопотребления примерно линейно со скоростью выборки, что делает их эффективными для приложений с умеренной скоростью. В портативных спектрометрах, которые сканируют диапазон длин волн в миллисекундах, SAR ADC может обеспечить необходимый динамический диапазон при сохранении тока на низком уровне. Например, 16-битный SAR ADC от аналоговых устройств или Texas Instruments часто потребляет менее 10 мВт при нескольких мегасхемах в секунду. Однако SAR ADC требуют высокоточных внутренних компараторов и стабильного цифрового аналогового преобразователя (DAC), который может быть сложным для проектирования в субмикронных CMOS-процессах.
Sigma-Delta (ΔΣ) ADCs
Sigma-delta ADCs известны своей способностью доставлять чрезвычайно высокое разрешение (20 бит или более) через избыточную выборку и формование шума. Путем отбора проб ввода намного быстрее, чем скорость Nyquist, а затем фильтрации шума квантования, они достигают эффективных разрешений, которые превосходят таковые SAR ADC для сигналов с низкой пропускной способностью. Многие портативные спектрометры, особенно те, которые используют фотодиодные массивы или детекторы с низкой скоростью считывания, могут извлечь выгоду из преобразователей сигма-дельта. Компромиссом является более высокое потребление энергии во время процесса пересчета, но современные конструкции включают режимы экономии энергии и дежурного цикла для снижения средней мощности. Например, 24-битный ADC сигма-дельта может потреблять только несколько сотен микроватт при использовании в сценарии сканирования с низкой скоростью, в режиме всплеска.
Проблемы энергопотребления в деталях
Проектирование маломощного АЦП без ущерба для разрешения предполагает преодоление нескольких взаимосвязанных препятствий:
Термический шум и ограничения kT/C
В технологии CMOS основной шумовой пол устанавливается тепловым шумом, который масштабируется с емкостью. Для снижения шума и достижения высокого разрешения конденсаторы отбора проб должны быть большими, но более крупные конденсаторы увеличивают нагрузку на усилители и повышают динамическое энергопотребление (P) динамическая = C нагрузка × V DD2 × f. Дизайнеры должны тщательно выбирать размеры конденсатора для удовлетворения шумовых спецификаций, не превышая при этом силовые бюджеты.
Мощность компаратора и усилителя
Архитектура SAR и сигма-дельта опирается на компараторы и операционные усилители, которые доминируют в использовании энергии. Достижение высокого коэффициента усиления и пропускной способности при низком потреблении тока является классической задачей аналогового дизайна. Такие методы, как динамические компараторы (которые не потребляют статического тока) и инверторные усилители обычно используются для снижения мощности.
Сокращение напряжения поставок
Работа при более низких напряжениях питания (например, 1,2 В вместо 3,3 В) резко снижает мощность цифрового переключения, но усложняет качание сигнала и головную часть. В переносном инструменте ADC часто должен обрабатывать входные сигналы в диапазоне от микровольт до вольт, требуя тщательного масштабирования усиления, чтобы избежать насыщения. Снижение подачи также повышает чувствительность к шуму подложки и ряби питания, что требует надежной компоновки и стратегий разъединения.
Цифровая энергия и интерфейс накладные расходы
По мере увеличения разрешений ADC цифровой бэкэнд, включая цифровые фильтры для модуляторов сигма-дельта, форматирования данных и последовательных интерфейсов, потребляет нетривиальную мощность. Высокоскоростные последовательные интерфейсы, такие как SPI, могут рисовать миллиамперы, если они не тщательно разработаны. Методы управления питанием, такие как забивание часов и снижение скорости вывода данных, когда это не нужно, необходимы.
Стратегии проектирования для ADC с высоким разрешением и низким энергопотреблением
Инженеры разработали богатый набор схемных и системных методов для решения вышеуказанных проблем. Следующие стратегии особенно актуальны для портативной спектроскопии ADC:
Чрезмерная выборка и формирование шума
Модуляторы Sigma-delta по своей сути используют избыточную выборку для распространения шума квантования по более широкой полосе пропускания, а затем формируют шум от полосы сигнала. Это позволяет использовать модуляторы более низкого порядка с более простой аналоговой схемой, снижая мощность. Для спектроскопических сигналов, которые по своей сути являются узкополосными, коэффициенты избыточной выборки 64 или 128 могут быть эффективными. Цифровой фильтр децимации, следующий за модулятором, потребляет некоторую мощность, но его можно трубопроводировать и совместно использовать по нескольким каналам в многодетной системе.
Низковольтный дизайн схемы
Работа всей цепи ADC на 1,0-1,2 В теперь распространена в продвинутых узлах CMOS. Для поддержания отношения сигнал/шум (SNR) при таких низких напряжениях дизайнеры часто используют полностью дифференциальные архитектуры, которые удваивают качание сигнала без увеличения напряжения. Ссылочные напряжения генерируются на чипе с использованием регуляторов с низким уровнем выпадения (LDO), которые отклоняют шум подачи. Конструкции компараторов, такие как защелка StrongARM, работают при низких напряжениях с минимальной задержкой.
Эффективные топологии усилителей
Схемы с коммутацией конденсаторов, не требующие усилителей непрерывного времени, могут резко снижать статическую мощность. Например, в SAR ADC компаратором может быть динамический преамплификатор с последующим защелкой, потребляющий мощность только во время фазы сравнения. Аналогично, в модуляторе сигма-дельта интеграторы могут быть реализованы с коммутируемыми конденсаторными схемами, которые работают только во время конкретных тактовых фаз. Использование двухступенчатых Миллер-компенсированных усилителей с выходными стадиями класса-AB также повышает энергоэффективность.
Комплексное управление электроэнергетикой
Многие современные АЦП включают в себя несколько режимов питания: режим полной производительности во время активного сканирования, режим сна только с утечкой и режим ожидания с быстрым пробуждением. В портативном спектрометре АЦП может работать в режиме дежурного цикла: он питается только при сборе спектра (например, каждые несколько секунд), оставаясь во сне в остальное время. Это снижает среднюю мощность от милливатт до микроватт. Динамическое напряжение и частотное масштабирование (DVFS) может дополнительно регулировать питание и часы в соответствии с требуемым разрешением или скоростью.
Архитектура, переплетенная со временем
Для спектрометров, требующих высокоскоростного сбора данных (например, быстрого сканирования широкого диапазона длин волн), временное усложнение нескольких маломощных ADC может увеличить пропускную способность без увеличения мощности одного преобразователя за пределы. Каждая суб-ADC работает с долей общей скорости выборки, расслабляя индивидуальные требования к скорости. Проблема заключается в несоответствии между интерливенированными каналами (загрузка, усиление, перекос во времени), которые должны быть откалиброваны либо в аналоговой области, либо в цифровом виде. Недавние исследования продемонстрировали чередующиеся SAR ADC с 12-битным разрешением, потребляющим менее 1 мВт на канал.
Новые технологии и будущие направления
Несколько новых технологий обещают еще больше расширить границы производительности ADC для портативной спектроскопии:
Узлы процессов Advanced CMOS
Миграция на 28 нм, 22 нм и более мелкие узлы улучшает цифровую плотность и снижает динамическую мощность. Однако аналоговая производительность в этих узлах страдает от снижения внутренней выгоды и увеличения утечки. Дизайнеры все чаще полагаются на цифровую калибровку для исправления аналоговых несовершенств, таких как смещение компаратора и несоответствие конденсатора. Эта тенденция согласуется с переходом к «цифрово-интенсивным» ADC, которые загружают коррекцию в логические схемы.
Калибровка машинного обучения
Алгоритмы машинного обучения (ML), в частности нейронные сети, используются для калибровки неидеалов в ADC в режиме реального времени. Например, небольшая нейронная сеть может изучать функцию передачи модулятора сигма-дельта и обеспечивать коррекцию на чипе для нелинейности и шума. Это позволяет использовать более простые аналоговые интерфейсы при достижении высокого эффективного разрешения. В портативных инструментах такая калибровка на основе ML может адаптироваться к изменениям температуры и напряжения, сохраняя точность в течение срока службы устройства.
Интегрированная фотоника и ADC
Фотонно-электронная интеграция на чипе - это новая область, где фотоприемники, усилители и АЦП совместно изготавливаются на одной кремниевой подложке. Это снижает паразитные емкости и потери межсоединений, что позволяет снизить уровень шума и мощности. Исследователи продемонстрировали прототипы спектрометров с интегрированными фотодиодными массивами и 12-битными САР АЦП на одном и том же кристалле, нацеленные на портативные анализаторы NIR. По мере развития технологии она может резко уменьшить размер и мощность инструмента.
Подпороговая и почтипороговая схемы
Операционные транзисторы в субпороговой области (V]GS< VTH) могут снижать мощность на порядки, хотя и за счёт скорости и шума. Для очень малоширотной спектроскопии (например, интеграции фототока в течение миллисекунд) конструкции субпорогов ADC могут достигать мощности микроватт при сохранении 16-битного разрешения. Достаточно частот часов в килогерцовом диапазоне, и весь ADC может работать непосредственно из маленькой ячейки монеты в течение длительных периодов.
Тематические исследования в портативной спектроскопии ADC
Ручной рамановский спектрометр
Типичная портативная система Raman использует лазер 532 нм или 785 нм, спектрометр с детектором CCD или CMOS и ADC для оцифровки спектра. Коммерческие устройства, такие как Metrohm или Rigaku, используют 16-битные ADC для решения узких пиков Raman. Бюджет мощности ADC часто ограничен 50 мВт или менее, чтобы обеспечить несколько часов работы от батареи 5-8 Вт. Дизайнеры выбрали маломощные SAR ADC (например, AD7980 от Analog Devices, 16 бит, 1 MSPS, 7 мВт) в сочетании с пользовательскими фронтальными усилителями для управления детектором. Интеграция ADC с микроконтроллером, который обрабатывает усреднение данных, еще больше снижает мощность, сохраняя ADC в режиме ожидания между сканированием.
Миниатюрный спектрометр NIR
В компактных NIR-спектрометрах для тестирования качества сельскохозяйственной продукции, таких как разработанные Viavi Solutions, линейный детекторный массив считывается мультиплексором и одним ADC. Требуемое разрешение обычно составляет 16-18 бит, чтобы различать тонкие различия поглощения в зернах и производить. Преобразователи Sigma-delta часто предпочтительны, потому что они по своей сути обеспечивают высокое разрешение и низкий уровень шума при относительно медленной скорости считывания (десятки килогерц). ADS1256 от Texas Instruments (24 бита, 30 кSPS, 38 мВт) является популярным выбором, хотя мощность может быть уменьшена с помощью режимов экономии энергии при бездействии.
Точка-в-заботе флуоресцентный детектор
Портативные флуоресцентные датчики для обнаружения биомаркеров или патогенов требуют чрезвычайно высокой чувствительности. Подход к подсчету фотонов с использованием трубки фотоумножителя (PMT), за которым следует быстрый ADC (например, 12 бит при 100 MSPS), может количественно определять время жизни флуоресценции. ADC должен иметь низкую дифференциальную нелинейность (DNL), чтобы избежать артефактов в гистограмме. Низкоэнергетические чередующиеся ADC от таких компаний, как Analog Devices (например, AD9680, 14 бит, 1 GSPS, 1.9 Вт) слишком энергоемки для портативного использования; вместо этого дизайнеры могут использовать один высокоскоростной SAR ADC (12 бит, 125 MSPS, 150 мВт) и рабочий цикл. Будущие проекты могут извлечь выгоду из пользовательских ASIC, которые интегрируют считывание PMT и ADC на одном чипе.
Заключение
Разработка АЦП с высоким разрешением и низким энергопотреблением является краеугольным камнем прогресса в портативной спектроскопии. Тщательно выбирая архитектуру, используя передовые технологии схем и используя новые технологии, такие как калибровка машинного обучения и субпороговая работа, инженеры могут удовлетворить строгие требования к мощности и производительности полевых инструментов. Компромиссы между разрешением, скоростью и потреблением энергии будут продолжать стимулировать инновации в конструкции АЦП, в конечном итоге позволяя спектроскопическому анализу достигать новых применений - от скрининга безопасности пищевых продуктов на ферме до диагностики заболеваний в удаленной клинике. По мере расширения масштабирования и интеграции CMOS разрыв между лабораторными и портативными спектрометрами будет сужаться, делая высокоточные измерения доступными везде, где они необходимы.
Для читателей, заинтересованных в углублении, следующие ресурсы обеспечивают отличную техническую глубину: