看高度集成的 ADC 如何簡(jiǎn)化現(xiàn)實(shí)世界信號(hào)的轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器就像一個(gè)小小的奇跡發(fā)生器，它將現(xiàn)實(shí)世界中的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字表達(dá)，然后以高效且抗噪的方式傳輸、處理并存儲(chǔ)。這些轉(zhuǎn)換器花樣繁多，而且應(yīng)用范圍廣泛，從音頻處理到科學(xué)儀器，再到圖像掃描儀。

本文將簡(jiǎn)要介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，并探討如何利用 MDC91128 這樣的高度集成解決方案來(lái)改進(jìn)要求快速、高分辨率成像的 X 射線掃描應(yīng)用。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可以將連續(xù)模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，并以一序列 1 和 0 的形式進(jìn)行傳送。這些輸入信號(hào)被量化為數(shù)字格式后，再進(jìn)一步處理或傳輸時(shí)將不易受噪聲影響。

ADC 有多種架構(gòu)，包括 Delta-Sigma、逐次逼近寄存器 (SAR) 和流水線（Pipelined）ADC。無(wú)論采用何種架構(gòu)，所有 ADC 都提供相同的基本功能，即，將輸 f 入電壓信號(hào)與固定滿量程 (100%) 參考電壓 (V_REF) 進(jìn)行比較，并分配一個(gè)數(shù)字代碼來(lái)表示信號(hào)電平大小與參考電壓相比的比率。例如，當(dāng) V_REF 為 10V 時(shí)，如果輸入信號(hào)僅為 3V，ADC 將使用特定的 1 和 0 序列來(lái)表示輸入電壓為 V_REF 的 30%；如果這是一個(gè) 8 位轉(zhuǎn)換器，則其二進(jìn)制輸出將為 010（參見圖 1）。

圖1: 模數(shù)轉(zhuǎn)換

然而，設(shè)計(jì)人員想要轉(zhuǎn)換的許多信號(hào)（例如溫度、光照水平或壓力）都是無(wú)法由 ADC 直接處理的物理量。 這就需要用熱電偶、光電二極管和應(yīng)變儀等換能器將這些物理量轉(zhuǎn)換為電壓、電流和電阻等電氣參數(shù)。而信號(hào)調(diào)理電路則處理這些電氣信號(hào)，使其與 ADC 的輸入兼容。這其中又包含了進(jìn)一步的信號(hào)轉(zhuǎn)換，例如從電流到電壓的轉(zhuǎn)換、縮放和移位以匹配 ADC 的輸入范圍（由 V_REF 定義）、緩沖以恰當(dāng)驅(qū)動(dòng) ADC 的輸入阻抗，以及濾波以減少噪聲和混疊（較高頻率的信號(hào)可能會(huì)折返至較低頻率，從而導(dǎo)致精度失真），如圖 2 所示。 

圖2: 從物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)

這種移位、縮放、緩沖和過濾均通過信號(hào)調(diào)理電路來(lái)完成。該電路位于提供輸入信號(hào)的傳感器和 ADC 之間，可以由運(yùn)算放大器和無(wú)源元件等分立元件構(gòu)建，也可集成在 ADC 中。

根據(jù)應(yīng)用的不同，ADC 前端可能需要設(shè)計(jì)人員的投入來(lái)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)緊湊、快速且精確的系統(tǒng)。下面我們將討論 X 射線應(yīng)用前端的優(yōu)化方法。

優(yōu)化 ADC 前端

X 射線信號(hào)通過一層閃爍體材料被轉(zhuǎn)換為可見光，然后再通過光電二極管轉(zhuǎn)換為非常小的電流（皮安至納安級(jí)別）。由于每個(gè)像素都由光電二極管陣列中的一個(gè)超小電流來(lái)表示，因此有大量超小電流需要被轉(zhuǎn)換為電壓、被縮放并緩沖，以驅(qū)動(dòng) ADC。那么，如何將這么多的小電流與參考電壓進(jìn)行比較？這就是高效信號(hào)調(diào)整的重要所在。

在 ADC 前端使用電阻

設(shè)計(jì)人員首先想到的可能是采用電阻并利用歐姆定律。這個(gè)基本電氣方程描述了電流 (I_IN)、電壓 (V) 和電阻 (R) 之間的關(guān)系，如公式 (1) 所示：

圖 3 顯示了電路中的這種關(guān)系。注意，在光伏模式下，電流流動(dòng)的方向與箭頭所示相反，因此圖中的電壓 (V) 為負(fù)值。 

圖3: 電壓、電流和電阻的關(guān)系

將歐姆定律應(yīng)用于 X 射線應(yīng)用示例，如果滿量程信號(hào)為 1nA，并且 ADC 的 V_REF 為 4.096V，則電阻應(yīng)為 4.096V / 1nA = 4.096GΩ。這意味著每個(gè)通道都需要一個(gè) 4.096GΩ 的電阻。

盡管理論上采用這種大小的電阻可以將電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓，并可縮放用于 ADC ，但速度是它最大的問題。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮到，現(xiàn)實(shí)世界中的光電二極管有結(jié)電容，其電阻電容 (RC) 電路的時(shí)間常數(shù)（τ 或 tau）將相當(dāng)長(zhǎng)，其值可通過公式 (2) 計(jì)算得出：

圖 4 顯示了實(shí)際電路中的這種關(guān)系。 

圖4: 電流、電阻和 τ 的關(guān)系

舉例來(lái)說，如果光電二極管和將其連接到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的走線電容（也稱為輸入電容）為 20pF，則該 RC 電路的時(shí)間常數(shù)為 (4.096GΩ x 20pF) = 82ms。從數(shù)學(xué)角度看，單個(gè)時(shí)間常數(shù)只占全電壓的約 63.2% (e^-1)?？偣残枰?5 個(gè)時(shí)間常數(shù) (e^-5) 才能穩(wěn)定到 99% 的電壓，即幾乎半秒的時(shí)間。

考慮到這一點(diǎn)，82ms tau 對(duì)于 kHz 速度的應(yīng)用來(lái)說太慢了。而且，為每個(gè)電流源添加一個(gè)電阻還會(huì)降低系統(tǒng)可靠性、增加成本并導(dǎo)致板布局更大。

在 ADC 前端使用跨阻放大器

或者，我們可以使用跨阻放大器 (TIA) 來(lái)緩沖信號(hào)，同時(shí)將電流轉(zhuǎn)換為電壓（見圖 4）。注意，在圖 4 和圖 5 中，由于電流流動(dòng)方向與箭頭相反，因此負(fù)號(hào)抵消，放大器輸出端電壓為正。

圖5: 跨阻放大器

TIA 會(huì)在其反饋電路中添加一個(gè)增益電阻 (RG)，由此產(chǎn)生的輸出電壓可通過公式 (3) 來(lái)計(jì)算：

使用放大器可以得到經(jīng)緩沖的時(shí)變電壓信號(hào)，該信號(hào)與光電二極管流出的電流成正比。對(duì)許多需要瞬時(shí)電流并且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器足夠快以捕獲信號(hào)的應(yīng)用來(lái)說，這是一個(gè)很好的選擇。

在 ADC 前端使用積分放大器

然而，對(duì)許多 X 射線應(yīng)用來(lái)說，總電荷或積分電流最重要，它與固定間隔（積分周期，t_INT）內(nèi)穿過目標(biāo)的輻射劑量成正比。在此類應(yīng)用中，積分器前端比 TIA 更合適（見圖 5）。

圖6: 積分放大器

使用積分放大器時(shí)，放大器的輸出即 ADC 的輸入 (V) 可以使用公式 (4) 進(jìn)行估算：

其中 C_F 是反饋電容，t_INT 是積分時(shí)間，I_IN 是光電二極管的輸入電流。

MDC91128 與 X 射線系統(tǒng)

X 射線可用于多種具有不同能級(jí)的應(yīng)用。有些行業(yè)可能需要檢查小包裹的系統(tǒng)（例如機(jī)場(chǎng)或郵局），這類系統(tǒng)可以使用較小的 X 射線源；還有一些行業(yè)則可能需要掃描滿是包裹的運(yùn)貨盤，這需要能級(jí)更高、更大的 X 射線機(jī)；而更大的 X 射線系統(tǒng)則可能用于掃描船舶集裝箱以及每個(gè)集裝箱中的很多層。在前端積分器中采用不同的反饋電容，能夠設(shè)計(jì)出可轉(zhuǎn)換低功率與高功率信號(hào)的 ADC。這樣，X 射線系統(tǒng)制造商就可以將相同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展應(yīng)用于不同的系統(tǒng)。

MPS 提供的 MDC91128 采用內(nèi)部電容作為積分放大器的反饋元件。MDC91128 是一款 delta-sigma ADC，它提供 128 個(gè)通道，可支持 128 個(gè)光電二極管傳感器（見圖 6）。MDC91128 的每個(gè)通道都包含一個(gè)可選增益積分器和 ADC，從而提供了一種易用、小巧且性價(jià)比高的解決方案。

圖7: MDC91128

通過內(nèi)置多個(gè)可選的反饋電容，MDC91128 這類集成型 ADC 可應(yīng)用于不同能量級(jí)別的系統(tǒng)，從醫(yī)院的小型 X 射線系統(tǒng)，到貨運(yùn)集裝箱中可以提供多層高分辨率圖像的大型 X 射線系統(tǒng)。此外，MDC91128 的 128 個(gè)通道還可分為兩組，每組 64 個(gè)通道并配置單獨(dú)的增益；這樣的配置使 MDC91128 可以支持雙能量系統(tǒng)，其中低能量圖像和高能量圖像可以相結(jié)合以提高材料密度分辨率。

如前所述，X 射線應(yīng)用如何確保輻射不被浪費(fèi)非常重要，這將驅(qū)動(dòng)光電二極管信號(hào)的持續(xù)積分。MDC91128 即可以實(shí)現(xiàn)此過程，它在 ADC 轉(zhuǎn)換剛剛完成的積分值時(shí)，即允許新的積分周期開始。

MDC91128 所采用的架構(gòu)對(duì)許多需要轉(zhuǎn)換小信號(hào)電流到數(shù)字的應(yīng)用非常有用。除了X 射線掃描外，它還非常適合測(cè)量和轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的小電流、生化反應(yīng)、生物醫(yī)學(xué)成像、其他光電二極管傳感器、劑量測(cè)定和放射治療系統(tǒng)、光纖功率監(jiān)測(cè)、儀器儀表、體外診斷應(yīng)用，以及其他具有大量光電二極管或大量并行電壓測(cè)量的應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是一種功能強(qiáng)大的設(shè)備，它可以獲取現(xiàn)實(shí)世界的信息并將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解并存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)。但這些信息必須進(jìn)行優(yōu)化，以彌合時(shí)變參數(shù)和離散信號(hào)之間的差距。本文尤其討論了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 前端必須具有的調(diào)整電路，它可以將輸入信號(hào)調(diào)整為 ADC 可以理解和量化的數(shù)字信號(hào)。

本文還討論了采用片上積分放大器的優(yōu)勢(shì)，它能將極微電流轉(zhuǎn)換為電壓以匹配 ADC 的范圍。文中還介紹了 MDC91128，這是一款可擴(kuò)展的 delta-sigma ADC，適用于包括 X 射線掃描系統(tǒng)在內(nèi)的多種應(yīng)用。