看高度集成的 ADC 如何简化现实世界信号的转换

Brian Black

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简介

数据转换器就像一个小小的奇迹发生器，它将现实世界中的信号转换为数字表达，然后以高效且抗噪的方式传输、处理并存储。这些转换器花样繁多，而且应用范围广泛，从音频处理到科学仪器，再到图像扫描仪。

本文将简要介绍模数转换器 (ADC)，并探讨如何利用 MDC91128 这样的高度集成解决方案来改进要求快速、高分辨率成像的 X 射线扫描应用。

模数转换器 (ADC)

模数转换器 (ADC) 可以将连续模拟输入信号转换为离散的数字信号，并以一序列 1 和 0 的形式进行传送。这些输入信号被量化为数字格式后，再进一步处理或传输时将不易受噪声影响。

ADC 有多种架构，包括 Delta-Sigma、逐次逼近寄存器 (SAR) 和流水线（Pipelined）ADC。无论采用何种架构，所有 ADC 都提供相同的基本功能，即，将输 f 入电压信号与固定满量程 (100%) 参考电压 (V_REF) 进行比较，并分配一个数字代码来表示信号电平大小与参考电压相比的比率。例如，当 V_REF 为 10V 时，如果输入信号仅为 3V，ADC 将使用特定的 1 和 0 序列来表示输入电压为 V_REF 的 30%；如果这是一个 8 位转换器，则其二进制输出将为 010（参见图 1）。

图1: 模数转换

然而，设计人员想要转换的许多信号（例如温度、光照水平或压力）都是无法由 ADC 直接处理的物理量。这就需要用热电偶、光电二极管和应变仪等换能器将这些物理量转换为电压、电流和电阻等电气参数。而信号调理电路则处理这些电气信号，使其与 ADC 的输入兼容。这其中又包含了进一步的信号转换，例如从电流到电压的转换、缩放和移位以匹配 ADC 的输入范围（由 V_REF 定义）、缓冲以恰当驱动 ADC 的输入阻抗，以及滤波以减少噪声和混叠（较高频率的信号可能会折返至较低频率，从而导致精度失真），如图 2 所示。

图2: 从物理量转换为数字信号

这种移位、缩放、缓冲和过滤均通过信号调理电路来完成。该电路位于提供输入信号的传感器和 ADC 之间，可以由运算放大器和无源元件等分立元件构建，也可集成在 ADC 中。

根据应用的不同，ADC 前端可能需要设计人员的投入来优化，以实现紧凑、快速且精确的系统。下面我们将讨论 X 射线应用前端的优化方法。

优化 ADC 前端

X 射线信号通过一层闪烁体材料被转换为可见光，然后再通过光电二极管转换为非常小的电流（皮安至纳安级别）。由于每个像素都由光电二极管阵列中的一个超小电流来表示，因此有大量超小电流需要被转换为电压、被缩放并缓冲，以驱动 ADC。那么，如何将这么多的小电流与参考电压进行比较？这就是高效信号调整的重要所在。

在 ADC 前端使用电阻

设计人员首先想到的可能是采用电阻并利用欧姆定律。这个基本电气方程描述了电流 (I_IN)、电压 (V) 和电阻 (R) 之间的关系，如公式 (1) 所示：

$$V = I_{IN} \times R$$

图 3 显示了电路中的这种关系。注意，在光伏模式下，电流流动的方向与箭头所示相反，因此图中的电压 (V) 为负值。

图3: 电压、电流和电阻的关系

将欧姆定律应用于 X 射线应用示例，如果满量程信号为 1nA，并且 ADC 的 V_REF 为 4.096V，则电阻应为 4.096V / 1nA = 4.096GΩ。这意味着每个通道都需要一个 4.096GΩ 的电阻。

尽管理论上采用这种大小的电阻可以将电流转换为输出电压，并可缩放用于 ADC ，但速度是它最大的问题。设计人员应考虑到，现实世界中的光电二极管有结电容，其电阻电容 (RC) 电路的时间常数（τ 或 tau）将相当长，其值可通过公式 (2) 计算得出：

$$\tau = R \times C_{JUNCTION}$$

图 4 显示了实际电路中的这种关系。

图4: 电流、电阻和 τ 的关系

举例来说，如果光电二极管和将其连接到数据转换器的走线电容（也称为输入电容）为 20pF，则该 RC 电路的时间常数为 (4.096GΩ x 20pF) = 82ms。从数学角度看，单个时间常数只占全电压的约 63.2% (e^-1)。总共需要 5 个时间常数 (e^-5) 才能稳定到 99% 的电压，即几乎半秒的时间。

考虑到这一点，82ms tau 对于 kHz 速度的应用来说太慢了。而且，为每个电流源添加一个电阻还会降低系统可靠性、增加成本并导致板布局更大。

在 ADC 前端使用跨阻放大器

或者，我们可以使用跨阻放大器 (TIA) 来缓冲信号，同时将电流转换为电压（见图 4）。注意，在图 4 和图 5 中，由于电流流动方向与箭头相反，因此负号抵消，放大器输出端电压为正。

图5: 跨阻放大器

TIA 会在其反馈电路中添加一个增益电阻 (RG)，由此产生的输出电压可通过公式 (3) 来计算：

$$V = -R_G \times I_{IN}$$

使用放大器可以得到经缓冲的时变电压信号，该信号与光电二极管流出的电流成正比。对许多需要瞬时电流并且数据转换器足够快以捕获信号的应用来说，这是一个很好的选择。

在 ADC 前端使用积分放大器

然而，对许多 X 射线应用来说，总电荷或积分电流最重要，它与固定间隔（积分周期，t_INT）内穿过目标的辐射剂量成正比。在此类应用中，积分器前端比 TIA 更合适（见图 5）。

图6: 积分放大器

使用积分放大器时，放大器的输出即 ADC 的输入 (V) 可以使用公式 (4) 进行估算：

$$-V = - \frac {1}{C_F} \int_{t_{INT}} ^{0} I_{IN}dt$$

其中 C_F 是反馈电容，t_INT 是积分时间，I_IN 是光电二极管的输入电流。

MDC91128 与 X 射线系统

X 射线可用于多种具有不同能级的应用。有些行业可能需要检查小包裹的系统（例如机场或邮局），这类系统可以使用较小的 X 射线源；还有一些行业则可能需要扫描满是包裹的运货盘，这需要能级更高、更大的 X 射线机；而更大的 X 射线系统则可能用于扫描船舶集装箱以及每个集装箱中的很多层。在前端积分器中采用不同的反馈电容，能够设计出可转换低功率与高功率信号的 ADC。这样，X 射线系统制造商就可以将相同的数据转换器扩展应用于不同的系统。

MPS 提供的 MDC91128 采用内部电容作为积分放大器的反馈元件。MDC91128 是一款 delta-sigma ADC，它提供 128 个通道，可支持 128 个光电二极管传感器（见图 6）。MDC91128 的每个通道都包含一个可选增益积分器和 ADC，从而提供了一种易用、小巧且性价比高的解决方案。

图7: MDC91128

通过内置多个可选的反馈电容，MDC91128 这类集成型 ADC 可应用于不同能量级别的系统，从医院的小型 X 射线系统，到货运集装箱中可以提供多层高分辨率图像的大型 X 射线系统。此外，MDC91128 的 128 个通道还可分为两组，每组 64 个通道并配置单独的增益；这样的配置使 MDC91128 可以支持双能量系统，其中低能量图像和高能量图像可以相结合以提高材料密度分辨率。

如前所述，X 射线应用如何确保辐射不被浪费非常重要，这将驱动光电二极管信号的持续积分。MDC91128 即可以实现此过程，它在 ADC 转换刚刚完成的积分值时，即允许新的积分周期开始。

MDC91128 所采用的架构对许多需要转换小信号电流到数字的应用非常有用。除了X 射线扫描外，它还非常适合测量和转换实验室环境中的小电流、生化反应、生物医学成像、其他光电二极管传感器、剂量测定和放射治疗系统、光纤功率监测、仪器仪表、体外诊断应用，以及其他具有大量光电二极管或大量并行电压测量的应用。