看高度集成的 ADC 如何簡化現實世界信號的轉換

數據轉換器就像一個小小的奇跡發生器，它將現實世界中的信號轉換為數字表達，然后以高效且抗噪的方式傳輸、處理并存儲。這些轉換器花樣繁多，而且應用范圍廣泛，從音頻處理到科學儀器，再到圖像掃描儀。

本文將簡要介紹模數轉換器 (ADC)，并探討如何利用 MDC91128 這樣的高度集成解決方案來改進要求快速、高分辨率成像的 X 射線掃描應用。

模數轉換器 (ADC)

模數轉換器 (ADC) 可以將連續模擬輸入信號轉換為離散的數字信號，并以一序列 1 和 0 的形式進行傳送。這些輸入信號被量化為數字格式后，再進一步處理或傳輸時將不易受噪聲影響。

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

圖1: 模數轉換

然而，設計人員想要轉換的許多信號（例如溫度、光照水平或壓力）都是無法由 ADC 直接處理的物理量。 這就需要用熱電偶、光電二極管和應變儀等換能器將這些物理量轉換為電壓、電流和電阻等電氣參數。而信號調理電路則處理這些電氣信號，使其與 ADC 的輸入兼容。這其中又包含了進一步的信號轉換，例如從電流到電壓的轉換、縮放和移位以匹配 ADC 的輸入范圍（由 V_REF 定義）、緩沖以恰當驅動 ADC 的輸入阻抗，以及濾波以減少噪聲和混疊（較高頻率的信號可能會折返至較低頻率，從而導致精度失真），如圖 2 所示。 

圖2: 從物理量轉換為數字信號

這種移位、縮放、緩沖和過濾均通過信號調理電路來完成。該電路位于提供輸入信號的傳感器和 ADC 之間，可以由運算放大器和無源元件等分立元件構建，也可集成在 ADC 中。

根據應用的不同，ADC 前端可能需要設計人員的投入來優化，以實現緊湊、快速且精確的系統。下面我們將討論 X 射線應用前端的優化方法。

優化 ADC 前端

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

在 ADC 前端使用電阻

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

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

圖3: 電壓、電流和電阻的關系

將歐姆定律應用于 X 射線應用示例，如果滿量程信號為 1nA，并且 ADC 的 V_REF 為 4.096V，則電阻應為 4.096V / 1nA = 4.096GΩ。這意味著每個通道都需要一個 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換為輸出電壓，并可縮放用于 ADC ，但速度是它最大的問題。設計人員應考慮到，現實世界中的光電二極管有結電容，其電阻電容 (RC) 電路的時間常數（τ 或 tau）將相當長，其值可通過公式 (2) 計算得出：

圖 4 顯示了實際電路中的這種關系。 

圖4: 電流、電阻和 τ 的關系

舉例來說，如果光電二極管和將其連接到數據轉換器的走線電容（也稱為輸入電容）為 20pF，則該 RC 電路的時間常數為 (4.096GΩ x 20pF) = 82ms。從數學角度看，單個時間常數只占全電壓的約 63.2% (e^-1)?？偣残枰?5 個時間常數 (e^-5) 才能穩定到 99% 的電壓，即幾乎半秒的時間。

考慮到這一點，82ms tau 對于 kHz 速度的應用來說太慢了。而且，為每個電流源添加一個電阻還會降低系統可靠性、增加成本并導致板布局更大。

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) 來緩沖信號，同時將電流轉換為電壓（見圖 4）。注意，在圖 4 和圖 5 中，由于電流流動方向與箭頭相反，因此負號抵消，放大器輸出端電壓為正。

圖5: 跨阻放大器

TIA 會在其反饋電路中添加一個增益電阻 (RG)，由此產生的輸出電壓可通過公式 (3) 來計算：

使用放大器可以得到經緩沖的時變電壓信號，該信號與光電二極管流出的電流成正比。對許多需要瞬時電流并且數據轉換器足夠快以捕獲信號的應用來說，這是一個很好的選擇。

在 ADC 前端使用積分放大器

然而，對許多 X 射線應用來說，總電荷或積分電流最重要，它與固定間隔（積分周期，t_INT）內穿過目標的輻射劑量成正比。在此類應用中，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，放大器的輸出即 ADC 的輸入 (V) 可以使用公式 (4) 進行估算：

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

MDC91128 與 X 射線系統

X 射線可用于多種具有不同能級的應用。有些行業可能需要檢查小包裹的系統（例如機場或郵局），這類系統可以使用較小的 X 射線源；還有一些行業則可能需要掃描滿是包裹的運貨盤，這需要能級更高、更大的 X 射線機；而更大的 X 射線系統則可能用于掃描船舶集裝箱以及每個集裝箱中的很多層。在前端積分器中采用不同的反饋電容，能夠設計出可轉換低功率與高功率信號的 ADC。這樣，X 射線系統制造商就可以將相同的數據轉換器擴展應用于不同的系統。

MPS 提供的 MDC91128 采用內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 個通道，可支持 128 個光電二極管傳感器（見圖 6）。MDC91128 的每個通道都包含一個可選增益積分器和 ADC，從而提供了一種易用、小巧且性價比高的解決方案。

圖7: MDC91128

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

如前所述，X 射線應用如何確保輻射不被浪費非常重要，這將驅動光電二極管信號的持續積分。MDC91128 即可以實現此過程，它在 ADC 轉換剛剛完成的積分值時，即允許新的積分周期開始。

MDC91128 所采用的架構對許多需要轉換小信號電流到數字的應用非常有用。除了X 射線掃描外，它還非常適合測量和轉換實驗室環境中的小電流、生化反應、生物醫學成像、其他光電二極管傳感器、劑量測定和放射治療系統、光纖功率監測、儀器儀表、體外診斷應用，以及其他具有大量光電二極管或大量并行電壓測量的應用。

結語

數據轉換器是一種功能強大的設備，它可以獲取現實世界的信息并將其轉換為計算機可以理解并存儲的數字信號。但這些信息必須進行優化，以彌合時變參數和離散信號之間的差距。本文尤其討論了模數轉換器 (ADC) 前端必須具有的調整電路，它可以將輸入信號調整為 ADC 可以理解和量化的數字信號。

本文還討論了采用片上積分放大器的優勢，它能將極微電流轉換為電壓以匹配 ADC 的范圍。文中還介紹了 MDC91128，這是一款可擴展的 delta-sigma ADC，適用于包括 X 射線掃描系統在內的多種應用。