看高度集成的 ADC 如何简化现实世界信号的转换

【导读】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：

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：

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：

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：

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。

结语

数据转换器是一种功能强大的设备，它可以获取现实世界的信息并将其转换为计算机可以理解并存储的数字信号。但这些信息必须进行优化，以弥合时变参数和离散信号之间的差距。本文尤其讨论了模数转换器 (ADC) 前端必须具有的调整电路，它可以将输入信号调整为 ADC 可以理解和量化的数字信号。

本文还讨论了采用片上积分放大器的优势，它能将极微电流转换为电压以匹配 ADC 的范围。文中还介绍了 MDC91128，这是一款可扩展的 delta-sigma ADC，适用于包括 X 射线扫描系统在内的多种应用。

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