X射线应用中的ADC前端优化方案

X射线应用中的ADC前端优化方案

X射线扫描系统是一种无损检测方法，广泛应用于医疗、食品检验、射线照相和安全行业。在X射线应用中，如何优化ADC前端设计是一个关键问题。本文将详细介绍X射线应用中的ADC前端优化方案，并重点介绍MPS的MDC91128在X射线应用中的优化方案。

X射线扫描系统原理

工业X射线是一种无损检测方法，广泛应用于医疗、食品检验、射线照相和安全行业，它可以提供精确的材料尺寸与类型的二维读数，同时可识别质量缺陷并计算数量。

在用于行李扫描仪和其他安全与质量检查的典型X射线扫描应用中，X射线源直接指向传送带上、X射线下方通过的物体（见图1）。

图1：X射线扫描探测器

当X射线穿过目标物体时，它们会随着路径中材料的密度而衰减。将X射线转换为数字形式需要几个步骤。首先，在移动的传送带下方，有线性（1像素宽×多像素长）光电二极管探测器阵列暴露在穿透目标物体的X射线之下。

由于硅光电二极管能够比X射线光子更有效地检测可见光光子，因此在硅光电二极管顶部叠加一层闪烁体材料。这种材料会响应X射线的激励而产生可见光光子。随后，闪烁体下方的光电二极管阵列会产生与可见光成比例的微小电荷。

像素信号一旦进入电气域，模拟/混合信号IC对其进行处理，并将其转换为数字数据。

X射线应用中的ADC前端优化

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。

1. 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（IIN）、电压（V）和电阻（R）之间的关系，如公式（1）所示：

V = IIN × R

图2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2：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VREF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：

τ = R × CJUNCTION

图3显示了实际电路中的这种关系。

图3：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。

2. 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3和图4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4：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 = −RG × IIN

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。

3. 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，tINT）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5：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CF是反馈电容，tINT是积分时间，IIN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。除了检查小包裹（例如机场或邮局），有一些行业可能还需要扫描大型多层运货盘，这需要能级更高、更大的X射线机。

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是一款delta-sigma ADC，它采用内部电容作为积分放大器的反馈元件，提供128个通道，可支持128个光电二极管传感器。

MDC91128的每个通道都包含一个可选增益积分器和ADC，是一种易用、小巧且性价比高的解决方案。

此外，MDC91128的128个输入通道被分为两个64通道组，两组可以分别控制输入范围。积分放大器的输出电压由ADC随后转换为可选的16位或20位数字结果。MDC91128的架构允许无死区时间的背靠背积分周期，确保了无损捕获全部曝光过程。

除了X射线扫描的应用场景之外，MDC91128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。

综上，MDC91128具备可配置性、高性能和高集成度等多项优势，可为X射线扫描系统和工业成像应用提供高性价比、高质量的图像。

与此同时，MPS还在不断丰富ADC系列产品，并广泛应用于X射线成像、数据采集系统和移动通信系统。MDC91128还提供低成本、仅16位的版本，如MDC91127；以及256通道版本，如MDC91256。