“大包小包過(guò)安檢!”，深情一眼，工業(yè) X 射線輕松“看透”每一個(gè)人。

“一眼萬(wàn)年”，全面又犀利，客觀且殘酷。愛(ài)人的眼神可能會(huì)騙你，但 MDC91128 捕捉的 X 射線圖像不會(huì)!

那么，在科學(xué)意義上，這種“一眼萬(wàn)年”究竟是怎么實(shí)現(xiàn)的?

X 射線掃描系統(tǒng)

工業(yè) X 射線是一種無(wú)損檢測(cè)方法，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、食品檢驗(yàn)、射線照相和安全行業(yè)，它可以提供精確的材料尺寸與類(lèi)型的二維讀數(shù)，同時(shí)可識(shí)別質(zhì)量缺陷并計(jì)算數(shù)量。

在用于行李掃描儀和其他安全與質(zhì)量檢查的典型 X 射線掃描應(yīng)用中，X 射線源直接指向傳送帶上、X 射線下方通過(guò)的物體(見(jiàn)圖 2)。

圖 2：X 射線掃描探測(cè)器

當(dāng) X 射線穿過(guò)目標(biāo)物體時(shí)，它們會(huì)隨著路徑中材料的密度而衰減。將 X 射線轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式需要幾個(gè)步驟。首先，在移動(dòng)的傳送帶下方，有線性(1 像素寬 x 多像素長(zhǎng))光電二極管探測(cè)器陣列暴露在穿透目標(biāo)物體的 X 射線之下。

由于硅光電二極管能夠比 X 射線光子更有效地檢測(cè)可見(jiàn)光光子，因此在硅光電二極管頂部疊加一層閃爍體材料。這種材料會(huì)響應(yīng) X 射線的激勵(lì)而產(chǎn)生可見(jiàn)光光子。隨后，閃爍體下方的光電二極管陣列會(huì)產(chǎn)生與可見(jiàn)光成比例的微小電荷。

像素信號(hào)一旦進(jìn)入電氣域，模擬/混合信號(hào) IC 就對(duì)其進(jìn)行處理，并將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

MPS 的 MDC91128 可直接連接光電二極管陣列的輸出并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化。

X 射線應(yīng)用中的 ADC 前端優(yōu)化

X 射線信號(hào)通過(guò)一層閃爍體材料被轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，然后再通過(guò)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。

1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(IIN)、電壓(V)和電阻(R)之間的關(guān)系，如公式(1)所示：

V = IIN × R

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 VREF 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(wèn)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(guò)公式(2)計(jì)算得出：

τ = R × CJUNCTION

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(shuō)，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(chēng)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)。總共需要 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(shuō)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。

2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(jiàn)圖 5)。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(guò)公式(3)來(lái)計(jì)算：

V = ?RG × IIN

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(shuō)，這是一個(gè)很好的選擇。

3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(shuō)，總電荷或積分電流最重要，它與固定間隔(積分周期，tINT)內(nèi)穿過(guò)目標(biāo)的輻射劑量成正比。在此類(lèi)應(yīng)用中，積分器前端比 TIA 更合適(見(jiàn)圖 6)。

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 CF 是反饋電容，tINT 是積分時(shí)間，IIN 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。除了檢查小包裹(例如機(jī)場(chǎng)或郵局)，有一些行業(yè)可能還需要掃描大型多層運(yùn)貨盤(pán)，這需要能級(jí)更高、更大的 X 射線機(jī)。

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 是一款 delta-sigma ADC，它采用內(nèi)部電容作為積分放大器的反饋元件，提供 128 個(gè)通道，可支持 128 個(gè)光電二極管傳感器。

MDC91128 的每個(gè)通道都包含一個(gè)可選增益積分器和 ADC，是一種易用、小巧且性價(jià)比高的解決方案。

此外，MDC91128 的 128 個(gè)輸入通道被分為兩個(gè) 64 通道組，兩組可以分別控制輸入范圍。積分放大器的輸出電壓由 ADC 隨后轉(zhuǎn)換為可選的 16 位或 20 位數(shù)字結(jié)果。MDC91128 的架構(gòu)允許無(wú)死區(qū)時(shí)間的背靠背積分周期，確保了無(wú)損捕獲全部曝光過(guò)程。

除了 X 射線掃描的應(yīng)用場(chǎng)景之外，MDC91128 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。

綜上，MDC91128 具備可配置性、高性能和高集成度等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，可為 X 射線掃描系統(tǒng)和工業(yè)成像應(yīng)用提供高性價(jià)比、高質(zhì)量的圖像。

與此同時(shí)，MPS 還在不斷豐富 ADC 系列產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于 X 射線成像、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)。MDC91128 還提供低成本、僅 16 位的版本，如 MDC91127;以及 256 通道版本，如 MDC91256。