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

“一眼萬年”，全面又犀利，客觀且殘酷。愛人的眼神可能會騙你，但 MDC91128 捕捉的 X 射線圖像不會!

那么，在科學意義上，這種“一眼萬年”究竟是怎么實現(xiàn)的?

X 射線掃描系統(tǒng)

工業(yè) X 射線是一種無損檢測方法，廣泛應用于醫(yī)療、食品檢驗、射線照相和安全行業(yè)，它可以提供精確的材料尺寸與類型的二維讀數(shù)，同時可識別質量缺陷并計算數(shù)量。

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

圖 2：X 射線掃描探測器

當 X 射線穿過目標物體時，它們會隨著路徑中材料的密度而衰減。將 X 射線轉換為數(shù)字形式需要幾個步驟。首先，在移動的傳送帶下方，有線性(1 像素寬 x 多像素長)光電二極管探測器陣列暴露在穿透目標物體的 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可見光光子，因此在硅光電二極管頂部疊加一層閃爍體材料。這種材料會響應 X 射線的激勵而產(chǎn)生可見光光子。隨后，閃爍體下方的光電二極管陣列會產(chǎn)生與可見光成比例的微小電荷。

像素信號一旦進入電氣域，模擬/混合信號 IC 就對其進行處理，并將之轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)。

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

X 射線應用中的 ADC 前端優(yōu)化

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(diào)整的重要所在。

1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(IIN)、電壓(V)和電阻(R)之間的關系，如公式(1)所示：

V = IIN × R

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 VREF 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(xiàn)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(shù)(τ 或 tau)將相當長，其值可通過公式(2)計算得出：

τ = R × CJUNCTION

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(shù)據(jù)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(shù)為 (4.096GΩ x 20pF) = 82ms。從數(shù)學角度看，單個時間常數(shù)只占全電壓的約 63.2% (e-1)?？偣残枰?5 個時間常數(shù) (e-5) 才能穩(wěn)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(tǒng)可靠性、增加成本并導致板布局更大。

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)來緩沖信號，同時將電流轉換為電壓(見圖 5)。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(chǎn)生的輸出電壓可通過公式(3)來計算：

V = ?RG × IIN

使用放大器可以得到經(jīng)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(shù)據(jù)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。

3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，tINT)內(nèi)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 6)。

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 CF 是反饋電容，tINT 是積分時間，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的應用。除了檢查小包裹(例如機場或郵局)，有一些行業(yè)可能還需要掃描大型多層運貨盤，這需要能級更高、更大的 X 射線機。

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(tǒng)制造商就可以將相同的數(shù)據(jù)轉換器擴展應用于不同的系統(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 個通道，可支持 128 個光電二極管傳感器。

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

此外，MDC91128 的 128 個輸入通道被分為兩個 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 隨后轉換為可選的 16 位或 20 位數(shù)字結果。MDC91128 的架構允許無死區(qū)時間的背靠背積分周期，確保了無損捕獲全部曝光過程。

除了 X 射線掃描的應用場景之外，MDC91128 還非常適合測量和轉換實驗室環(huán)境中的小電流、生化反應、生物醫(yī)學成像、其他光電二極管傳感器、劑量測定和放射治療系統(tǒng)、光纖功率監(jiān)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。

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

與此同時，MPS 還在不斷豐富 ADC 系列產(chǎn)品，并廣泛應用于 X 射線成像、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和移動通信系統(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。