看高度集成的 ADC 如何简化现实世界信号的转换

简介
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 (VREF) 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 VREF 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 VREF 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)。

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 VREF 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。

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 (IIN)、电压 (V) 和电阻 (R) 之间的关系,如公式 (1) 所示:
V=IIN×R�=���×�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。

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:
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