用模数转换器 MDC91128 实现X 射线扫描图像的数字化

Brian Black

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简介

X 射线成像的应用范围很广，从医学诊断到安全检查和食品检验，它可以根据需要来识别材料、找出缺陷并计算数量。无论用途为何，X 射线成像都必须精确且高质量。

MDC91128是一款高度集成的低噪声、电流输入模数转换器 (ADC)，可用于扫描 2D X 射线、3D 计算机断层扫描 (CT) 以及其他高通道数的光电二极管应用。图 1 显示了采用 MDC91128 的系统完成的X 射线扫描示例。

图1: MDC91128捕捉的X射线图像

X射线扫描系统

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 2）。

图2: 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x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 就对其进行处理，并将之转换为数字数据。 MPS 的 MDC91128 可直接连接光电二极管阵列的输出并对其进行数字化。

MDC91128简介

MDC91128是一款具有 128 个并行信号通道的电流输入 ADC，它是 MPS 提供的ΔΣ ADCs系列产品之一。该器件的每个通道都包含一个放大器和一个 20 位或 16 位 delta-sigma (ΔΣ) ADC（见图 3）。

图3: MDC91128功能框图

该器件的传感器阵列连接方法，让每个光电二极管都能为 MDC91128 的输入引脚之一提供电流。由于平均电流(I)等于接收到的电荷量 (Q) 除以积分时间 (t)，因此可用以下公式 (1) 来计算

$$I=\frac{Q}{t}$$

输入范围和积分时间可根据预期的满量程电流来选择。MDC91128 支持从 4pC 到 25pC 的输入范围，以及从 166µs 到 100ms 的积分时间。10pC 输入和 100ms 积分时间支持 100pA 的平均满量程输入电流；25pC 输入和 250µs 积分时间支持 100nA 的平均满量程输入电流。灵活的配置特性使 MDC91128 能够支持各种信号电平的应用。

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和积分时间。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。

当输入范围设置为 25pC 且输入电容为 20pF 时，MDC91128 可实现满量程范围，均方根 (rms) 噪声低于 19ppm（见图 4）。这相当于 2,728 个电子，实现了具有高动态范围的 X 射线扫描。

图4: MDC91128噪声性能

转换后的数字数据被送入片上 FIFO 缓冲区，通过串行端口可访问该区域。缓冲区为 MDC91128 的 128 个通道中的每一个通道都保存 32 个结果（20 位或 16 位）。这缓解了从 MDC91128 回读数据的系统时序挑战。串行端口的运行频率高达 40MHz ，具有双输出，并支持 80Mbps 的数据传输速率。

X 射线扫描探测器通常都需要多于 128 个通道，MDC91128 的输出数据可采用菊花链拓扑级联，从而实现从多个串联的 MDC91128 数据转换器 IC 中顺序回读数据（见图 5）。