XRAY項目--電(diàn)荷積分(fēn)放(fàng)大器AD8488介紹

                                                                                       XRAY項目--電(diàn)荷積分(fēn)放(fàng)大器AD8488介紹

本(běn)文(wén)为(wèi)明(míng)德揚原創文(wén)章(zhāng)，轉(zhuǎn)载請注明(míng)出(chū)处！

一(yī)、項目背景
       明(míng)德揚(MDY)为(wèi)中(zhōng)科院(yuàn)某所(suǒ)研制一(yī)款X射線(xiàn)采集和(hé)处理設備，該設備采用(yòng)了(le)AD8488和(hé)AD9244两(liǎng)款芯片(piàn)進(jìn)行X射線(xiàn)的(de)采集，采用(yòng)FPGA進(jìn)行处理，并通(tòng)过(guò)网(wǎng)口(kǒu)上(shàng)送至(zhì)上(shàng)位機(jī)处理。
       本(běn)文(wén)介紹了(le)AD8488和(hé)AD9244的(de)原理，下(xià)一(yī)篇(piān)文(wén)章(zhāng)将介紹X射線(xiàn)采集中(zhōng)遇到(dào)的(de)問(wèn)題(tí)，希望能(néng)对(duì)大家(jiā)有(yǒu)所(suǒ)幫助。明(míng)德揚專注于(yú)FPGA方(fāng)面(miàn)的(de)項目研發(fà)以(yǐ)及(jí)相關(guān)元(yuán)器件(jiàn)銷售，有(yǒu)相關(guān)需求的(de)，可(kě)聯系(xì)我(wǒ)们(men)。

二(èr)、AD8488簡介
      AD8488是(shì)一(yī)款128通(tòng)道(dào)模拟前(qián)端，为(wèi)高(gāo)性(xìng)能(néng)數字(zì)X射線(xiàn)系(xì)統而(ér)設計(jì)。它(tā)的(de)模拟通(tòng)道(dào)由(yóu)一(yī)个(gè)積分(fēn)器和(hé)增益可(kě)選的(de)單端轉(zhuǎn)低阻抗差分(fēn)輸出(chū)組成(chéng)。該模拟通(tòng)道(dào)将X射線(xiàn)或(huò)光(guāng)電(diàn)二(èr)极(jí)管(guǎn)檢波(bō)器收(shōu)集的(de)電(diàn)荷轉(zhuǎn)換成(chéng)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)。通(tòng)道(dào)由(yóu)CMOS晶體(tǐ)管(guǎn)組成(chéng)，这(zhè)些晶體(tǐ)管(guǎn)采用(yòng)典型高(gāo)輸入(rù)阻抗的(de)CMOS門(mén)。該設備的(de)積分(fēn)器采用(yòng)一(yī)系(xì)列可(kě)選電(diàn)容值，産生(shēng)與(yǔ)電(diàn)荷有(yǒu)關(guān)的(de)電(diàn)壓，可(kě)适應(yìng)廣泛的(de)輸入(rù)電(diàn)荷值。單端輸入(rù)轉(zhuǎn)差分(fēn)輸出(chū)電(diàn)壓放(fàng)大器位于(yú)積分(fēn)器之後(hòu)，在(zài)这(zhè)里(lǐ)偏移和(hé)低頻噪聲電(diàn)壓從輸入(rù)電(diàn)壓中(zhōng)減去(qù)。一(yī)条(tiáo)128:1通(tòng)道(dào)差分(fēn)MUX位于(yú)緩沖器之後(hòu)，驅動(dòng)模拟輸出(chū)緩沖。同(tóng)时(shí)還(huán)提(tí)供開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器和(hé)某些數字(zì)計(jì)时(shí)功能(néng)；这(zhè)些功能(néng)全(quán)部(bù)集成(chéng)在(zài)255引脚BGA基板上(shàng)。全(quán)部(bù)128通(tòng)道(dào)的(de)電(diàn)荷轉(zhuǎn)換是(shì)同(tóng)步進(jìn)行的(de)，之後(hòu)便采用(yòng)7位地(dì)址編碼生(shēng)成(chéng)順序電(diàn)壓輸出(chū)读(dú)數。一(yī)共(gòng)两(liǎng)次(cì)序列，对(duì)全(quán)部(bù)128通(tòng)道(dào)進(jìn)行采樣(yàng)。邏輯控制輸入(rù)CS_A和(hé)CS_B分(fēn)别選擇通(tòng)道(dào)地(dì)址的(de)下(xià)限和(hé)上(shàng)限64模块(kuài)。

三(sān)、電(diàn)荷積分(fēn)放(fàng)大器
       图(tú)1为(wèi)運放(fàng)積分(fēn)放(fàng)大器的(de)電(diàn)路(lù)图(tú)

                                                                                                              图(tú)1：理想(xiǎng)積分(fēn)放(fàng)大器電(diàn)路(lù)图(tú)
      根(gēn)據(jù)運放(fàng)虛短(duǎn)可(kě)知，反(fǎn)向(xiàng)端與(yǔ)同(tóng)相端電(diàn)壓相等，又由(yóu)虛斷可(kě)知，通(tòng)过(guò)R1的(de)電(diàn)流與(yǔ)通(tòng)过(guò)C1的(de)電(diàn)流相等。通(tòng)过(guò)R1的(de)電(diàn)流为(wèi)：

通(tòng)过(guò)C1的(de)電(diàn)流为(wèi)：

所(suǒ)以(yǐ)：

       由(yóu)此(cǐ)可(kě)得，運放(fàng)的(de)輸出(chū)電(diàn)壓等于(yú)对(duì)輸入(rù)電(diàn)壓在(zài)时(shí)間(jiān)上(shàng)的(de)積分(fēn)。若輸入(rù)端为(wèi)電(diàn)荷采集裝(zhuāng)置的(de)話(huà)，那(nà)麼(me)運放(fàng)的(de)輸出(chū)與(yǔ)輸入(rù)端的(de)電(diàn)荷量(liàng)成(chéng)正(zhèng)比。两(liǎng)部(bù)分(fēn)組合起来(lái)就(jiù)是(shì)電(diàn)荷積分(fēn)放(fàng)大器。

四(sì)、AD8488工作原理

     图(tú)2：AD8488電(diàn)路(lù)結構图(tú)

             如(rú)图(tú)所(suǒ)示，AD8488主(zhǔ)要(yào)由(yóu)四(sì)部(bù)分(fēn)構成(chéng)。分(fēn)别为(wèi)前(qián)置電(diàn)荷量(liàng)轉(zhuǎn)換器、差分(fēn)輸出(chū)選擇器、輸出(chū)緩沖器和(hé)时(shí)序/控制部(bù)分(fēn)。
             前(qián)置電(diàn)荷量(liàng)轉(zhuǎn)換器为(wèi)128通(tòng)道(dào)電(diàn)荷積分(fēn)放(fàng)大器，每一(yī)个(gè)通(tòng)道(dào)由(yóu)一(yī)个(gè)放(fàng)大器，一(yī)个(gè)低通(tòng)濾波(bō)器和(hé)一(yī)个(gè)二(èr)級放(fàng)大器構成(chéng)。電(diàn)路(lù)結構图(tú)如(rú)图(tú)3所(suǒ)示：

            前(qián)端采集到(dào)的(de)電(diàn)荷信(xìn)号(hào)通(tòng)过(guò)第(dì)一(yī)級積分(fēn)放(fàng)大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，共(gòng)有(yǒu)四(sì)檔可(kě)選。各(gè)檔位轉(zhuǎn)換參數如(rú)图(tú)4所(suǒ)示：

       注：GNSEL[3..0]寄存器只(zhī)能(néng)選擇C_H的(de)容值，并不(bù)代(dài)表(biǎo)增益。上(shàng)图(tú)中(zhōng)所(suǒ)表(biǎo)示的(de)增益实際上(shàng)是(shì)當二(èr)級放(fàng)大器的(de)反(fǎn)饋電(diàn)容为(wèi)0.5pF是(shì)，不(bù)同(tóng)的(de)C_H容值下(xià)对(duì)應(yìng)的(de)增益。
       第(dì)三(sān)級放(fàng)大器與(yǔ)第(dì)一(yī)級相同(tóng)，也(yě)是(shì)一(yī)个(gè)電(diàn)荷積分(fēn)放(fàng)大器。只(zhī)不(bù)过(guò)第(dì)一(yī)級輸出(chū)的(de)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)是(shì)对(duì)芯片(piàn)輸入(rù)的(de)電(diàn)荷量(liàng)的(de)積分(fēn)，然後(hòu)該電(diàn)壓信(xìn)号(hào)对(duì)第(dì)二(èr)級的(de)C_H電(diàn)容進(jìn)行充電(diàn)，之後(hòu)通(tòng)过(guò)第(dì)二(èr)級放(fàng)大器对(duì)C_H的(de)電(diàn)荷量(liàng)積分(fēn)，最(zuì)終(zhōng)輸出(chū)新的(de)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)，形成(chéng)二(èr)次(cì)放(fàng)大的(de)效果(guǒ)。第(dì)二(èr)級積分(fēn)放(fàng)大器增益由(yóu)CF2控制，共(gòng)有(yǒu)10檔，增益單位为(wèi)V/V。注：因(yīn)为(wèi)第(dì)一(yī)級放(fàng)大器已經(jīng)将電(diàn)荷信(xìn)号(hào)轉(zhuǎn)換为(wèi)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)，因(yīn)此(cǐ)第(dì)二(èr)級放(fàng)大器的(de)電(diàn)壓为(wèi)伏特(tè)每伏特(tè)。增益表(biǎo)如(rú)图(tú)6所(suǒ)示：

                                                                                                         图(tú)7：AD8488與(yǔ)AD9244連(lián)接示意(yì)图(tú)
     AD8488與(yǔ)AD9244共(gòng)用(yòng)一(yī)个(gè)2.048V的(de)電(diàn)壓參考。AD9244的(de)差分(fēn)輸出(chū)範圍为(wèi)0~2.048V，偏置電(diàn)壓为(wèi)2.5V。

五(wǔ)、模數轉(zhuǎn)換部(bù)分(fēn)
       模數轉(zhuǎn)換芯片(piàn)選用(yòng)ADI公司的(de)AD9244，是(shì)一(yī)个(gè)14BIT，最(zuì)高(gāo)采樣(yàng)率为(wèi)65MHz的(de)高(gāo)速ADC芯片(piàn)。它(tā)由(yóu)+5V模拟電(diàn)壓供電(diàn)，也(yě)可(kě)以(yǐ)在(zài)+3.3V或(huò)+5V的(de)數字(zì)電(diàn)壓下(xià)正(zhèng)常工作。

       AD9244可(kě)專門(mén)用(yòng)来(lái)处理峰(fēng)峰(fēng)值为(wèi)1～2V的(de)模拟小信(xìn)号(hào)。它(tā)的(de)輸入(rù)信(xìn)号(hào)和(hé)时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)都可(kě)以(yǐ)采用(yòng)差分(fēn)輸入(rù)形式，以(yǐ)使系(xì)統獲得最(zuì)好(hǎo)的(de)性(xìng)能(néng)。14位數字(zì)輸出(chū)信(xìn)号(hào)可(kě)以(yǐ)表(biǎo)示为(wèi)直(zhí)接二(èr)進(jìn)制的(de)形式，也(yě)可(kě)以(yǐ)是(shì)二(èr)進(jìn)制補碼的(de)形式。一(yī)位溢出(chū)表(biǎo)示位(OTR)可(kě)以(yǐ)用(yòng)来(lái)輸出(chū)溢出(chū)信(xìn)号(hào)，将这(zhè)一(yī)位信(xìn)号(hào)和(hé)14位信(xìn)号(hào)中(zhōng)的(de)最(zuì)高(gāo)位用(yòng)一(yī)定(dìng)方(fāng)式組合起来(lái)判定(dìng)輸入(rù)信(xìn)号(hào)是(shì)上(shàng)溢出(chū)還(huán)是(shì)下(xià)溢出(chū)。
       VIN+，VIN-：模拟信(xìn)号(hào)輸入(rù)端。采用(yòng)單輸入(rù)形式时(shí)，在(zài)VIN+端接輸入(rù)信(xìn)号(hào)，VIN-端接地(dì);采用(yòng)差分(fēn)形式輸入(rù)模拟信(xìn)号(hào)时(shí)，VIN+，VIN-分(fēn)别接差分(fēn)信(xìn)号(hào)的(de)两(liǎng)端。差分(fēn)輸入(rù)的(de)形式对(duì)于(yú)高(gāo)精度(dù)高(gāo)速度(dù)的(de)應(yìng)用(yòng)更(gèng)容易獲得好(hǎo)的(de)效果(guǒ)。一(yī)般情(qíng)況下(xià)，輸入(rù)信(xìn)号(hào)都是(shì)單路(lù)形式，因(yīn)此(cǐ)經(jīng)常采用(yòng)1：1變(biàn)壓器或(huò)者(zhě)專用(yòng)差分(fēn)轉(zhuǎn)換芯片(piàn)来(lái)实現(xiàn)單路(lù)信(xìn)号(hào)到(dào)差分(fēn)信(xìn)号(hào)的(de)轉(zhuǎn)換。

       CLK+，CLK-：时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)輸入(rù)端。和(hé)VIN+、VIN-相似，輸入(rù)时(shí)鐘(zhōng)也(yě)可(kě)以(yǐ)采用(yòng)單輸入(rù)和(hé)差分(fēn)两(liǎng)種(zhǒng)輸入(rù)形式，不(bù)过(guò)在(zài)AD9244的(de)內(nèi)部(bù)最(zuì)終(zhōng)都会(huì)把單輸入(rù)的(de)时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)變(biàn)为(wèi)差分(fēn)形式。輸入(rù)时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)的(de)質(zhì)量(liàng)对(duì)模數轉(zhuǎn)換的(de)效果(guǒ)有(yǒu)很大的(de)影響，因(yīn)此(cǐ)應(yìng)盡量(liàng)保證时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)的(de)純淨和(hé)準确，并盡量(liàng)避免对(duì)时(shí)鐘(zhōng)輸入(rù)信(xìn)号(hào)的(de)干(gàn)擾。

       DUTY：时(shí)鐘(zhōng)稳定(dìng)信(xìn)号(hào)。該端接高(gāo)電(diàn)平时(shí)，可(kě)以(yǐ)在(zài)內(nèi)部(bù)对(duì)外(wài)部(bù)輸入(rù)时(shí)鐘(zhōng)的(de)占空比進(jìn)行調整，以(yǐ)産生(shēng)占空比準确为(wèi)50%的(de)时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)。

       REFSENSE，VREF，REFGND：內(nèi)部(bù)參考電(diàn)壓脚。这(zhè)三(sān)个(gè)管(guǎn)脚的(de)不(bù)同(tóng)連(lián)接可(kě)以(yǐ)産生(shēng)1V～2V的(de)內(nèi)部(bù)參考電(diàn)壓，在(zài)这(zhè)三(sān)个(gè)管(guǎn)脚之間(jiān)連(lián)接适當的(de)電(diàn)阻還(huán)可(kě)以(yǐ)随意(yì)産生(shēng)1V與(yǔ)2V之間(jiān)的(de)任意(yì)電(diàn)壓參考。
       REFT、REFB：ADC內(nèi)部(bù)參考電(diàn)壓去(qù)耦管(guǎn)脚。这(zhè)两(liǎng)个(gè)管(guǎn)脚的(de)輸出(chū)電(diàn)壓是(shì)AD9244內(nèi)部(bù)实際的(de)參考電(diàn)壓值。它(tā)们(men)之間(jiān)應(yìng)該用(yòng)10μF的(de)電(diàn)解(jiě)電(diàn)容去(qù)耦，同(tóng)时(shí)應(yìng)并聯一(yī)个(gè)0.1μF的(de)小電(diàn)容，这(zhè)樣(yàng)效果(guǒ)可(kě)能(néng)会(huì)更(gèng)好(hǎo)。每个(gè)管(guǎn)脚都必須用(yòng)0.1μF的(de)電(diàn)容接地(dì)。
       CML，VR：AD9244內(nèi)部(bù)使用(yòng)的(de)模拟偏壓點(diǎn)，通(tòng)常該端会(huì)産生(shēng)大于(yú)300μA的(de)電(diàn)流，因(yīn)此(cǐ)必須用(yòng)0.1μF的(de)電(diàn)容接地(dì)以(yǐ)進(jìn)行去(qù)耦。

       OEB：輸出(chū)允许管(guǎn)脚。AD9244有(yǒu)三(sān)态輸出(chū)功能(néng)。如(rú)果(guǒ)OEB接地(dì)，那(nà)麼(me)AD9244的(de)輸出(chū)驅動(dòng)器就(jiù)会(huì)激活，并輸出(chū)轉(zhuǎn)換後(hòu)的(de)數字(zì)信(xìn)号(hào);而(ér)如(rú)果(guǒ)OEB接高(gāo)，輸出(chū)信(xìn)号(hào)管(guǎn)脚則輸出(chū)高(gāo)阻态。
       DB0～DB13：數據(jù)輸出(chū)脚，其中(zhōng)DB0为(wèi)最(zuì)低位。

       OTR：電(diàn)壓溢出(chū)指示管(guǎn)脚。當OTR輸出(chū)为(wèi)1时(shí)，表(biǎo)示輸入(rù)電(diàn)壓超过(guò)AD所(suǒ)能(néng)轉(zhuǎn)換的(de)電(diàn)壓範圍。OTR和(hé)DB0進(jìn)行簡單的(de)邏輯組合可(kě)以(yǐ)準确地(dì)判斷輸入(rù)電(diàn)壓是(shì)上(shàng)溢出(chū)還(huán)是(shì)下(xià)溢出(chū)。
       DFS：輸出(chū)數據(jù)形式選擇管(guǎn)脚。當DFS接數字(zì)地(dì)时(shí)，輸出(chū)數據(jù)为(wèi)直(zhí)接二(èr)進(jìn)制形式;當DFS接數字(zì)電(diàn)源时(shí)，輸出(chū)數據(jù)为(wèi)二(èr)進(jìn)制補碼形式。

       本(běn)設計(jì)中(zhōng)的(de)AD9244有(yǒu)以(yǐ)下(xià)幾(jǐ)點(diǎn)設計(jì)要(yào)點(diǎn)：
       1）时(shí)鐘(zhōng)采用(yòng)差分(fēn)的(de)方(fāng)式驅動(dòng)。由(yóu)于(yú)时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)和(hé)ADC的(de)輸出(chū)信(xìn)号(hào)在(zài)一(yī)根(gēn)排線(xiàn)內(nèi)，ADC輸出(chū)的(de)并行數據(jù)会(huì)对(duì)时(shí)鐘(zhōng)産生(shēng)十(shí)分(fēn)嚴重(zhòng)的(de)影響，因(yīn)此(cǐ)用(yòng)差分(fēn)的(de)方(fāng)式傳輸时(shí)鐘(zhōng)。差分(fēn)时(shí)鐘(zhōng)在(zài)控制板上(shàng)分(fēn)别由(yóu)FPGA和(hé)AD9517産生(shēng)，在(zài)調試时(shí)做二(èr)選一(yī)，用(yòng)于(yú)验(yàn)證两(liǎng)種(zhǒng)时(shí)鐘(zhōng)对(duì)采樣(yàng)时(shí)序以(yǐ)及(jí)信(xìn)噪比的(de)影響。时(shí)鐘(zhōng)與(yǔ)ADC的(de)連(lián)接方(fāng)式如(rú)图(tú)8所(suǒ)示：由(yóu)于(yú)控制板産生(shēng)的(de)时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)为(wèi)LVDS，因(yīn)此(cǐ)在(zài)AD9244时(shí)鐘(zhōng)輸入(rù)端做交流耦合即可(kě)。

                                                                                                        图(tú)8：AD9244差分(fēn)时(shí)鐘(zhōng)輸入(rù)（交流耦合）

       2）信(xìn)号(hào)輸入(rù)方(fāng)式采用(yòng)差分(fēn)模式、直(zhí)流耦合。AD8848的(de)輸出(chū)为(wèi)差分(fēn)信(xìn)号(hào)，因(yīn)此(cǐ)采用(yòng)差分(fēn)的(de)形式與(yǔ)AD9244相連(lián)，AD9244信(xìn)号(hào)輸入(rù)端電(diàn)路(lù)如(rú)图(tú)9所(suǒ)示：同(tóng)时(shí)，ADC的(de)VREF采用(yòng)外(wài)部(bù)參考電(diàn)壓2.048V，因(yīn)此(cǐ)單邊(biān)信(xìn)号(hào)輸入(rù)的(de)範圍为(wèi)1Vpp，差分(fēn)信(xìn)号(hào)的(de)輸入(rù)範圍为(wèi)2Vpp。又因(yīn)为(wèi)供電(diàn)電(diàn)壓为(wèi)5V，因(yīn)此(cǐ)輸入(rù)共(gòng)模電(diàn)壓为(wèi)2.5V。

                                                                                                       图(tú)9：AD9244信(xìn)号(hào)輸入(rù)電(diàn)路(lù)（直(zhí)流耦合）
      3）AD9244模拟供電(diàn)電(diàn)壓为(wèi)5.0V，數字(zì)供電(diàn)電(diàn)壓为(wèi)3.3V，这(zhè)樣(yàng)就(jiù)可(kě)以(yǐ)省(shěng)掉電(diàn)平轉(zhuǎn)換器，将ADC輸出(chū)信(xìn)号(hào)直(zhí)接與(yǔ)FPGA相連(lián)。參考電(diàn)壓與(yǔ)AD8488共(gòng)用(yòng)一(yī)个(gè)芯片(piàn)，为(wèi)2.048V。由(yóu)于(yú)使用(yòng)了(le)外(wài)部(bù)參考電(diàn)壓，所(suǒ)以(yǐ)需要(yào)将SENSE脚接高(gāo)。
          AD9244为(wèi)14位ADC，有(yǒu)效位數約为(wèi)12BIT，因(yīn)此(cǐ)在(zài)测試时(shí)，當差分(fēn)輸入(rù)正(zhèng)負两(liǎng)端相連(lián)，ADC上(shàng)随機(jī)跳動(dòng)的(de)比特(tè)位應(yìng)該是(shì)2bit，而(ér)輸出(chū)的(de)數值應(yìng)該在(zài)8192附近(jìn)跳動(dòng)。當差分(fēn)輸入(rù)信(xìn)号(hào)峰(fēng)峰(fēng)值为(wèi)2Vpp是(shì)，ADC刚好(hǎo)打(dǎ)到(dào)滿幅狀态，超过(guò)这(zhè)个(gè)電(diàn)壓，OTR为(wèi)1，ADC溢出(chū)。

温(wēn)馨提(tí)示：明(míng)德揚除了(le)培訓学習還(huán)有(yǒu)項目承接業务，擅长的(de)項目主(zhǔ)要(yào)包(bāo)括的(de)方(fāng)向(xiàng)有(yǒu)以(yǐ)下(xià)幾(jǐ)个(gè)方(fāng)面(miàn)：

1. MIPI視頻拼接

2. SLVS-EC轉(zhuǎn)MIPI接口(kǒu)(IMX472 IMX492)

3. PCIE采集系(xì)統

4. 图(tú)像項目

5. 高(gāo)速多(duō)通(tòng)道(dào)ADDA系(xì)統

6. 基于(yú)FPGA板卡(kǎ)研發(fà)

7. 多(duō)通(tòng)道(dào)高(gāo)靈敏電(diàn)荷放(fàng)大器

8.射頻前(qián)端

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