用來改善 X 光安全系統傳輸量的架構

數位 X 光式安全系統能夠用來偵測違禁品、麻醉藥、爆炸物、武器以及其他安全威脅，因此通常是郵件、行李以及其他貨物處理應用的第一道防線。雖然世人已相當瞭解 X 光技術，但設計人員一直面臨著縮短威脅偵測時間的難題，同時還要維持準確度、解析度及低功耗，特別是在 X 光系統邁向可攜式。

為滿足這些多樣的需求，理想的做法是使用具備最低延遲時間的高效能多工數據採集系統。

本文將探討要實作一個採用連續漸近暫存器類比數位轉換器 (SAR-ADC) 的系統需要怎麼做。與較常見的管線式 ADC 不同，SAR-ADC 能夠進行無延遲取樣。本文將引用範例解決方案來滿足此類作法的需求，並說明使用 SAR-ADC 時需要考慮的事項。

X 光系統的功能與優勢

數位 X 光 (DXR) 裝置需要小尺寸、高效能、低功率的數據採集系統，以滿足安全系統的要求。典型的 DXR 系統會以高取樣速率對許多通道進行多工處理並將其傳入單個 ADC 中，而不會犧牲準確度 (圖 1)。

圖 1：在典型的數位 X 光訊號鏈中，會以高取樣速率對許多通道進行多工處理並將其傳入單一 ADC 中。(圖片來源：Bonnie Baker)

數位 X 光照相偵測器的效能是根據影像品質進行評估。因此，X 光束的採集務必要精準，而且處理方式務必精確。數位 X 光照相的動態範圍增加、採集速度與訊框率變快，同時採用特殊的影像處理技術取得一致性，因此可以提升影像顯示品質。

安全成像系統必須提供品質更高的影像，以獲得精準的偵測並縮短掃描時間，提升檢測速率。所以 X 光式的安全系統需要使用精確、靈敏且快速的 ADC 電路，而整個過程要從 X 光訊號數位化開始做起。

X 光訊號數位化

圖 2 的電路顯示圖 1 中放大器連接到 ADC 訊號鏈部份的電氣連線。兩個 Analog Devices 的 ADA4897-1ARJZ-R7 放大器會建立一個差動轉差動放大器驅動器，將訊號傳送至 Analog Devices 的 AD7625BCPZ 差動輸入級。AD7625 是一款 16 位元、6 MSPS 的 SAR-ADC。

圖 2：驅動 AD7625 SAR-ADC 的 ADA4897-1 放大器線路圖，不含解耦電容。(圖片來源：Analog Devices)

ADA4897-1 驅動器使用兩個低雜訊運算放大器，有助於維持 AD7625 ADC 的動態效能。 而且 ADA4897-1 到達 0.1% 範圍內的趨穩時間相當快 (45 ns)，相當適合多工應用。

與高速管線式 ADC 不同，AD7652 的 SAR-ADC 架構樣本無延遲時間，且 6 MSPS 的取樣速率可讓多個通道進行快速取樣。ADC 具有序列低電壓差動訊號 (LVDS) 介面，以及 16 位元 DC 線性效能，可確保低數位雜訊，減少引腳數。

此種放大器／ADC 的組合，因為已對整體的低雜訊及低失真運作進行最佳化，所以相當適合用於高效能多工數據採集系統。這類組合應用包含本文討論的可攜式數位 X 光系統，以及安全掃描器。

X 光系統電路說明

X 光的數據採集電路包含兩個 ADC 輸入的驅動器放大器、一個驅動器放大器的電壓共模位準移位、一個精準參考電壓，以及一個 16 位元的前緣 SAR-ADC。此訊號路徑中所有裝置的整體訊噪比 (SNR) 為 88.6 dB，總諧波失真 (THD) 為 -110.7 dB。從關鍵階段的觀點來檢查電路相當有幫助：

ADC 的輸入驅動器放大器：在圖 2 中，ADA4897-1 放大器的失真程度低，無突波動態範圍 (SFDR) 在 1 MHz 下為 -93 dB，到達 0.1% 的趨穩時間相當短，僅 36 ns，而頻寬則高達 230 MHz。兩個 ADA4897-1 驅動器的配置均有 1 V/V 的增益。放大器後接的低通 RC 濾波器採用單極設計，使用 20 Ω 的電阻及 56 pF 的電容，使該濾波器的 3 dB 滾邊頻率達 142 MHz。此低通濾波器會衰減放大器的輸出雜訊與頻外諧波。若有需要，可將兩個 ADA4897-1 單一放大器更換成 Analog Devices 的 ADA4897-2ARMZ-RL 以作為雙放大器，這是可行的替代做法。

驅動放大器的位準移位：透過在單位增益緩衝配置中使用 Analog Devices 的 AD8031ARTZ-R2 放大器，AD7625 的標稱 2.048 共模電壓 (VCM) 確立 ADA4897-1 的輸出電壓。AD8031 會透過 590 Ω 串聯電阻，將 2.048 共模偏壓施加於 ADA4897-1 放大器的非反相輸入。由於輸出阻抗相當低，而且從暫態至電流趨穩的時間相當快，因此 AD8031 相當適合用來驅動共模電壓。

ADA4897-1 是軌對軌輸出放大器，若以單一的 5 V 供應電源運作，會在 150 mV 至 4.85 V 之間擺盪。若在 -2 V 至 7 V 範圍的兩端分別增加 2 V 的餘裕，可產生較低的失真。

ADC 的參考電壓：使用 AD8031 等緩衝放大器，可將 4.096 V 外部參考 (例如 Analog Devices 的 ADR434TRZ-EP-R7 或 ADR444ARZ-REEL7) 連接到 ADC 的無緩衝 REF 輸入，如圖 2 所示。在多個 ADC 共用系統參考的情況下，此種配置是常見的多通道應用做法。

ADR434 是低雜訊、高準確度的 XFET 參考，溫度漂移低，可分別拉出和灌入高達 30 mA 和 20 mA 的電流。AD8031 放大器會將 ADR434 輸出與 AD7625 的參考輸入隔離。另外，這款放大器可使 AD7625 的 REF 輸入暫態電流快速趨穩並降低阻抗。用來對 ADA4897-1 運算放大器供電的 7 V 軌，也能對 ADR434 的 VIN 供電引腳供電。

AD7625 適合 DXR 的卓越特性：AD7625 能夠使用 LVDS 介面，在 6 MSPS 下達到 92 dB SNR 的動態效能，且具有 16 位元 (1 LSB) 的積分非線性 (INL) 效能。

電路的 AC 效能表現出高 SNR 和低 THD，具有兩種不同的電源供應器配置：雙電源 (圖 3) 和單電源 (圖 4)。

圖 3：此示波器圖片顯示以雙電源運作 (+7 V、−2 V) 的 AD7625 和 ADA4897-1；SNR = 88.6 dB、THD = -110.7 dB，基本振幅在滿刻度下為 -0.6 dB。(圖片來源：Analog Devices)

圖 4：此示波器圖片顯示單電源運作 (5 V) 的 AD7625 和 ADA4897-1；SNR = 86.7 dB、THD = -101.1 dB，基本振幅在滿刻度下為 -1.55 dB。(圖片來源：Analog Devices)

在圖 3 中，輸入電路的電源供應器為 +7 V 及 -2 V。在此種配置中，在 20 kHz 及 93% 滿刻度訊號下，所產生的高精準度、低雜訊的 16 位元數據採集訊號鏈快速傅立葉轉換 (FFT) 效能具有 88.6 dB 的 SNR 以及 -110.7 dB 的 THD。

在圖 4 中，電路的電源供應器為 5 V。使用此種電源供應器時，SNR 等於 86.7 dB，THD 為 -101.1 dB。

雙 ADA4897-1 驅動器需要有 54 mW。將雙驅動器功率加至 ADC 的 135 mW 功率時，以及加至參考和參考緩衝功率 12 mW 時，總功率等於 201 mW。圖 3 中的電路使用 +7 V 及 -2 V 的電源作為 ADA4897-1 驅動器的輸入，可將功率耗散降到最低，並達到最佳的系統失真效能。

電路評估及測試

為了對 AD7625 ADC 進行評估及測試，Analog Devices 提供了評估板。為了對圖 2 中所示的電路進行測試，會使用兩個 ADA4897-1 運算放大器取代評估板上的 ADA4899-1YRDZ-R7 運算放大器。評估板的文件包含詳細的線路圖與使用說明。測試設定的功能方塊圖如圖 5 所示。

圖 5：AD7624 ADC 的測試電路：兩個 ADA4897-1 取代評估板的 ADA4899 運算放大器。(圖片來源：Analog Devices)

結論

若要滿足這些各不相同的高速資料採集要求，理想的做法是使用可將延遲時間降到最低的高效能多工數據採集系統。本文討論了這類以 SAR-ADC 架構為基礎的系統實作需求。快速取樣 (6 MSPS) 的 AD7625 ADC 可實作多個通道。該轉換器與高精準度的 ADA4897-1 驅動器放大器相結合，具有出色的 SNR 和 THD 效能，使這套裝置成為優異的 X 光解決方案的首選組合。