X선 보안 시스템 처리량 향상을 위한 아키텍처

디지털 x선 기반 보안 시스템은 밀수품, 마약, 폭발물, 무기 및 기타 보안 위협을 감지할 수 있으므로 우편, 수하물 및 기타 하역 응용 분야에서 1차 방어선으로 종종 사용됩니다. x선 기술은 잘 알려져 있지만, 설계자는 특히, 휴대용 x선 시스템을 활용하여 위협 감지 시간을 단축하면서 정확성, 분해능 및 낮은 전력을 유지하기 위해 끊임없이 연구하고 있습니다.

이러한 다양한 요구 사항을 충족하려면 대시 시간을 최소화한 고성능 멀티플렉싱 데이터 취득 시스템을 사용하는 것이 좋습니다.

이 기사에서는 연속 근사화 레지스터 아날로그 디지털 컨버터(SAR-ADC)를 기반으로 이러한 시스템을 구현하는 데 필요한 사항에 대해 설명합니다. 대부분의 일반 파이프라인 ADC와 달리 SAR-ADC는 대기 시간 없이 샘플링할 수 있습니다. 또한 이 기사에서는 요구 사항과 접근 방식에 적합한 샘플 솔루션을 소개하고 SAR-ADC를 사용할 때 고려할 사항을 살펴봅니다.

x선 시스템의 기능과 이점

디지털 x선(DXR) 장치가 보안 시스템의 요구를 충족하려면 작은 고성능 저전력 데이터 취득 시스템이 필요합니다. 일반 DXR 시스템은 정확성에 영향을 주지 않으면서 높은 샘플링 속도로 많은 채널을 단일 ADC로 멀티플렉싱합니다(그림 1).

그림 1: 일반 디지털 x선 신호 체인에서는 많은 채널이 단일 ADC에 높은 샘플링 속도로 멀티플렉싱됩니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

디지털 방사선 검출기의 성능은 이미지 품질을 기준으로 평가합니다. 따라서 x선 빔을 정확하게 취득하고 정밀하게 처리해야 합니다. 디지털 방사선 검출기는 특수 이미지 처리 기술을 사용하여 향상된 작동 범위, 빠른 취득 속도 및 프레임 속도, 균일성 등을 지원하므로 향상된 이미지를 표시할 수 있습니다.

보안 이미징 시스템은 정확한 감지를 위해 향상된 이미지를 제공하고 스캔 시간 단축을 위해 처리량을 높여야 하므로 x선 기반 보안 시스템은 정확하고 민감하면서 빠른 ADC 회로가 필요합니다. 이는 x선 신호의 디지털화에서 시작됩니다.

x선 신호 디지털화

그림 2의 회로는 그림 1에 나오는 ADC 신호 체인 부분에 대한 증폭기의 전기 연결을 보여줍니다. Analog Devices의 두 ADA4897-1ARJZ-R7 증폭기는 Analog Devices AD7625BCPZ의 다른 입력 단계로 신호를 보내는 차동-차동 증폭기 구동기를 구축합니다. AD7625는 16비트 6MSPS SAR-ADC입니다.

그림 2: 감결합 커패시터를 사용하지 않고 AD7625 SAR-ADC를 구동하는 ADA4897-1 증폭기의 회로도 (이미지 출처: Analog Devices)

ADA4897-1 구동기는 AD7625 ADC의 작동 성능을 유지하는 데 도움이 되는 두 개의 저잡음 연산 증폭기를 사용합니다. 또한 ADA4897-1은 정착 시간이 45ns(0.1% 이내)로 빠르므로 멀티플렉싱된 응용 분야에 적합합니다.

고속 파이프라인 ADC와 달리 AD7652의 SAR-ADC 아키텍처 샘플은 대기 시간이 없고 6MSPS 샘플링 속도를 지원하여 여러 채널에서 빠르게 샘플링할 수 있습니다. ADC는 직렬 저전압 차동 신호(LVDS) 인터페이스와 16비트 DC 선형성 성능을 제공하여 낮은 디지털 잡음을 보장하고 적은 핀 수를 제공합니다.

이 증폭기/ADC 조합은 전체적인 저잡음 및 저왜곡 운영에 최적화되어 고성능 멀티플렉싱 데이터 취득 시스템에 적합합니다. 이 조합은 여기서 설명하는 휴대용 디지털 x선 시스템, 보안 스캐너 등과 같은 응용 분야에 사용됩니다.

X선 시스템 회로 설명

x선의 데이터 취득 회로는 ADC 입력에 대한 구동기 증폭기 2개, 구동기 증폭기를 위한 전압 공통 모드 레벨 조정 1개, 정밀한 전압 레퍼런스 1개, 전연 16비트 SAR-ADC 1개로 구성됩니다. 이 신호 경로의 모든 장치가 88.6dB의 전체 신호 대 잡음 비율(SNR)과 110.7dB의 총 고조파 왜곡(THD)에 기여합니다. 주요 단계의 관점에서 회로를 검사하는 것이 좋습니다.

ADC의 입력 구동기 증폭기: 그림 2에서 ADA4897-1 증폭기는 왜곡이 적고 1MHz에서 93dB의 SFDR, 36ns(0.1% 이내)의 빠른 정착 시간, 230MHz의 높은 대역폭을 지원합니다. 두 ADA4897-1 구동기 구성의 이득은 1V/V입니다. 증폭기에 연결된 저역 통과 RC 필터는 20Ω 저항기와 56pF 커패시터를 사용하여 142MHz의 3dB 상향 전이 주파수를 제공하는 단극 설계를 적용했습니다. 이 저역 통과 필터는 대역 외 고조파와 증폭기의 출력 잡음을 줄입니다. 원하는 경우 Analog Devices ADA4897-2ARMZ-RL 형태의 듀얼 증폭기 버전으로 두 ADA4897-1 단일 증폭기를 실용적으로 대체할 수 있습니다.

구동 증폭기의 레벨 조정: AD7625의 공칭 2.048 공통 모드 전압(VCM)은 단위 이득 버퍼 구성에서 Analog Devices의 AD8031ARTZ-R2 증폭기를 사용하여 ADA4897-1의 출력 전압을 설정합니다. AD8031은 590Ω 계열 저항기를 통해 ADA4897-1 증폭기의 비반전 입력에 2.048 공통 모드 바이어스 전압을 적용합니다. 과도 전류에서 낮은 출력 임피던스와 빠른 정착으로 인해 AD8031은 공통 모드 전압을 구동하는 데 적합합니다.

ADA4897-1은 레일 투 레일 출력 증폭기이며 단일 5V 공급에서 작동할 경우 150mV에서 4.85V 사이를 오갑니다. 범위의 양쪽 끝에서 -2V ~ 7V를 공급하는 추가 2V의 헤드룸으로 인해 왜곡 현상이 감소됩니다.

ADC의 레퍼런스 전압: 그림 2와 같이 버퍼 증폭기(예: AD8031)를 사용하여 4.096V 외부 레퍼런스(예: Analog Devices의 ADR434TRZ-EP-R7 또는 ADR444ARZ-REEL7)를 ADC의 버퍼링되지 않은 REF 입력에 연결할 수 있습니다. 이 구성은 여러 ADC가 시스템 레퍼런스를 공유하는 일반적인 다중 채널 응용 분야 접근 방식입니다.

ADR434는 각각 최대 30mA 및 20mA를 소싱 및 싱크할 수 있는 온도 변화가 낮고 정확도가 높은 저잡음 XFET 레퍼런스입니다. AD8031 증폭기는 AD7625의 레퍼런스 입력에서 ADR434 출력을 분리합니다. 또한 이 증폭기는 AD7625 REF 입력의 과도 전류에 빠른 정착 시간과 낮은 임피던스를 제공합니다. ADA4897-1 연산 증폭기를 공급하는 사용되는 7V 레일은 ADR434의 VIN 공급 핀을 공급할 수도 있습니다.

DXR에 대한 AD7625의 매력적인 특성: AD7625는 LVDS 인터페이스를 사용하여 16비트(1LSB) INL 성능의 6MSPS에서 92dB SNR 작동 성능을 실현합니다.

회로의 AC 성능은 이중 공급(그림 3)과 단일 공급(그림 4)의 두 가지 전원 공급 구성에서 높은 SNR과 낮은 THD를 입증했습니다.

그림 3: 이 범위 이미지는 SNR = 88.6dB, THD = 110.7dB, 전체 범위의 기본 진폭 = 0.6dB인 이중 공급 운영(+7V, 2V) 방식의 AD7625 및 ADA4897-1을 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 4: 이 범위 이미지는 SNR = 86.7dB, THD = 101.1dB, 전체 범위의 기본 진폭 = 1.55dB인 단일 공급 운영(5V) 방식의 AD7625 및 ADA4897-1을 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 3에서는 입력 회로에 +7V 및 2V 전원이 공급됩니다. 이 구성에서는 20kHz, 93% 전체 범위 신호, 고정밀 저잡음 16비트 데이터 연결 신호 체인 고속 프리에 변환(FFT) 성능에서 88.6dB SNR 및 110.7dB THD를 제공합니다.

그림 4에서는 입력 회로에 5V 전원이 공급됩니다. 이 전원 공급 장치에서는 SNR은 86.7dB이고 THD는 101.1dB입니다.

듀얼 ADA4897-1 구동기에는 54mW가 필요합니다. 135mW의 ADC 전원과 12mW의 레퍼런스 및 레퍼런스 버퍼 전원에 듀얼 구동기 전원을 추가할 경우 총 전원은 201mW입니다. 그림 3의 회로에서는 ADA4897-1 구동기 입력용으로 +7V 및 2V를 공급하여 소비 전력을 최소화하고 최적의 시스템 왜곡 성능을 실현합니다.

회로 평가 및 테스트

Analog Devices는 AD7625 ADC 평가 및 테스트를 위한 평가 기판을 갖추고 있습니다. 그림 2에 표시된 회로를 테스트하기 위해 두 ADA4897-1 연산 증폭기로 온보드 ADA4899-1YRDZ-R7 연산 증폭기를 대체합니다. 자세한 회로도와 사용자 지침은 기판 설명서를 참조하세요. 테스트 설정의 기능별 제품 구성도는 그림 5에서 볼 수 있습니다.

그림 5: AD7624 ADC의 테스트 회로: 두 ADA4897-1이 평가 기판의 ADA4899 연산 증폭기를 대체합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

이러한 다양한 고속 데이터 취득 요구 사항을 충족하려면 대시 시간을 최소화하는 고성능 멀티플렉싱 데이터 취득 시스템을 사용하는 것이 좋습니다. 이 기사에서는 SAR-ADC 아키텍처를 기준으로 이런 시스템의 구현 요구 사항을 설명합니다. 고속 샘플링(6MSPS) AD7625 ADC는 다양한 채널을 구현할 수 있습니다. 이 컨버터는 고정밀 ADA4897-1 구동기 증폭기와 함께 탁월한 SNR 및 THD 성능을 입증하여, 두 장치가 탁월한 x선 솔루션을 위한 결합 장치로 선호됩니다.