用于X射線傳感器的多通道微弱電流采集系統(tǒng)

1、用于X射線傳感器的多通道微弱電流采集系統(tǒng)許超群，孫 穎+，朱大中，韓 雁（浙江大學信電系微電子與光電子研究所，浙江杭州，）摘要：在X射線傳感器中，為了滿足對集成片上閃爍層的66光電二極管陣列在脈沖型X射線激發(fā)下的光電流值的快速讀出，提出了一款36通道微弱電流的快速采集系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)主要包括低漏電流多路選擇器、高精度電流鏡、微控制器，在微控制器控制下，系統(tǒng)逐個讀出36通道的微弱電流，經(jīng)過ADC變換后采集值送到PC機顯示。實驗結果表明，該系統(tǒng)的采集精度可達1nA，滿足了X射線傳感器的多通道微弱電流的快速采集要求。關鍵詞：X射線傳感器；多通道微弱電流；高精度 Multiple-channel We

2、ak Current Acquisition System For X-ray SensorXu Chaoqun，Sun Ying，Zhu Dazhong，Han Yan（Department of Information Science and Electronic Engineering， Institute of Microelectronics and Optoelectronics， Zhejiang University, Hangzhou,）Abstract：To rapidly acquire the photocurrents of 66 photodiode arrays

3、with on-chip scintillation excited by pulsed X ray in X ray senor, a multi-channel weak current rapid acquisition system was proposed. The system consisted of low leak current multiplexer, high accuracy current mirror and microcontroller, it sensed the 36 channel weak current sequentially under the

4、control of microcontroller, the data were sent to PC for display after AD conversion. The experimental results show the system has the accuracy of 1nA, meeting the requirement of rapid acquisition of multi-channel weak current for X ray sensor.Key words: X ray sensor; multi-channel weak current; hig

5、h accuracy0 引言X 射線在醫(yī)療、工業(yè)探測、科學研究中已經(jīng)得到了廣泛應用，幫助人們觀察到很多肉眼觀察不到的人體和物體的內部結構1。鑒于X射線的穿透性，目前的X射線傳感器大部分還是間接式的X射線傳感器，即X射線先通過閃爍層將X射線轉換成可見光，再利用光電器件將可見光的信號讀出2。X射線經(jīng)過閃爍層后轉變成的可見光很微弱3，導致了光電器件產(chǎn)生的光電流微弱,約幾十納安4，并且為了減少輻射劑量,目前的X射線成像大都是脈沖方式，即X射線機只有在成像時間內發(fā)射出X射線，大部分時間X射線機不發(fā)射X射線，因此需要一種能夠快速采集多路微弱電流信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。已報道的多通道電流采集系統(tǒng)主要有以采樣保持

6、器為主的采集系統(tǒng)5、偽同步采集系統(tǒng)6、先I/V轉換再開關切換系統(tǒng)7。上述三種系統(tǒng)由于通道間存在不均衡性誤差，所用硬件電路較多、接口不易控制等非理想性8，因此并不是理想的用于X射線傳感器的多通道微弱電流采集的方案。針對所設計的集成片上閃爍層的66光電二極管陣列構成的X射線傳感器，本文提出了一種利用高精度電流鏡ADL5315，低漏電流模擬多路選擇器MAX338和微控制器ATmega8組成的36通道微弱電流快速采集系統(tǒng)。1 硬件設計1.1 高精度I/V轉換電路為了便于微控制器采集數(shù)據(jù)，對電流的測量一般都要經(jīng)過一個I/V轉換電路以便進行后續(xù)的模數(shù)轉換。目前的I/V轉換電路一般是通過一個低噪聲的運算放大

7、器外接精密電阻來完成578，如圖1.1（a）所示，多通道的電流測量需要多個這樣的前端I/V轉換電路。由于運算放大器的非理想性及精密電阻之間的非一致性，降低了最終的測量精度，使得利用該方法進行I/V轉換的多通道電流采集系統(tǒng)對各個通道器件的一致性要求非常高，利用該I/V轉換方法研制的多通道電流采集系統(tǒng)精度在百納安量級8910。 (a) (b)圖1.1 兩種不同的I/V轉換電路 （a）運放外接精密電阻構成的I/V轉換電路（b）高精度電流鏡構成的I/V轉換電路圖1.1中虛框內的元件為光電二極管在光照下的等效電路圖，包括了串聯(lián)電阻Rse，并聯(lián)的恒流源I、結電阻Ri和結電容Cj。其中Ri隨光照強度和溫度變

8、化而變化11。圖1.1（a）中Rs為取樣電阻，Rin為運放的輸入電阻，Rb為平衡電阻。運放的等效輸入電阻為Rs/A，A為運放的增益，由于Rin的值很大，因此Rs/A近似為光電二極管的輸出阻抗。由于所設計的用于X射線傳感器的66光電二極管陣列在X射線激發(fā)下的光電流為1nA 100nA之間，為了得到一定幅度的輸出電壓Rs的取值必須很大。運放形式的I/V轉換電路輸出電壓Vout如公式（1.1）。 （1.1）由公式（1.1）可知，Vout的值與Ri及Rse有關，由于光電二極管的內阻在不同的光照條件是變化的，使得利用運算放大器和精密電阻構成的I/V轉換電路在測量光電二極管光電流時引入了誤差，并且誤差隨著

9、Rs的增加而增加，在高精度電流采集系統(tǒng)中導致系統(tǒng)的精度變差。因此本文采用了高精度電流鏡的方法實現(xiàn)I/V轉換，如圖1.1（b）所示。采用電流鏡的方法時輸出電壓Vout公式（1.2）所示。 （1.2）I/V轉換的輸出值Vout與光電二極管本身的電阻Ri及Rse無關，從而提高了系統(tǒng)的測量精度。1.2 多路模擬開關的選擇多路模擬集成開關是通過一組數(shù)字信號來控制電路導通與截止的器件。選擇模擬開關時主要考察導通電阻Ron、漏電流Ioff等性能指標。理想的模擬開關應該具有零導通電阻Ron，零漏電流Ioff。實際上由于模擬多路開關采用CMOS工藝制作，不可能存在零導通電阻，漏電流也不會是零。利用光電二極管作為

10、光電器件時，開關的導通電阻等效為光電二極管的輸出阻抗，如果采用圖1.1（a）中的I/V轉換電路，模擬開關的導通電阻也會引入誤差，由于系統(tǒng)設計中采用了圖1.1（b）的I/V轉換電路，消除了光電二極管輸出阻抗對采樣結果的影響，因此模擬開關的導通電阻對系統(tǒng)采集精度的影響很小。采用電流鏡的I/V轉換電路中，模擬開關的漏電流直接影響了輸出結果，系統(tǒng)總共36通道，因此考慮了模擬開關漏電流后式（1.2）變換為： （1.3）由式（1.3）可知，模擬開關的漏電流直接出現(xiàn)在I/V轉換結果的表達式中，影響了系統(tǒng)采集精度，因此系統(tǒng)設計中選用低漏電流的模擬開關使得35IoffI是關鍵。1.3 系統(tǒng)設計基于圖1.1(b)

11、的高精度電流鏡I/V轉換電路設計原理，所設計的多通道微弱電流采集系統(tǒng)硬件原理如圖1.2所示。圖1.2 用于X射線傳感器的36通道微弱電流采集系統(tǒng)模塊硬件原理圖該系統(tǒng)由低漏電流模擬多路選擇器，高精度電流鏡，微控制器以及顯示PC幾部分構成。其工作原理為：低漏電流的模擬多路選擇器順序選通所要讀取的通道，使與該通道相連的光電二極管選通，該光電二極管的光電流流經(jīng)高精度電流鏡的輸入端，經(jīng)過電流鏡的1:1鏡像后,輸出電流流經(jīng)精密取樣電阻Rs，Rs上的壓降Vout即為IRs。由于精密取樣電阻Rs的值已知，從而得到光電流的大小。微控制器通過采樣保持電路獲取Vout值并輸入到ADC進行模數(shù)轉換，再將后轉換結果送到

12、EEPROM存儲，然后選擇下一個通道，直到36通道全部輪詢一遍。本設計中模擬多路器采用低漏電流的MAX338。MAX338為八通道多路選擇器，利用三個控制端和一個使能端使得5片MAX338級聯(lián)構成36通道的多路選擇器。對于采用基于電流鏡的微弱電流采集系統(tǒng)，模擬開關的漏電流對系統(tǒng)的精度影響很大，模擬開關的漏電流決定了系統(tǒng)所能讀取的光電流的最小值。25下MAX338的每個通道漏電流最大值為6pA，因此系統(tǒng)在讀取其中一個通道時，另外35通道總的漏電流最大值為210pA，明顯小于系統(tǒng)的分辨精度1nA，符合設計要求的快速多通道電流采集。高精度電流鏡采用ADL5315芯片。ADL5315的電流鏡像范圍為1

13、nA16mA，25下在1nA10mA的輸入范圍內線性誤差不超過0.5%，滿足系統(tǒng)對高精度電流鏡的要求。系統(tǒng)設計中將ADL5315內部產(chǎn)生的參考電壓與電流鏡的輸入端短接使得電流鏡輸入端的電壓Vin與電流鏡芯片的電源電壓Vdd的關系為： Vin=Vdd-1 （1.4）因此在3系統(tǒng)精度測試過程中可以通過改變Vdd的值來改變輸入電流值。微控制器采用8位處理器的ATmega8，芯片內部集成了10位的逐次逼近型 ADC，512字節(jié)的EEPROM，因此無需外接的ADC以及EEPROM，簡化了系統(tǒng)硬件設計。本設計中AD轉換結果只取高8位，便于單個字節(jié)顯示。微控制器發(fā)送模擬多路選擇器的選通信號，在選通信號的控制

14、下微控制器逐個讀入通道的電流值。ADC的轉換結果X（16進制）滿足如下關系式： （1.5）式（1.5）中Vref為片內ADC的參考電壓,Rs為精密取樣電阻阻值，I為輸入的光電流，256是由于系統(tǒng)取高8位的ADC轉換結果。本設計中通過軟件編程使得Vref等于片內自帶的參考電壓2.56V。精密取樣電阻Rs取10M。因此系統(tǒng)的顯示值x為： （1.6）根據(jù)式（1.6）可知采集系統(tǒng)理論上最低可測量電流值為1nA。2 軟件設計 圖2.1 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程圖圖2.1為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖。系統(tǒng)上電后通過軟件復位使得程序初始化，接下來程序發(fā)送選通信號，選擇所要測試的通道，所選通道的光電流經(jīng)過高精度電流鏡鏡像后

15、在精密取樣電阻上產(chǎn)生相應的電壓，該電壓經(jīng)過ATmega8內部的采樣保持電路后輸入到ADC進行模數(shù)轉換，轉換結果轉存到EEPROM，依次采集36通道的光電流值。36通道的數(shù)據(jù)采集了10次，通過10次采集結果求平均值提高測試精度。為了減少AD轉換過程中微機內部其他運算單元對轉換結果產(chǎn)生影響，在ADC轉換過程中啟用ADC 噪聲抑制模式，終止CPU和除了異步定時器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉換時的開關噪聲。3 系統(tǒng)精度測試系統(tǒng)的精度測試選用了半導體參數(shù)測試儀4200系統(tǒng)的測試結果作為參照。4200系統(tǒng)的電流測量精度可達1fA，測試過程中通過掃描施加在精密電阻兩端的電壓得到I-

16、V曲線，作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度測試的參考。電流精度的測量需要有一個恒定的微弱電流源作為輸入，而實際測試過程中光電二極管的光電流受周圍環(huán)境（光照強度，溫度等）的變化，因此系統(tǒng)精度的測試不用光電二極管作為恒流源輸入。精度測試過程中，任選1個通道接一個精密電阻Rm，利用式（1.4），通過調節(jié)電流鏡的電源電壓Vdd改變施加在電阻兩端的電壓，從而調節(jié)該通道的輸入電流。Rm=100M測試結果如表1所示，Rm=300M的測量結果如表2所示，Rm=10M的測量結果如表3所示，其中實測值是10次測量結果的平均值。表1 Rm=100M時系統(tǒng)實測值Vin/V計算值/10-9A實測/10-9A誤差/%1.0010.01

17、0.404.001.2912.912.900.001.4014.013.503.501.5115.114.970.261.6716.716.163.201.7117.116.940.351.9019.019.080.422.0020.019.781.102.352.502.803.143.183.403.853.884.004.3713.525.028.032.431.834.038.538.840.043.723.6924.4027.4731.5231.833.9438.5039.5040.0043.610.802.401.890.380.000.170.000.180.000.200表2

18、Rm=300M時系統(tǒng)實測值Vin/V計算值/10-9A實測/10-9A誤差/%1.806.005.783.661.906.336.083.941.976.566.441.832.207.337.725.322.658.838.691.582.949.809.582.24表3 Rm=10M時系統(tǒng)實測值Vin/V計算值/10-9A實測/10-9A誤差/%1.13113113.520.461.23123123.900.731.26126126.650.521.36136136.900.661.55155155.10.061.77177177.520.29表4 Rm=500M時系統(tǒng)實測值Vin(V)計

19、算值(nA)實測(nA)誤差(%)1.02.02.00.001.63.23.170.942.04.03.783.002.55.04.774.603.06.05.813.17表1測量結果表明，在Vin從1V變化到4.37V之間，即輸入電流在10nA44nA之間，所設計的多通道微弱電流快速采集系統(tǒng)的測量結果與計算值Vin/Rm的誤差不超過4%。表2、表4表明在輸入電流為210nA之間，由于輸入電流比較小，雖然誤差值不超過1nA，但相對誤差會比較大，最高為5.32%。表3表明在輸入電流較大時（超過100nA），相對誤差不超過1%。上述測量結果表明在5nA180nA實測值與計算值之間的誤差不超過1nA

20、。 圖3.1 多通道微弱電流采集系統(tǒng)與半導體參數(shù)測試儀4200的測試結果圖3.1為Rm=100M時多通道微弱電流采集系統(tǒng)與半導體參數(shù)測試儀4200的測量結果，二者相比較最大誤差值僅為0.7nA，表明成功的實現(xiàn)了1nA測量精度的目標。 圖3.2 所研制的光電二極管的光電響應特性圖3.2為所研制的光電二極管陣列的光電響應特性，可知在光強在065lux之間光電流的范圍為2nA140nA之間，所設計的采集系統(tǒng)能夠滿足電流采集要求。4 結語本文針對基于集成片上閃爍層的66光電二極管X射線傳感器對高精度快速多通道微弱光電流測量的要求，設計了采用低漏電流模擬多路選擇器MAX338、高精度電流鏡ADL5315

21、和微控制器ATmega8構成的多通道微弱電流快速采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下特點：（1）快速測量36通道微弱電流，滿足了脈沖X射線傳感器快速測量的要求，整個測量結果不超過1s。（2）測試精度高，在5nA180nA之間，測量誤差不超過1nA，理論上最低可測量值為1nA。（3）系統(tǒng)構成簡單，通過USB接口與PC通信，數(shù)字化測量結果實時讀取并且易于存儲。參考文獻1茍量，王緒本，曹輝.X射線成像技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢.成都理工學院學報，2002,29（2）：227-2312姚向武，楊彥云，王建松等.8 8 單元CsI( Tl) 探測陣列研制. 原子能科學技術,2010,44（3）：358-361 3 I.V

22、. Kilimchuk, V.P. Gavrilyuk, B.V. Grinyov,et al. Features of scintillation characteristics of CsI:Na and NaI:Tl crystals as the basis for soft gamma radiation detectors. Optical Materials, 30 (2008): 180018024謝紅衛(wèi)，宋顧周，王奎祿.ST401塑料閃爍層脈沖X射線相對靈敏度標定方法.核電子學和探測技術.2011,31（1）：13-165 管建明.微弱電流的前置放大和分析.電測與儀表,1994.3（1）：38-396 黃潔文，黃云光.探討激光粒度儀在煤粉粒徑檢測中的應用.廣西電力,2008,5(5):71-777孫王強,江海鷹,劉維東.多路光電流采集的前置放大.濟南大學學報，2007,4（21）：119-1208 牟向