用于X射线传感器的多通道微弱电流采集系统

1、用于X射线传感器的多通道微弱电流采集系统许超群，孙 颖+，朱大中，韩 雁（浙江大学信电系微电子与光电子研究所，浙江杭州，）摘要：在X射线传感器中，为了满足对集成片上闪烁层的66光电二极管阵列在脉冲型X射线激发下的光电流值的快速读出，提出了一款36通道微弱电流的快速采集系统的设计。系统主要包括低漏电流多路选择器、高精度电流镜、微控制器，在微控制器控制下，系统逐个读出36通道的微弱电流，经过ADC变换后采集值送到PC机显示。实验结果表明，该系统的采集精度可达1nA，满足了X射线传感器的多通道微弱电流的快速采集要求。关键词：X射线传感器；多通道微弱电流；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 射线在医疗、工业探测、科学研究中已经得到了广泛应用，帮助人们观察到很多肉眼观察不到的人体和物体的内部结构1。鉴于X射线的穿透性，目前的X射线传感器大部分还是间接式的X射线传感器，即X射线先通过闪烁层将X射线转换成可见光，再利用光电器件将可见光的信号读出2。X射线经过闪烁层后转变成的可见光很微弱3，导致了光电器件产生的光电流微弱,约几十纳安4，并且为了减少辐射剂量,目前的X射线成像大都是脉冲方式，即X射线机只有在成像时间内发射出X射线，大部分时间X射线机不发射X射线，因此需要一种能够快速采集多路微弱电流信号的数据采集系统。已报道的多通道电流采集系统主要有以采样保持

6、器为主的采集系统5、伪同步采集系统6、先I/V转换再开关切换系统7。上述三种系统由于通道间存在不均衡性误差，所用硬件电路较多、接口不易控制等非理想性8，因此并不是理想的用于X射线传感器的多通道微弱电流采集的方案。针对所设计的集成片上闪烁层的66光电二极管阵列构成的X射线传感器，本文提出了一种利用高精度电流镜ADL5315，低漏电流模拟多路选择器MAX338和微控制器ATmega8组成的36通道微弱电流快速采集系统。1 硬件设计1.1 高精度I/V转换电路为了便于微控制器采集数据，对电流的测量一般都要经过一个I/V转换电路以便进行后续的模数转换。目前的I/V转换电路一般是通过一个低噪声的运算放大

7、器外接精密电阻来完成578，如图1.1（a）所示，多通道的电流测量需要多个这样的前端I/V转换电路。由于运算放大器的非理想性及精密电阻之间的非一致性，降低了最终的测量精度，使得利用该方法进行I/V转换的多通道电流采集系统对各个通道器件的一致性要求非常高，利用该I/V转换方法研制的多通道电流采集系统精度在百纳安量级8910。 (a) (b)图1.1 两种不同的I/V转换电路 （a）运放外接精密电阻构成的I/V转换电路（b）高精度电流镜构成的I/V转换电路图1.1中虚框内的元件为光电二极管在光照下的等效电路图，包括了串联电阻Rse，并联的恒流源I、结电阻Ri和结电容Cj。其中Ri随光照强度和温度变

8、化而变化11。图1.1（a）中Rs为取样电阻，Rin为运放的输入电阻，Rb为平衡电阻。运放的等效输入电阻为Rs/A，A为运放的增益，由于Rin的值很大，因此Rs/A近似为光电二极管的输出阻抗。由于所设计的用于X射线传感器的66光电二极管阵列在X射线激发下的光电流为1nA 100nA之间，为了得到一定幅度的输出电压Rs的取值必须很大。运放形式的I/V转换电路输出电压Vout如公式（1.1）。 （1.1）由公式（1.1）可知，Vout的值与Ri及Rse有关，由于光电二极管的内阻在不同的光照条件是变化的，使得利用运算放大器和精密电阻构成的I/V转换电路在测量光电二极管光电流时引入了误差，并且误差随着

9、Rs的增加而增加，在高精度电流采集系统中导致系统的精度变差。因此本文采用了高精度电流镜的方法实现I/V转换，如图1.1（b）所示。采用电流镜的方法时输出电压Vout公式（1.2）所示。 （1.2）I/V转换的输出值Vout与光电二极管本身的电阻Ri及Rse无关，从而提高了系统的测量精度。1.2 多路模拟开关的选择多路模拟集成开关是通过一组数字信号来控制电路导通与截止的器件。选择模拟开关时主要考察导通电阻Ron、漏电流Ioff等性能指标。理想的模拟开关应该具有零导通电阻Ron，零漏电流Ioff。实际上由于模拟多路开关采用CMOS工艺制作，不可能存在零导通电阻，漏电流也不会是零。利用光电二极管作为

10、光电器件时，开关的导通电阻等效为光电二极管的输出阻抗，如果采用图1.1（a）中的I/V转换电路，模拟开关的导通电阻也会引入误差，由于系统设计中采用了图1.1（b）的I/V转换电路，消除了光电二极管输出阻抗对采样结果的影响，因此模拟开关的导通电阻对系统采集精度的影响很小。采用电流镜的I/V转换电路中，模拟开关的漏电流直接影响了输出结果，系统总共36通道，因此考虑了模拟开关漏电流后式（1.2）变换为： （1.3）由式（1.3）可知，模拟开关的漏电流直接出现在I/V转换结果的表达式中，影响了系统采集精度，因此系统设计中选用低漏电流的模拟开关使得35IoffI是关键。1.3 系统设计基于图1.1(b)

11、的高精度电流镜I/V转换电路设计原理，所设计的多通道微弱电流采集系统硬件原理如图1.2所示。图1.2 用于X射线传感器的36通道微弱电流采集系统模块硬件原理图该系统由低漏电流模拟多路选择器，高精度电流镜，微控制器以及显示PC几部分构成。其工作原理为：低漏电流的模拟多路选择器顺序选通所要读取的通道，使与该通道相连的光电二极管选通，该光电二极管的光电流流经高精度电流镜的输入端，经过电流镜的1:1镜像后,输出电流流经精密取样电阻Rs，Rs上的压降Vout即为IRs。由于精密取样电阻Rs的值已知，从而得到光电流的大小。微控制器通过采样保持电路获取Vout值并输入到ADC进行模数转换，再将后转换结果送到

12、EEPROM存储，然后选择下一个通道，直到36通道全部轮询一遍。本设计中模拟多路器采用低漏电流的MAX338。MAX338为八通道多路选择器，利用三个控制端和一个使能端使得5片MAX338级联构成36通道的多路选择器。对于采用基于电流镜的微弱电流采集系统，模拟开关的漏电流对系统的精度影响很大，模拟开关的漏电流决定了系统所能读取的光电流的最小值。25下MAX338的每个通道漏电流最大值为6pA，因此系统在读取其中一个通道时，另外35通道总的漏电流最大值为210pA，明显小于系统的分辨精度1nA，符合设计要求的快速多通道电流采集。高精度电流镜采用ADL5315芯片。ADL5315的电流镜像范围为1

13、nA16mA，25下在1nA10mA的输入范围内线性误差不超过0.5%，满足系统对高精度电流镜的要求。系统设计中将ADL5315内部产生的参考电压与电流镜的输入端短接使得电流镜输入端的电压Vin与电流镜芯片的电源电压Vdd的关系为： Vin=Vdd-1 （1.4）因此在3系统精度测试过程中可以通过改变Vdd的值来改变输入电流值。微控制器采用8位处理器的ATmega8，芯片内部集成了10位的逐次逼近型 ADC，512字节的EEPROM，因此无需外接的ADC以及EEPROM，简化了系统硬件设计。本设计中AD转换结果只取高8位，便于单个字节显示。微控制器发送模拟多路选择器的选通信号，在选通信号的控制

14、下微控制器逐个读入通道的电流值。ADC的转换结果X（16进制）满足如下关系式： （1.5）式（1.5）中Vref为片内ADC的参考电压,Rs为精密取样电阻阻值，I为输入的光电流，256是由于系统取高8位的ADC转换结果。本设计中通过软件编程使得Vref等于片内自带的参考电压2.56V。精密取样电阻Rs取10M。因此系统的显示值x为： （1.6）根据式（1.6）可知采集系统理论上最低可测量电流值为1nA。2 软件设计 图2.1 系统的数据采集流程图图2.1为系统数据采集流程图。系统上电后通过软件复位使得程序初始化，接下来程序发送选通信号，选择所要测试的通道，所选通道的光电流经过高精度电流镜镜像后

15、在精密取样电阻上产生相应的电压，该电压经过ATmega8内部的采样保持电路后输入到ADC进行模数转换，转换结果转存到EEPROM，依次采集36通道的光电流值。36通道的数据采集了10次，通过10次采集结果求平均值提高测试精度。为了减少AD转换过程中微机内部其他运算单元对转换结果产生影响，在ADC转换过程中启用ADC 噪声抑制模式，终止CPU和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声。3 系统精度测试系统的精度测试选用了半导体参数测试仪4200系统的测试结果作为参照。4200系统的电流测量精度可达1fA，测试过程中通过扫描施加在精密电阻两端的电压得到I-

16、V曲线，作为数据采集系统精度测试的参考。电流精度的测量需要有一个恒定的微弱电流源作为输入，而实际测试过程中光电二极管的光电流受周围环境（光照强度，温度等）的变化，因此系统精度的测试不用光电二极管作为恒流源输入。精度测试过程中，任选1个通道接一个精密电阻Rm，利用式（1.4），通过调节电流镜的电源电压Vdd改变施加在电阻两端的电压，从而调节该通道的输入电流。Rm=100M测试结果如表1所示，Rm=300M的测量结果如表2所示，Rm=10M的测量结果如表3所示，其中实测值是10次测量结果的平均值。表1 Rm=100M时系统实测值Vin/V计算值/10-9A实测/10-9A误差/%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时系统实测值Vin/V计算值/10-9A实测/10-9A误差/%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时系统实测值Vin/V计算值/10-9A实测/10-9A误差/%1.13113113.520.461.23123123.900.731.26126126.650.521.36136136.900.661.55155155.10.061.77177177.520.29表4 Rm=500M时系统实测值Vin(V)计

19、算值(nA)实测(nA)误差(%)1.02.02.00.001.63.23.170.942.04.03.783.002.55.04.774.603.06.05.813.17表1测量结果表明，在Vin从1V变化到4.37V之间，即输入电流在10nA44nA之间，所设计的多通道微弱电流快速采集系统的测量结果与计算值Vin/Rm的误差不超过4%。表2、表4表明在输入电流为210nA之间，由于输入电流比较小，虽然误差值不超过1nA，但相对误差会比较大，最高为5.32%。表3表明在输入电流较大时（超过100nA），相对误差不超过1%。上述测量结果表明在5nA180nA实测值与计算值之间的误差不超过1nA

20、。 图3.1 多通道微弱电流采集系统与半导体参数测试仪4200的测试结果图3.1为Rm=100M时多通道微弱电流采集系统与半导体参数测试仪4200的测量结果，二者相比较最大误差值仅为0.7nA，表明成功的实现了1nA测量精度的目标。 图3.2 所研制的光电二极管的光电响应特性图3.2为所研制的光电二极管阵列的光电响应特性，可知在光强在065lux之间光电流的范围为2nA140nA之间，所设计的采集系统能够满足电流采集要求。4 结语本文针对基于集成片上闪烁层的66光电二极管X射线传感器对高精度快速多通道微弱光电流测量的要求，设计了采用低漏电流模拟多路选择器MAX338、高精度电流镜ADL5315

21、和微控制器ATmega8构成的多通道微弱电流快速采集系统。该系统具有如下特点：（1）快速测量36通道微弱电流，满足了脉冲X射线传感器快速测量的要求，整个测量结果不超过1s。（2）测试精度高，在5nA180nA之间，测量误差不超过1nA，理论上最低可测量值为1nA。（3）系统构成简单，通过USB接口与PC通信，数字化测量结果实时读取并且易于存储。参考文献1苟量，王绪本，曹辉.X射线成像技术的发展现状和趋势.成都理工学院学报，2002,29（2）：227-2312姚向武，杨彦云，王建松等.8 8 单元CsI( Tl) 探测阵列研制. 原子能科学技术,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谢红卫，宋顾周，王奎禄.ST401塑料闪烁层脉冲X射线相对灵敏度标定方法.核电子学和探测技术.2011,31（1）：13-165 管建明.微弱电流的前置放大和分析.电测与仪表,1994.3（1）：38-396 黄洁文，黄云光.探讨激光粒度仪在煤粉粒径检测中的应用.广西电力,2008,5(5):71-777孙王强,江海鹰,刘维东.多路光电流采集的前置放大.济南大学学报，2007,4（21）：119-1208 牟向