电荷放大器(电荷放大器和电压放大器各有何特点)

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一、项目背景
MDY为中国科学院研制了一台X射线采集和处理设备。该设备采用AD8488和AD9244两种芯片采集X射线，经FPGA处理后，通过网络端口发送到上位机进行处理。

本文介绍AD8488和AD9244的原理，下篇文章将介绍X射线采集中遇到的问题，希望对你有所帮助。杨明德专注于FPGA项目的研发和相关元器件的销售。如果您有相关需求，请联系我们。

二。AD8488简介
ad 8488是一款128通道模拟前端，设计用于高性能数字X射线系统。其模拟通道由一个积分器和一个单端到低阻抗差分输出组成，增益可选。模拟通道将X射线或光电二极管探测器收集的电荷转换成电压信号。它由沟道CMOS晶体管组成，使用具有典型高输入阻抗的CMOS门。该装置的积分器采用一系列可选择的电容值来产生与电荷相关的电压，可以适应大范围的输入电荷值。单端输入至差分输出电压放大器位于积分器之后，从输入电压中减去失调电压和低频噪声电压。128:1通道差分多路复用器位于缓冲器之后，驱动模拟输出缓冲器。同时还提供开关驱动和一些数字定时功能。所有这些功能都集成在255引脚BGA基板上。所有128个通道的电荷转换同步，然后通过7位地址编码产生顺序电压输出读数。总共有两个序列，对所有128个通道进行采样。逻辑输入CS_A和CS_B分别选择通道地址的下限和上限64模块。

三。电荷积分放大器
图1是运算放大器积分放大器的电路图。

图1：理想积分放大器电路图图1:理想积分放大器的电路图

根据运算放大器的虚短路，反相端等于同相端电压，从虚断点看，通过R1的电流等于通过C1的电流。流经R1的电流是:

流经C1的电流是:

所以:

因此，运算放大器的输出电压等于输入电压在时间上的积分。如果输入端是电荷收集器件，则运算放大器的输出与输入端的电荷成比例。这两部分的组合就是电荷积分放大器。

四。AD8488的工作原理

AD8488的电路结构如图2所示:

图2：AD8488电路结构图图2:2:ad 8488的电路结构图

如图所示，AD8488主要由四部分组成。它们是预充电转换器、差分输出选择器、输出缓冲器和时序/控制部分。
预充电转换器是一个128通道的电荷积分放大器，每个通道由一个放大器、一个低通滤波器和一个二级放大器组成。电路图如图3所示:

图3：电荷量转换器结构图图3:电量转换器结构图

前端采集的电荷信号由第一级积分放大器转换，有四个可选级。换档参数如图4所示:

图4：电荷积分放大器转换参数图4:电荷积分放大器的转换参数

这四个档位由四个不同的反馈电容(CF1)控制。当CF1=0.45pF时，典型输出值为2.3V/pC(单位为伏特每皮库仑，即1皮库仑每积分，输出值为1V。1pC = 10-12c)；当CF1=1.1pF时，典型输出值为1.1V/pC，依此类推。CF1的值越大，增益越低。
第二级低通滤波器实际上是一个保持器件，由电阻R1和电容ch组成。第一级放大器输出的电压信号通过R1给电容CH充电，使得第二级放大器可以对CH进行积分放大。因此，它相当于一个低通滤波器。CH的参数由GNSEL[3]选择..0]，参数如图5所示:

图5：CH参数选择表图5: CH参数选择表

注意:GNSEL[3..0]寄存器只能选择CH的值，不代表增益。上图所示的增益实际上是第二级放大器反馈电容为0.5pF时对应的增益，在CH电容上是不同的。
第三级放大器和第一级一样，也是电荷积分放大器。而第一级输出的电压信号是芯片输入的电荷的积分，然后电压信号给第二级的CH电容充电，然后CH的电荷被第二级放大器积分，最后输出新的电压信号，形成二次放大的效果。第二级积分放大器的增益由CF2控制，共有10级。增益单位为V/V注:由于第一级放大器已经将电荷信号转换为电压信号，所以第二级放大器的电压为伏特每伏特。增益表如图6所示:

图6：第二级积分放大器增益表图6:第二级积分放大器的增益表

AD8488采集的信号经过两级放大后，由数据选择器选通，然后由缓冲器输出差分信号。该信号的幅度范围为1.5V至2.5V..官方推荐AD9244用于模拟信号转换。推荐电路如图7所示:

图7：AD8488与AD9244连接示意图图7:7:ad 8488与AD9244之间的连接原理图

AD8488与AD9244共用2.048V基准电压源。AD9244的差分输出范围为0~2.048V，偏置电压为2.5V V。

动词 （verb的缩写）模数转换部分
模数转换芯片是ADI公司的AD9244，是一款14位高速ADC芯片，最高采样率为65MHz。它由+5V的模拟电压供电，在+3.3V或+5V的数字电压下也能正常工作。

AD9244可专门用于处理峰峰值为1 ~ 2v的模拟小信号。其输入信号和时钟信号可以采用差分输入的形式，使系统获得最佳性能。14位数字输出信号可以用直接二进制或二进制补码的形式表示。一位溢出指示位(OTR)可以用来输出溢出信号，这个一位信号和14位信号的最高位可以按照一定的方式组合起来，确定输入信号是否溢出或溢出。
VIN+，VIN-:模拟信号输入。采用单输入模式时，输入信号在VIN+端终止，VIN-端接地；当模拟信号以差分形式输入时，VIN+和VIN-分别连接到差分信号的两端。对于高精度和高速度的应用，差分输入的形式更容易得到好的结果。输入信号一般是单通道的形式，所以往往采用1: 1的变压器或者专用的差分转换芯片来实现单通道信号到差分信号的转换。

CLK+，CLK-:时钟信号输入。与VIN+和VIN-类似，输入时钟也可以采用单输入和差分输入形式，但单输入时钟信号最终会在AD9244中变为差分形式。输入时钟信号的质量对模数转换的效果有很大的影响，所以要尽量保证时钟信号的纯度和准确性，避免时钟输入信号的干扰。

职责:时钟稳定信号。当此引脚处于高电平时，可以在内部调整外部输入时钟与空的比值，以产生精确比值为空50%的时钟信号。

Sense、VREF、REFGND:内部基准电压引脚。这三个管脚的不同连接可以产生1V ~ 2V的内部基准电压，在这三个管脚之间连接合适的电阻可以任意产生1V ~ 2V之间的任何基准电压。
REFT、refb:ADC内部基准电压的去耦引脚。这两个引脚的输出电压是AD9244内部的实际基准电压值。它们应该用一个10μF的电解电容去耦，并联一个0.1μF的小电容，效果可能会更好。每个引脚必须通过一个0.1μF电容接地。
CML，VR:VR:ad 9244中使用的模拟偏置点。通常，此端子会产生大于300μA的电流，因此必须通过一个0.1μF的电容接地以进行去耦。

OEB:输出使能引脚。AD9244具有三态输出功能。如果OEB接地，AD9244的输出驱动器将被激活，并输出转换后的数字信号；如果OEB为高，输出信号引脚输出高阻抗状态。
DB0 ~ DB13:数据输出引脚，其中DB0为最低位。

OTR:电压溢出指示器引脚。当OTR输出为1时，输入电压超过AD可以转换的电压范围。OTR和DB0的简单逻辑组合可以精确确定输入电压是否溢出或溢出。
DFS:从选择引脚输出数据。当DFS连接到数字地时，输出数据是直接二进制形式；当DFS连接到数字电源时，输出数据为二进制补码形式。

本设计中的AD9244具有以下设计要点:
1)时钟以差分方式驱动。由于时钟信号和ADC的输出信号在一根扁平电缆中，ADC输出的并行数据会对时钟产生非常严重的影响，所以时钟采用差分方式传输。差分时钟由控制板的FPGA和AD9517产生，调试时选择其中一个，验证两个时钟对采样时序和信噪比的影响。时钟ADC的连接模式如图8所示:由于控制板产生的时钟信号是LVDS，因此只需在AD9244的时钟输入端进行交流耦合。

图8：AD9244差分时钟输入（交流耦合）图8: Ad9244差分时钟输入(交流耦合)

2)信号输入方式为差模和DC耦合。AD8848的输出是差分信号，因此它以差分方式连接到AD9244。AD9244的信号输入端电路如图9所示。同时，ADC的VREF使用2.048V的外部基准电压，因此单向信号的输入范围为1Vpp，差分信号的输入范围为2Vpp。因为电源电压为5V，所以输入共模电压为2.5V

图9：AD9244信号输入电路（直流耦合）图9: ad9244信号输入电路(DC耦合)

3)3)ad 9244的模拟电源电压为5.0V，数字电源电压为3.3V，因此可以省略电平转换器，ADC输出信号可以直接连接到FPGA。基准电压与AD8488共用一个芯片，为2.048V..由于使用外部基准电压，因此有必要将SENSE引脚设为高电平。
ad 9244是一款14-2位ADC，其有效位数约为12位。因此，当差分输入的正负端相连时，ADC上的随机跳变位应为2位，而输出值应在8192附近跳变。当差分输入信号的峰峰值为2Vpp时，ADC刚好达到全幅度状态。超过此电压，OTR为1，ADC溢出。

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