AFE2256 256 通道模拟前端技术文档总结

该AFE2256是一款 256 通道模拟前端 （AFE），旨在满足基于平板探测器 （FPD） 的数字 X 射线系统的要求。该器件包括 256 个积分器、一个用于满量程电荷电平选择的可编程增益放大器 （PGA）、一个具有双库的相关双采样器和 256：4 模拟多路复用器。

该器件还具有四个16位逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC）。来自ADC的串行数据以低压差分信号（LVDS）格式提供。
*附件：afe2256.pdf

小睡和掉电模式可大幅节省功耗，在电池供电系统中特别有用。

特性

• 256 个通道
• 片内16位ADC
• 光电二极管短抗扰度
• 高性能：
  • 噪声：750 电子 rms（1.2 pC 输入电荷范围）
  • 低相关噪声
  • 积分非线性：±2 LSB，带内部16位ADC
  • 扫描时间：< 20 μs 至 204.8 μs
• 集成：
  • 六个可选的满量程输入范围：0.6 pC（最小值）至 9.6 pC（最大值）
  • 内部定时发生器 （TG）
  • 内置相关双采样器
  • 流水线集成和读取以提高吞吐量 — 集成期间的数据读取
  • 串行LVDS输出
• 简单的电源方案：
  • AVDD1 = 1.85 V
  • AVDD2 = 3.3 V
• 低功耗
• 午睡和总掉电模式
• 定制薄膜上芯片 （COF） 封装

参数

方框图

AFE2256 是德州仪器专为数字 X 射线平板探测器设计的高集成度模拟前端（AFE），核心优势是 256 通道并行采集、16 位高分辨率、低噪声及灵活的低功耗模式，搭配 LVDS 串行输出与简化供电方案，适用于平板探测器、电荷检测、电容测量等高精度多通道采集场景。

一、核心性能与定位

• 通道与分辨率 ：集成 256 路并行采集通道，搭配 4 个 16 位 SAR ADC，支持电荷信号直接采集，输入电荷量程可在 0.6 pC~9.6 pC 间选择，满足不同灵敏度需求。
• 噪声与线性度 ：等效输入噪声低至 750 电子 RMS，积分非线性（INL）最大 ±2 LSB，内置相关双采样（CDS）模块，有效抑制低频噪声与偏移误差，提升采集精度。
• 采集与传输 ：扫描时间范围 <20 μs~204.8 μs，支持 “积分 - 读取” 流水线操作，可在积分过程中同步读取数据，提升吞吐量；采用 LVDS 串行输出接口，减少传输线数，适配高速数据传输。
• 环境与供电 ：工作温度范围覆盖 0°C70°C（TBN 封装）或 0°C85°C（TDR/TDU 封装）；供电方案简化，仅需 1.85 V（AVDD1）和 3.3 V（AVDD2）双电源轨，降低系统设计复杂度。

二、关键功能与硬件特性

1. 集成功能模块

• 多通道信号调理：每通道含积分器与相关双采样（CDS）电路，针对性抑制平板探测器像素噪声，提升弱信号采集能力；可编程增益放大器（PGA）支持不同输入电荷量程配置，适配多样化传感器。
• 时序与控制：内置时序发生器（TG），支持外部时钟（MCLK）同步与触发（SYNC）控制；通过 SPI 接口（SDATA、SDOUT、SCLK、SEN）配置设备参数，支持通道使能、量程选择等功能。
• 低功耗设计：提供 “休眠模式”（Nap Mode）与 “完全掉电模式”，可大幅降低非工作状态功耗，特别适配电池供电设备，延长续航时间。
• 封装与集成：采用定制芯片膜（COF）封装，引脚数量 320~325 个，封装尺寸紧凑（21.5 mm×48.35 mm 或 28 mm×38 mm），便于与平板探测器的薄膜晶体管（TFT）阵列直接对接。

2. 工作模式

• 并行采集模式：256 通道同步积分与采样，通过 256:4 模拟多路选择器（MUX）切换，由 4 个 ADC 并行转换，兼顾通道数与硬件复杂度。
• 流水线模式：支持 “数据读取与积分并行” 操作，即在当前通道积分过程中，同步读取上一轮采集数据，缩短整体扫描时间，提升系统吞吐量。
• 低功耗模式：休眠模式下核心电路低功耗运行，完全掉电模式切断大部分电源，按需切换以平衡性能与功耗。
• 校准模式：支持外部触发校准与内部自校准，可修正通道间增益与偏移差异，保障多通道一致性。

3. 接口与封装

• 信号接口：差分模拟输入适配平板探测器像素阵列，LVDS 串行输出（DOUT_P/DOUT_M）搭配差分时钟（DCLK_P/DCLK_M），提升抗干扰能力，简化板级布线。
• 控制接口：SPI 串行控制接口用于配置设备参数，支持量程选择、采样时序调整、低功耗模式切换等；TP_SEL 引脚用于测试模式选择，便于系统调试。
• 封装选项：提供三种 COF 封装（TDU、TDR、TBN），引脚数 320~325 个，封装尺寸适配不同平板探测器的安装需求，铅镀层为金（AU），符合 RoHS 标准。

三、典型应用场景

• 数字 X 射线平板探测器：医疗影像、工业无损检测等场景的多通道像素信号采集；
• 电荷检测设备：高精度电荷传感器信号调理与数字化；
• 电容测量系统：多通道电容传感阵列的并行检测。

四、设计关键要点

1. 供电与去耦 ：双电源轨需严格按推荐电压（AVDD1=1.85 V、AVDD2=3.3 V）供电，电源引脚就近配置低 ESR 去耦电容，减少电源噪声耦合。
2. 时序同步：外部时钟（MCLK）需保证低抖动，同步信号（SYNC）需与探测器像素阵列时序匹配，避免采集相位偏差；LVDS 输出线需阻抗匹配（100 Ω 差分），减少传输失真。
3. 布局规范：采用 COF 封装与平板探测器直接对接时，需优化引脚布线长度与间距，避免信号串扰；模拟区与数字区严格分离，接地平面完整，提升抗干扰能力。
4. 低功耗配置：根据系统工作周期，通过 SPI 灵活切换休眠 / 掉电模式，非采集时段关闭冗余通道或进入完全掉电，降低整体功耗。