采用ADI 20位DAC設計醫療成像系統

醫療保健是當今的熱門(mén)話(huà)題。高性能數模轉換器(DAC) AD5791能夠不折不扣地提高應用性能。

各國政府都投入大量資金用于醫療保健研究和體系建設，以保障人民大眾的福祉，確保身心健康。要求做到積極預防疾病，而不是被動(dòng)應對，以及正確診斷一些病況。

在這種形勢下，醫學(xué)成像系統正在發(fā)揮著(zhù)重要作用。借助圖像，醫生可以更細致地觀(guān)察病人，無(wú)需通過(guò)手術(shù)就能了解疾病狀況。此外，在開(kāi)始手術(shù)之前，圖像還能幫助外科醫生研究病例。

如今有多種多樣的成像手段可供使用，如計算機斷層掃描、X射線(xiàn)、超聲和磁共振等。各種系統都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，既可以用來(lái)生成人體某一部位或器官的靜止圖像，也可以用來(lái)生成動(dòng)態(tài)影像以便醫生核實(shí)或研究器官的活動(dòng)情況。某些手術(shù)中也會(huì )用到動(dòng)態(tài)影像。

不同系統的成像能力也存在差別。X射線(xiàn)技術(shù)非常適合用于診斷骨骼疾病。超聲利用聲波來(lái)監視胎兒，可對器官以及心房、心室、血管中的血流情況成像。MRI則適合對軟組織進(jìn)行成像。對于上述各種醫學(xué)成像系統，ADI公司都有相應的專(zhuān)業(yè)技術(shù)解決方案。本文重點(diǎn)介紹一款針對磁共振成像(MRI)等高性能應用而開(kāi)發(fā)的新型高分辨率DAC。

磁共振成像

MRI主要用于產(chǎn)生人體內部的高質(zhì)量圖像，可以用來(lái)檢測疾病，以及區分腫瘤與正常組織。人體的70%是脂肪和水，這兩種物質(zhì)均包含氫原子。MRI利用氫原子的磁性成像。

進(jìn)行MRI需要一個(gè)強大的均質(zhì)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強度的單位為特斯拉(T)。1特斯拉等于10,000高斯，地球的磁場(chǎng)強度約為0.5高斯。目前的 MRI系統使用1.5 T到3 T的磁場(chǎng)強度，有時(shí)甚至達到7 T。如此強的磁場(chǎng)由超導線(xiàn)圈磁鐵產(chǎn)生，病人處于磁場(chǎng)中。圖1顯示了病人與MRI掃描儀線(xiàn)圈的位置關(guān)系。

圖1. 病人與MRI線(xiàn)圈的位置關(guān)系

對于1.5T系統，所施加的頻率約為64 MHz，3T系統則為128 MHz。這將導致人體內部的質(zhì)子自旋，與磁場(chǎng)方向平行或反平行，從而處于低能態(tài)或高能態(tài)。磁場(chǎng)強度越高，則這兩種自旋狀態(tài)的能量差越大。移除所施加的磁場(chǎng)之后，質(zhì)子轉發(fā)磁能，所轉發(fā)的磁能由接收線(xiàn)圈或天線(xiàn)進(jìn)行測量。這些天線(xiàn)采用靈敏的前置放大器、增益模塊和高分辨率ADC進(jìn)行設計，符合120 dB至140 dB的整體動(dòng)態(tài)范圍要求。由于我們感興趣的只是對人體的細小斷層進(jìn)行成像，因此需要對該均質(zhì)磁場(chǎng)增加一個(gè)梯度。

圖2. 高分辨率梯度控制環(huán)路

使用大線(xiàn)圈來(lái)傳輸這一梯度信號（磁化矢量），以便從我們感興趣的單個(gè)斷層提供響應。圖2顯示了一個(gè)MRI系統中實(shí)現的梯度控制環(huán)路。發(fā)送到梯度線(xiàn)圈的信號由一個(gè)輸出功率達數兆瓦的放大器產(chǎn)生。頻率范圍相當低，因此其關(guān)鍵要求是穩定、高線(xiàn)性度和低漂移。這正是20位DAC AD5791具備的特性。

為什么用20位DAC？

如上所述，驅動(dòng)MRI系統梯度線(xiàn)圈所需的功率以兆瓦計。如果僅以16位精度驅動(dòng)一個(gè)2 MW放大器，則1 LSB將相當于最低30 W的步長(cháng)！這就是需要使用更高分辨率DAC的原因。如果設計得當，20位DAC可以使系統性能達到2 W/LSB的精度水平。

梯度信號的頻率僅有數百Hz，因此高穩定度、低短期漂移和低噪聲對于滿(mǎn)足整體要求是必需的。要設計一個(gè)超低噪聲的低頻系統，必需仔細檢查所用的器件。濾波器會(huì )增加噪聲和相移，因此所選的信號鏈器件必需能夠在接近DC的低頻頻段實(shí)現良好的直流性能和低噪聲。AD5791兼具高分辨率、高穩定度和低噪聲特性，堪稱(chēng)這種應用的不二之選。

近觀(guān)AD5791

AD5791是一款單通道、20位、電壓輸出型DAC。為實(shí)現高動(dòng)態(tài)范圍，該器件必須采用高電源電壓工作，因為電源電壓越高，則越容易遠離噪底。這對AD5791來(lái)說(shuō)不是一個(gè)問(wèn)題，其電源電壓VDD的范圍是7.5 V至16.5 V，VCC的范圍是–7.5 V至–16.5 V。

該DAC的架構由一個(gè)校準的電壓模式R2R梯形網(wǎng)絡(luò )組成。用于構建轉換器內核的薄膜電阻能夠提供出色的匹配能力和穩定度。為實(shí)現高線(xiàn)性度，R2R電阻梯分為兩段。一個(gè)14位R2R梯形網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生低14位（S0至S13）。20位數字碼的其余高6位用來(lái)驅動(dòng)一個(gè)獨立的6位DAC，它控制低 14位的基準電壓。這兩部分共同構成一個(gè)性能出色的乘法DAC主體。圖3顯示了該器件中實(shí)現的R2R梯形結構。

圖3. AD5791中使用的R2R電阻梯主體

基準輸入電壓可在±10 V范圍內選擇。由于基準電壓范圍如此之寬，因此LSB電平最高可以達到20 μV。這有助于轉換器保持20位(1ppm)的積分和微分非線(xiàn)性（INL和DNL），如圖4a/b所示。

圖4a. AD5791積分非線(xiàn)性 ±0.6LSB

圖4b. AD5791微分非線(xiàn)性 ±0.5LSB

除了出色的線(xiàn)性度性能外，其它重要特性包括：7.5nV/?Hz的電壓噪聲密度、0.6μVp-p噪聲（0.1 Hz至10 Hz頻率范圍）和0.05ppm/°C的溫度穩定性。

MRI環(huán)路還需要考慮什么？

在MRI梯度控制系統中，以高精度驅動(dòng)線(xiàn)圈，響應通過(guò)一個(gè)高性能接收通道進(jìn)行測量。通常，環(huán)路的最弱部分決定系統的最終性能。以前的系統采用多個(gè)并聯(lián)的高分辨率DAC進(jìn)行設計，對DAC輸出求均值可以降低誤差并提高絕對性能。AD5791在單個(gè)器件中提供高精度1 ppm DAC功能，因此無(wú)需使用其它技巧來(lái)達到精度目標。然而，DAC不是信號鏈中的唯一器件，因此必須注意環(huán)路中的其它器件。

DAC提供無(wú)緩沖的電壓輸出，DAC電阻為3.4kΩ。電阻梯的約翰遜噪聲是7.5nV/?Hz電壓噪聲密度的主要部分。為了緩沖DAC輸出，需要一個(gè)放大器來(lái)最終驅動(dòng)系統中梯度放大器的高壓功率級。高頻噪聲很容易通過(guò)RC濾波器消除，但濾除低頻噪聲（通常用0.1 Hz至10 Hz的1/f噪聲表示）必然會(huì )影響系統的直流性能。最大程度地消除低頻噪聲的最有效方法是使用一個(gè)絕不會(huì )引入這種低頻噪聲成分的電路。整個(gè)系統的最大容許低頻噪聲誤差的指導標準是0.1 x 所需的LSB電平。對于這一特定應用，基于20μV的LSB電平，最大誤差為2 μVp-p。最合適的放大器是AD8671，它是OP27/37的后續版本，1/f噪聲非常出色，僅有77 nVp-p，對整個(gè)信號鏈的噪聲貢獻極小。使用AD8671作為DAC基準輸入端的緩沖放大器和DAC輸出級的緩沖器時(shí)，系統僅增加220nVp-p的噪聲。這一數值與DAC的0.8μVp-p噪聲貢獻相加，得到的噪聲電平遠低于所需最大電平2.0 μVp-p。

該應用的另一個(gè)重要特性是系統的漂移性能。由于信號是在低頻進(jìn)行測量和控制，因此漂移被視為低頻噪聲。單通道AD8671和雙通道AD8672 也是推薦使用的放大器，能夠將漂移性能保持在所需范圍內。單通道AD8671的最大溫漂為0.5 μV/°C，這會(huì )貢獻0.025 ppm/°C的額外輸出漂移，導致最終的總漂移為0.125 ppm/°C。雙通道放大器AD8672的溫漂略有增加，原因是封裝的散熱條件不同以及功耗更大。如果需要進(jìn)行額外的增益調整，建議使用低溫漂金屬箔電阻。最后但很重要的一點(diǎn)是，系統的精度不可能高于其基準電壓的精度?，F已出現內置烘箱的基準電壓源，它可以保持溫度穩定，從而消除溫漂。當系統的終極目標是最高性能時(shí)，應當考慮使用這種基準電壓源。圖5顯示了AD5791整個(gè)輸出級的電路圖。

圖5. AD5791及所需的放大器

雖然本文重點(diǎn)討論MRI系統中用于實(shí)現梯度控制的高分辨率輸出級，但該環(huán)路中的ADC信號鏈對于滿(mǎn)足整體性能要求也同樣重要。ADI公司提供一系列兼具高性能與高輸出數據速率的24位Σ-Δ型轉換器。AD5791的配套芯片是AD776x系列，其輸出數據速率范圍是312kSPS至2.5MSPS，動(dòng)態(tài)性能接近120 dB，與DAC輸出相輔相成。

總結

降低電源電壓、功耗、縮小封裝尺寸是芯片行業(yè)的大勢所趨，這主要受消費電子的市場(chǎng)需求推動(dòng)，便攜式和電池供電系統都要求小尺寸和低功耗。這一趨勢與需求的增長(cháng)相結合，迫使芯片制造商不得不考慮將資源投向何處。但如本文所述，也有例外。醫療保健、工業(yè)、軍事和航空航天應用仍然追求高性能和創(chuàng )新技術(shù)。ADI公司通過(guò)高分辨率、高性能20位DAC AD5791表明，在保證技術(shù)規格不打折扣的前提下，高集成度和小型化是可行的。AD5791屬于全新系列的數模轉換器，它的推出再一次證明了ADI公司在該市場(chǎng)的全球領(lǐng)導地位。

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