基于ADI 20位DAC的醫(yī)療成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如今有多種多樣的成像手段可供使用，如計(jì)算機(jī)斷層掃描、X射線、超聲和磁共振等。各種系統(tǒng)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，既可以用來生成人體某一部位或器官的靜止圖像，也可以用來生成動(dòng)態(tài)影像以便醫(yī)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(tǒng)的成像能力也存在差別。X射線技術(shù)非常適合用于診斷骨骼疾病。超聲利用聲波來監(jiān)視胎兒，可對(duì)器官以及心房、心室、血管中的血流情況成像。MRI則適合對(duì)軟組織進(jìn)行成像。對(duì)于上述各種醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，ADI公司都有相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)解決方案。本文重點(diǎn)介紹一款針對(duì)磁共振成像(MRI)等高性能應(yīng)用而開發(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(nèi)部的高質(zhì)量圖像，可以用來檢測(cè)疾病，以及區(qū)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(qiáng)大的均質(zhì)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度約為0.5高斯。目前的MRI系統(tǒng)使用1.5 T到3 T的磁場(chǎng)強(qiáng)度，有時(shí)甚至達(dá)到7 T。如此強(qiáng)的磁場(chǎng)由超導(dǎo)線圈磁鐵產(chǎn)生，病人處于磁場(chǎng)中。圖1顯示了病人與MRI掃描儀線圈的位置關(guān)系。

　　圖1. 病人與MRI線圈的位置關(guān)系

　　對(duì)于1.5T系統(tǒng)，所施加的頻率約為64 MHz，3T系統(tǒng)則為128 MHz。這將導(dǎo)致人體內(nèi)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(qiáng)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(zhuǎn)發(fā)磁能，所轉(zhuǎn)發(fā)的磁能由接收線圈或天線進(jìn)行測(cè)量。這些天線采用靈敏的前置放大器、增益模塊和高分辨率ADC進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(duì)人體的細(xì)小斷層進(jìn)行成像，因此需要對(duì)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

　　使用大線圈來傳輸這一梯度信號(hào)(磁化矢量)，以便從我們感興趣的單個(gè)斷層提供響應(yīng)。圖2顯示了一個(gè)MRI系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的梯度控制環(huán)路。發(fā)送到梯度線圈的信號(hào)由一個(gè)輸出功率達(dá)數(shù)兆瓦的放大器產(chǎn)生。頻率范圍相當(dāng)?shù)停虼似潢P(guān)鍵要求是穩(wěn)定、高線性度和低漂移。這正是20位DAC AD5791具備的特性。為什么用20位DAC?

　　如上所述，驅(qū)動(dòng)MRI系統(tǒng)梯度線圈所需的功率以兆瓦計(jì)。如果僅以16位精度驅(qū)動(dòng)一個(gè)2 MW放大器，則1 LSB將相當(dāng)于最低30 W的步長(zhǎng)!這就是需要使用更高分辨率DAC的原因。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，20位DAC可以使系統(tǒng)性能達(dá)到2 W/LSB的精度水平。

　　梯度信號(hào)的頻率僅有數(shù)百Hz，因此高穩(wěn)定度、低短期漂移和低噪聲對(duì)于滿足整體要求是必需的。要設(shè)計(jì)一個(gè)超低噪聲的低頻系統(tǒng)，必需仔細(xì)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(hào)鏈器件必需能夠在接近DC的低頻頻段實(shí)現(xiàn)良好的直流性能和低噪聲。AD5791兼具高分辨率、高穩(wěn)定度和低噪聲特性，堪稱這種應(yīng)用的不二之選。

　　近觀AD5791

　　AD5791是一款單通道、20位、電壓輸出型DAC。為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍，該器件必須采用高電源電壓工作，因?yàn)殡娫措妷涸礁?，則越容易遠(yuǎn)離噪底。這對(duì)AD5791來說不是一個(gè)問題，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(gòu)由一個(gè)校準(zhǔn)的電壓模式R2R梯形網(wǎng)絡(luò)組成。用于構(gòu)建轉(zhuǎn)換器內(nèi)核的薄膜電阻能夠提供出色的匹配能力和穩(wěn)定度。為實(shí)現(xiàn)高線性度，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(shù)字碼的其余高6位用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)獨(dú)立的6位DAC，它控制低14位的基準(zhǔn)電壓。這兩部分共同構(gòu)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(xiàn)的R2R梯形結(jié)構(gòu)。

　　圖3. AD5791中使用的R2R電阻梯主體

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

　　圖4a. AD5791積分非線性 ±0.6LSB

　　圖4b. AD5791微分非線性 ±0.5LSB

　　除了出色的線性度性能外，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(wěn)定性。MRI環(huán)路還需要考慮什么?

　　在MRI梯度控制系統(tǒng)中，以高精度驅(qū)動(dòng)線圈，響應(yīng)通過一個(gè)高性能接收通道進(jìn)行測(cè)量。通常，環(huán)路的最弱部分決定系統(tǒng)的最終性能。以前的系統(tǒng)采用多個(gè)并聯(lián)的高分辨率DAC進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)DAC輸出求均值可以降低誤差并提高絕對(duì)性能。AD5791在單個(gè)器件中提供高精度1 ppm DAC功能，因此無需使用其它技巧來達(dá)到精度目標(biāo)。然而，DAC不是信號(hào)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)放大器來最終驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中梯度放大器的高壓功率級(jí)。高頻噪聲很容易通過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(tǒng)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(tǒng)的最大容許低頻噪聲誤差的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)是0.1 x 所需的LSB電平。對(duì)于這一特定應(yīng)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(xù)版本，1/f噪聲非常出色，僅有77 nVp-p，對(duì)整個(gè)信號(hào)鏈的噪聲貢獻(xiàn)極小。使用AD8671作為DAC基準(zhǔn)輸入端的緩沖放大器和DAC輸出級(jí)的緩沖器時(shí)，系統(tǒng)僅增加220nVp-p的噪聲。這一數(shù)值與DAC的0.8μVp-p噪聲貢獻(xiàn)相加，得到的噪聲電平遠(yuǎn)低于所需最大電平2.0 μVp-p。

　　該應(yīng)用的另一個(gè)重要特性是系統(tǒng)的漂移性能。由于信號(hào)是在低頻進(jìn)行測(cè)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?qū)⑵菩阅鼙３衷谒璺秶鷥?nèi)。單通道AD8671的最大溫漂為0.5 μV/°C，這會(huì)貢獻(xiàn)0.025 ppm/°C的額外輸出漂移，導(dǎo)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(diào)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(tǒng)的精度不可能高于其基準(zhǔn)電壓的精度。現(xiàn)已出現(xiàn)內(nèi)置烘箱的基準(zhǔn)電壓源，它可以保持溫度穩(wěn)定，從而消除溫漂。當(dāng)系統(tǒng)的終極目標(biāo)是最高性能時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮使用這種基準(zhǔn)電壓源。圖5顯示了AD5791整個(gè)輸出級(jí)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(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)梯度控制的高分辨率輸出級(jí)，但該環(huán)路中的ADC信號(hào)鏈對(duì)于滿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(shù)據(jù)速率的24位Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器。AD5791的配套芯片是AD776x系列，其輸出數(shù)據(jù)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(jié)

　　降低電源電壓、功耗、縮小封裝尺寸是芯片行業(yè)的大勢(shì)所趨，這主要受消費(fèi)電子的市場(chǎng)需求推動(dòng)，便攜式和電池供電系統(tǒng)都要求小尺寸和低功耗。這一趨勢(shì)與需求的增長(zhǎng)相結(jié)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(yī)療保健、工業(yè)、軍事和航空航天應(yīng)用仍然追求高性能和創(chuàng)新技術(shù)。