基于ADI 20位DAC的医疗成像系统设计 - 全文

 

　　如今有多种多样的成像手段可供使用，如计算机断层扫描、X射线、超声和磁共振等。各种系统都有其优点和缺点，既可以用来生成人体某一部位或器官的静止图像，也可以用来生成动态影像以便医生核实或研究器官的活动情况。某些手术中也会用到动态影像。

　　不同系统的成像能力也存在差别。X射线技术非常适合用于诊断骨骼疾病。超声利用声波来监视胎儿，可对器官以及心房、心室、血管中的血流情况成像。MRI则适合对软组织进行成像。对于上述各种医学成像系统，ADI公司都有相应的专业技术解决方案。本文重点介绍一款针对磁共振成像(MRI)等高性能应用而开发的新型高分辨率DAC。

　　磁共振成像

　　MRI主要用于产生人体内部的高质量图像，可以用来检测疾病，以及区分肿瘤与正常组织。人体的70%是脂肪和水，这两种物质均包含氢原子。MRI利用氢原子的磁性成像。

　　进行MRI需要一个强大的均质磁场。磁场强度的单位为特斯拉(T)。1特斯拉等于10,000高斯，地球的磁场强度约为0.5高斯。目前的MRI系统使用1.5 T到3 T的磁场强度，有时甚至达到7 T。如此强的磁场由超导线圈磁铁产生，病人处于磁场中。图1显示了病人与MRI扫描仪线圈的位置关系。

　　

 

　　图1. 病人与MRI线圈的位置关系

　　对于1.5T系统，所施加的频率约为64 MHz，3T系统则为128 MHz。这将导致人体内部的质子自旋，与磁场方向平行或反平行，从而处于低能态或高能态。磁场强度越高，则这两种自旋状态的能量差越大。移除所施加的磁场之后，质子转发磁能，所转发的磁能由接收线圈或天线进行测量。这些天线采用灵敏的前置放大器、增益模块和高分辨率ADC进行设计，符合120 dB至140 dB的整体动态范围要求。由于我们感兴趣的只是对人体的细小断层进行成像，因此需要对该均质磁场增加一个梯度。

　　

 

　　图2. 高分辨率梯度控制环路

　　使用大线圈来传输这一梯度信号(磁化矢量)，以便从我们感兴趣的单个断层提供响应。图2显示了一个MRI系统中实现的梯度控制环路。发送到梯度线圈的信号由一个输出功率达数兆瓦的放大器产生。频率范围相当低，因此其关键要求是稳定、高线性度和低漂移。这正是20位DAC AD5791具备的特性。

　　为什么用20位DAC?

　　如上所述，驱动MRI系统梯度线圈所需的功率以兆瓦计。如果仅以16位精度驱动一个2 MW放大器，则1 LSB将相当于最低30 W的步长!这就是需要使用更高分辨率DAC的原因。如果设计得当，20位DAC可以使系统性能达到2 W/LSB的精度水平。

　　梯度信号的频率仅有数百Hz，因此高稳定度、低短期漂移和低噪声对于满足整体要求是必需的。要设计一个超低噪声的低频系统，必需仔细检查所用的器件。滤波器会增加噪声和相移，因此所选的信号链器件必需能够在接近DC的低频频段实现良好的直流性能和低噪声。AD5791兼具高分辨率、高稳定度和低噪声特性，堪称这种应用的不二之选。

　　近观AD5791

　　AD5791是一款单通道、20位、电压输出型DAC。为实现高动态范围，该器件必须采用高电源电压工作，因为电源电压越高，则越容易远离噪底。这对AD5791来说不是一个问题，其电源电压VDD的范围是7.5 V至16.5 V，VCC的范围是–7.5 V至–16.5 V。

　　该DAC的架构由一个校准的电压模式R2R梯形网络组成。用于构建转换器内核的薄膜电阻能够提供出色的匹配能力和稳定度。为实现高线性度，R2R电阻梯分为两段。一个14位R2R梯形网络产生低14位(S0至S13)。20位数字码的其余高6位用来驱动一个独立的6位DAC，它控制低14位的基准电压。这两部分共同构成一个性能出色的乘法DAC主体。图3显示了该器件中实现的R2R梯形结构。

　　

 

　　图3. AD5791中使用的R2R电阻梯主体

　　基准输入电压可在±10 V范围内选择。由于基准电压范围如此之宽，因此LSB电平最高可以达到20 µV。这有助于转换器保持20位(1ppm)的积分和微分非线性(INL和DNL)，如图4a/b所示。

　　

 

　　图4a. AD5791积分非线性 < ±0.6LSB

　　

 

　　图4b. AD5791微分非线性 < ±0.5LSB

　　除了出色的线性度性能外，其它重要特性包括：7.5nV/?Hz的电压噪声密度、0.6µVp-p噪声(0.1 Hz至10 Hz频率范围)和0.05ppm/°C的温度稳定性。

　　MRI环路还需要考虑什么?

　　在MRI梯度控制系统中，以高精度驱动线圈，响应通过一个高性能接收通道进行测量。通常，环路的最弱部分决定系统的最终性能。以前的系统采用多个并联的高分辨率DAC进行设计，对DAC输出求均值可以降低误差并提高绝对性能。AD5791在单个器件中提供高精度1 ppm DAC功能，因此无需使用其它技巧来达到精度目标。然而，DAC不是信号链中的唯一器件，因此必须注意环路中的其它器件。

　　DAC提供无缓冲的电压输出，DAC电阻为3.4kΩ。电阻梯的约翰逊噪声是7.5nV/?Hz电压噪声密度的主要部分。为了缓冲DAC输出，需要一个放大器来最终驱动系统中梯度放大器的高压功率级。高频噪声很容易通过RC滤波器消除，但滤除低频噪声(通常用0.1 Hz至10 Hz的1/f噪声表示)必然会影响系统的直流性能。最大程度地消除低频噪声的最有效方法是使用一个绝不会引入这种低频噪声成分的电路。整个系统的最大容许低频噪声误差的指导标准是0.1 x 所需的LSB电平。对于这一特定应用，基于20µV的LSB电平，最大误差为2 µVp-p。最合适的放大器是AD8671，它是OP27/37的后续版本，1/f噪声非常出色，仅有77 nVp-p，对整个信号链的噪声贡献极小。使用AD8671作为DAC基准输入端的缓冲放大器和DAC输出级的缓冲器时，系统仅增加220nVp-p的噪声。这一数值与DAC的0.8µVp-p噪声贡献相加，得到的噪声电平远低于所需最大电平2.0 µVp-p。

　　该应用的另一个重要特性是系统的漂移性能。由于信号是在低频进行测量和控制，因此漂移被视为低频噪声。单通道AD8671和双通道AD8672也是推荐使用的放大器，能够将漂移性能保持在所需范围内。单通道AD8671的最大温漂为0.5 µV/°C，这会贡献0.025 ppm/°C的额外输出漂移，导致最终的总漂移为0.125 ppm/°C。双通道放大器AD8672的温漂略有增加，原因是封装的散热条件不同以及功耗更大。如果需要进行额外的增益调整，建议使用低温漂金属箔电阻。最后但很重要的一点是，系统的精度不可能高于其基准电压的精度。现已出现内置烘箱的基准电压源，它可以保持温度稳定，从而消除温漂。当系统的终极目标是最高性能时，应当考虑使用这种基准电压源。图5显示了AD5791整个输出级的电路图。

　　

 

　　图5. AD5791及所需的放大器

　　虽然本文重点讨论MRI系统中用于实现梯度控制的高分辨率输出级，但该环路中的ADC信号链对于满足整体性能要求也同样重要。ADI公司提供一系列兼具高性能与高输出数据速率的24位Σ-Δ型转换器。AD5791的配套芯片是AD776x系列，其输出数据速率范围是312kSPS至2.5MSPS，动态性能接近120 dB，与DAC输出相辅相成。

　　总结

　　降低电源电压、功耗、缩小封装尺寸是芯片行业的大势所趋，这主要受消费电子的市场需求推动，便携式和电池供电系统都要求小尺寸和低功耗。这一趋势与需求的增长相结合，迫使芯片制造商不得不考虑将资源投向何处。但如本文所述，也有例外。医疗保健、工业、军事和航空航天应用仍然追求高性能和创新技术。