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作者：Maithil Pachchigar，ADI公司 簡(jiǎn)介 數字X射線(xiàn) (DXR)、磁共振成像和其他醫療設備要求數據采集系統具備小型、高性能、低功耗等特性，以滿(mǎn)足競爭市場(chǎng)上醫生、病人和制造商的需求。本文展示一款高精度、低功耗信號鏈，可解決多通道應用（如數字X射線(xiàn)，需多路復用多通道的大信號和小信號測量）以及過(guò)采樣應用（如MRI，要求低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍和寬帶寬）帶來(lái)的挑戰。高吞吐速率、低噪聲、高線(xiàn)性度、低功耗以及小尺寸使18位、5 MSPS PulSAR® 差分ADCAD7960成為這些高性能成像應用以及其他精密數據采集系統的理想選擇。 數字X射線(xiàn) 人類(lèi)于1895年通過(guò)膠片或閃爍屏檢測的方式，首次發(fā)現了X射線(xiàn)。從此，人們便將這項技術(shù)用于各種醫療診斷場(chǎng)合，包括腫瘤科、牙科以及獸醫學(xué)，以及眾多工業(yè)成像應用。數字X射線(xiàn)能以固態(tài)傳感器代替膠片檢測器，包括平板探測器和線(xiàn)性?huà)呙杼綔y器。平板探測器使用兩種技術(shù)：直接轉換與間接轉換。在直接轉換中，硒光電池組成容性元件，直接將高頻X射線(xiàn)光子轉換為電流信號。而在間接轉換中，碘化銫閃爍計數器首先將X射線(xiàn)光子轉換為可見(jiàn)光，然后硅光電二極管陣列將可見(jiàn)光轉換為電流信號。每個(gè)光電二極管代表一個(gè)像素。低噪聲模擬前端將來(lái)自每個(gè)像素的小電流轉換為大電壓，然后再將電壓轉換為圖像處理器能夠處理的數據。如圖1所示的典型DXR系統能以高采樣速率，將很多通道多路復用至單ADC，而不會(huì )犧牲精度。 
圖1. 數字X射線(xiàn)信號鏈 今天，數字X射線(xiàn)探測器制造商通常采用間接轉換。一百萬(wàn)像素以上的非晶硅平板探測器或光電二極管陣列捕獲光子能量，將輸出多路復用至12個(gè)或24個(gè)ADC。這項技術(shù)具有高效的X射線(xiàn)光子吸收和高性噪比，以一半的X射線(xiàn)照射量實(shí)時(shí)獲得動(dòng)態(tài)高分辨率圖像。每像素的采樣速率較低，數值從針對骨頭和牙齒的幾Hz，到獲取嬰兒心臟（人體內速度最快的器官）圖像所需的最高120 Hz。 測量數字放射檢查探測器的圖像質(zhì)量即可知其性能優(yōu)劣，因此對X射線(xiàn)束進(jìn)行精確采集和精細處理便顯得尤為重要。數字放射檢查具有更大的動(dòng)態(tài)范圍、高采集速度和幀速率，并采用特定的圖像處理技術(shù)以保持一致性，從而增強圖像質(zhì)量。 醫療成像系統必須提供質(zhì)量更佳的圖像，以實(shí)現精確診斷和更短的掃描時(shí)間，降低病人所受X射線(xiàn)的照射量。高端放射檢查系統（動(dòng)態(tài)采集）一般用于外科中心和手術(shù)室中，而基本系統用于急診室、小型醫院或醫生辦公室中。工業(yè)成像系統必須耐用，因為它們的使用壽命非常長(cháng)，并且可能位于高射線(xiàn)照射量的惡劣環(huán)境中。安�；蛐欣顧z查應用可采用較低的X射線(xiàn)照射量，因為X射線(xiàn)源會(huì )在長(cháng)時(shí)間內持續存在。 MRI梯度控制 如圖2所示的MRI系統最適合大腦成像應用，或用于骨科、血管造影和血管研究等，因為該系統可掃描提供軟組織的高對比度圖像，無(wú)需將其暴露在電離輻射下。MRI工作頻段為1 MHz至100 MHz RF，而計算機斷層掃描 (CT) 和DXR工作在1016 Hz至1018 Hz頻率范圍內，并且需要讓病人暴露在電路輻射下，會(huì )損害活組織。 MRI控制系統具有很小的容差，因此需要高性能元件。在MRI系統中，使用大線(xiàn)圈創(chuàng )建1.5 T至3 T主磁場(chǎng)。高電壓（最高1000 V）施加于線(xiàn)圈，形成高達1000 A的所需電流。MRI系統使用梯度控制，并通過(guò)改變特定線(xiàn)圈內的電流，線(xiàn)性改變主磁場(chǎng)。對這些梯度線(xiàn)圈進(jìn)行快速且精確的調制，改變主磁場(chǎng)，使其對準體內極小的位置。梯度控制使用RF能量，激發(fā)人體組織中某個(gè)較薄的橫截面，以此產(chǎn)生x、y和z軸圖像。MRI要求快速響應時(shí)間，并且要求其梯度精確控制到1 mA內 (1 ppm)。MRI系統制造商可采用模擬或數字域控制梯度。MRI系統的設計具有極長(cháng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間、極高的物料成本等特點(diǎn)，并且與整體硬件和軟件復雜性相關(guān)的風(fēng)險極大。
圖2. MRI系統 高性能數據采集信號鏈 圖3顯示高精度、低噪聲、18位數據采集信號鏈，提供±0.8 LSB積分非線(xiàn)性 (INL)、±0.5 LSB差分非線(xiàn)性 (DNL) 以及99 dB信噪比 (SNR)。圖4顯示其采用5 V基準電壓源時(shí)的典型FFT和線(xiàn)性度性能。該信號鏈的總功耗約為345 mW，與競爭型解決方案相比約低50%。
圖3. 采用AD7960、ADA4899、AD8031和ADR4550的精密快速建立信號鏈
圖4. AD7960典型FFT和線(xiàn)性度性能 這類(lèi)高速、多通道數據采集系統可用于CT、DXR以及其他醫療成像應用中，這些應用都要求在不犧牲精度的前提下提供更高的采樣速率。該系統的18位線(xiàn)性度以及低噪聲性能可提升圖像質(zhì)量，而其5 MSPS吞吐速率可縮短掃描周期（每秒幀數更高），降低暴露在X射線(xiàn)下的劑量，提供精確的醫療診斷和更佳的患者體驗。對多個(gè)通道進(jìn)行多路復用處理可獲得分辨率更高的圖像，用于器官（如心臟）的完整分析，實(shí)現成本合理的診斷，并最大程度降低功耗。精度、成本、功耗、尺寸、復雜性以及可靠性對醫療設備制造商而言極為重要。 在CT掃描儀中，每通道使用一個(gè)采樣保持電路捕獲連續像素電流，并將輸出多路復用至高速ADC。高吞吐速率允許將很多像素多路復用至單個(gè)ADC，可節省成本、空間與功耗。低噪聲和良好的線(xiàn)性度提供高質(zhì)量的圖像。高分辨率紅外攝像機可從該分辨率中獲益。 過(guò)采樣是以比奈奎斯特頻率高得多的速率來(lái)對輸入信號進(jìn)行采樣的過(guò)程。過(guò)采樣用于光譜分析、MRI、氣相色譜分析、血液分析以及其他需要具有寬動(dòng)態(tài)范圍的醫療儀器中，以便精確監控并測量多通道的小信號與大信號。高分辨率和高精度、低噪聲、快速刷新速率以及極低的輸出漂移等性能可大幅簡(jiǎn)化MRI系統的設計，降低開(kāi)發(fā)成本與風(fēng)險。 MRI系統的關(guān)鍵要求是在醫院或醫生辦公室中可重復、長(cháng)期穩定地測量。為了獲得更佳的圖片質(zhì)量，這些系統還要求具有更高等級的線(xiàn)性度以及高動(dòng)態(tài)范圍 (DR)，范圍從直流到幾十kHz。原則上講，對ADC進(jìn)行4倍過(guò)采樣可額外提供1位分辨率，或增加6 dB的DR。由過(guò)采樣而獲得的DR改善為：ΔDR = log2 (OSR) × 3 dB。許多情況下，Σ-Δ型ADC可以很好地實(shí)現過(guò)采樣，但要求在通道間實(shí)現快速切換或要求進(jìn)行精確直流測量時(shí)，過(guò)采樣會(huì )受到限制。采用逐次逼近型 (SAR) ADC進(jìn)行過(guò)采樣還可改善抗混疊性能，降低噪聲。 最先進(jìn)的ADC架構 CT、DXR和其他多通道應用（或光譜儀、MRI和其他過(guò)采樣應用）中的精密高速數據采集系統要求使用最先進(jìn)的ADC。如圖5所示，18位、5 MSPS PulSAR差分ADC AD7960采用容性數模轉換器 (CAPDAC) 提供一流的噪聲和線(xiàn)性度性能，并且無(wú)延遲或流水線(xiàn)延遲。該器件具有寬帶寬、高精度 (100 dB DR) 以及快速采樣 (200 ns) 性能，可用于醫療成像應用，極大降低多通道應用的功耗和成本。該器件采用小型 (5 mm × 5 mm)、易于使用的32引腳LFCSP封裝，額定工作溫度為–40°C至+85°C工業(yè)溫度范圍。16位AD7961與AD7960引腳兼容，可用于僅需16位性能的應用中。
圖5. AD7960功能框圖 如圖6所示，容性DAC由差分18位二進(jìn)制加權電容陣列（該陣列還可作為采樣電容使用，采集模擬輸入信號）、比較器以及控制邏輯組成。采樣階段結束后，轉換控制輸入 (CNV±) 變?yōu)楦唠娖�，輸入IN+和IN−之間的差分電壓被捕獲，轉換階段開(kāi)始。電容陣列中的每一個(gè)元件在GND和REF之間逐次切換，電荷被重新分配，輸入與DAC值進(jìn)行比較，且位根據結果予以保留或丟棄。該過(guò)程結束時(shí)，控制邏輯產(chǎn)生ADC輸出代碼。AD7960將于開(kāi)始轉換后約100 ns時(shí)返回采樣模式。采樣時(shí)間約為總周期的50%，這使AD7960易于驅動(dòng)，同時(shí)放寬了ADC驅動(dòng)器的建立時(shí)間要求。
圖6. AD7960內部簡(jiǎn)化原理圖 TAD7960系列采用1.8 V和5 V電源供電，以自時(shí)鐘模式轉換時(shí)的功耗僅為39 mW (5 MSPS)。功耗隨采樣速率線(xiàn)性變化，如圖7所示。
圖7. AD7960功耗與吞吐速率的關(guān)系 極低采樣速率下的功耗主要由LVDS靜態(tài)功率所決定。相比業(yè)內速度第二的18位SAR ADC器件，AD7960的速度要快兩倍，功耗低70%，占位面積小50%。 AD7960提供3種外部基準電壓選項：2.048 V、4.096 V和5 V。片內緩沖器使2.048 V基準電壓翻倍，因此轉換等效于4.096 V或5 V。 數字接口采用低電壓差分信號 (LVDS)，具有自時(shí)鐘模式和回波時(shí)鐘模式，提供ADC和主機處理器之間的高速數據傳輸（高達300 MHz）。由于多個(gè)器件可共享時(shí)鐘，因此LVDS接口降低了數字信號的數量，簡(jiǎn)化了信號路由。它還能降低功耗，這在多路復用應用中尤為有用。自時(shí)鐘模式利用主機處理器簡(jiǎn)化接口，允許接頭采用簡(jiǎn)單時(shí)序同步每次轉換的數據。若要讓數字主機采集數據輸出，則需要用到接頭，因為數據不存在時(shí)鐘輸出同步�；夭〞r(shí)鐘模式提供穩定的時(shí)序，但要使用一對額外的差分對。輸出數據速率低于20 kSPS,時(shí)，AD7960的典型動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)120 dB，如圖8所示。
圖8. AD7960動(dòng)態(tài)范圍與輸出數據速率的關(guān)系 ADC驅動(dòng)器 ADC的采樣時(shí)間決定ADC驅動(dòng)器的建立時(shí)間要求。表1顯示選擇ADC驅動(dòng)器時(shí)必須考慮的一些規格。通常，信號鏈性能應當在工作臺上進(jìn)行驗證，確保獲得所需性能。 表1. AD7960 ADC驅動(dòng)器選型基準
運算放大器的數據手冊通常提供線(xiàn)性建立時(shí)間與壓擺時(shí)間相結合的建立時(shí)間規格；本文提供的公式為一階近似，假設線(xiàn)性建立和壓擺均為50%（多路復用應用），采用5 V單端輸入。 軌到軌放大器ADA4899-1 具有600 MHz帶寬、–117-dBc失真（1 MHz時(shí)）以及1 nV/√Hz噪聲，如圖9所示。配置為單位增益緩沖器并以5 V差分信號驅動(dòng)AD7960的輸入時(shí)，其0.1%建立時(shí)間不超過(guò)50 ns。
圖9. ADA4899噪聲頻譜密度 基準電壓源與緩沖器 低噪聲、低功耗軌到軌放大器AD8031緩沖來(lái)自基準電壓源ADR4550的5 V輸出，具有高精度（±0.02%最大初始誤差）、低漂移（2 ppm/°C最大值）、低噪聲 (1 μV p-p) 以及低功耗（950 μA最大值）特性。第二個(gè)AD8031緩沖ADC的2.5 V共模輸出電壓。其低輸出阻抗可保持穩定的基準電壓，與ADC輸入電壓無(wú)關(guān)，從而最大程度降低INL。AD8031具有大容性負載穩定性，可驅動(dòng)去耦電容，以便最大程度降低瞬態(tài)電流引起的尖峰。該器件適合從寬帶電池供電系統到低功耗、高速、高密度系統的各種應用。 結論 采用ADI專(zhuān)利技術(shù)的高精度、低功耗信號鏈提供一流的速度、噪聲和線(xiàn)性度性能，能夠解決DXR和MRI梯度控制中高性能多路復用和過(guò)采樣數據采集系統的難題。高性能信號鏈元器件采用小尺寸封裝，節省空間，降低了多通道應用的成本。 作者簡(jiǎn)介 Maithil Pachchigar [maithil.pachchigar@analog.com] 是位于馬薩諸塞州威明頓的ADI高精度轉換器業(yè)務(wù)部門(mén)的應用工程師。他于2010年加入ADI公司，為工業(yè)、儀表、醫療和能源行業(yè)的客戶(hù)提供高精度ADC產(chǎn)品技術(shù)支持。自2005年以來(lái)，Maithil一直在半導體行業(yè)工作，并已發(fā)表多篇技術(shù)文章。他于2006年獲得圣何塞州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位，并于2010年獲得硅谷大學(xué)MBA學(xué)位。 |
