基于新型光纖智能結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

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、超聲和磁共振等。各種系統(tǒng)都有其優(yōu)點和缺點，既可以用來生成人體某一部位或器官的靜止圖像，也可以用來生成動態(tài)影像以便醫(yī)生核實或研究器官的活動情況。某些手術(shù)中也會用到動態(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則適合對軟組織進行成像。對于上述各種醫(yī)學成像系統(tǒng)，ADI公司都有相應的專業(yè)技術(shù)解決方案。本文重點介紹一款針對磁共振成像(MRI)等高性能應用而開發(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。

進行MRI需要一個強大的均質(zhì)磁場。磁場強度的單位為特斯拉(T)。1特斯拉等于10,000高斯，地球的磁場強度約為0.5高斯。目前的MRI系統(tǒng)使用1.5 T到3 T的磁場強度，有時甚至達到7 T。如此強的磁場由超導線圈磁鐵產(chǎn)生，病人處于磁場中。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。這將導致人體內(nèi)部的質(zhì)子自旋，與磁場方向平行或反平行，從而處于低能態(tài)或高能態(tài)。磁場強度越高，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行測量。這些天線采用靈敏的前置放大器、增益模塊和高分辨率ADC進行設(shè)計，符合120 dB至140 dB的整體動態(tài)范圍要求。由于我們感興趣的只是對人體的細小斷層進行成像，因此需要對該均質(zhì)磁場增加一個梯度。

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(磁化矢量)，以便從我們感興趣的單個斷層提供響應。圖2顯示了一個MRI系統(tǒng)中實現(xiàn)的梯度控制環(huán)路。發(fā)送到梯度線圈的信號由一個輸出功率達數(shù)兆瓦的放大器產(chǎn)生。頻率范圍相當?shù)?，因此其關(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MRI系統(tǒng)梯度線圈所需的功率以兆瓦計。如果僅以16位精度驅(qū)動一個2 MW放大器，則1 LSB將相當于最低30 W的步長!這就是需要使用更高分辨率DAC的原因。如果設(shè)計得當，20位DAC可以使系統(tǒng)性能達到2 W/LSB的精度水平。

梯度信號的頻率僅有數(shù)百Hz，因此高穩(wěn)定度、低短期漂移和低噪聲對于滿足整體要求是必需的。要設(shè)計一個超低噪聲的低頻系統(tǒng)，必需仔細檢查所用的器件。濾波器會增加噪聲和相移，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。為實現(xiàn)高動態(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來說不是一個問題，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)由一個校準的電壓模式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。為實現(xiàn)高線性度，R2R電阻梯分為兩段。一個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)動一個獨立的6位DAC，它控制低14位的基準電壓。這兩部分共同構(gòu)成一個性能出色的乘法DAC主體。圖3顯示了該器件中實現(xiàn)的R2R梯形結(jié)構(gòu)。

圖3. AD5791中使用的R2R電阻梯主體

基準輸入電壓可在±10 V范圍內(nèi)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(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)動線圈，響應通過一個高性能接收通道進行測量。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)采用多個并聯(lián)的高分辨率DAC進行設(shè)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，需要一個放大器來最終驅(qū)動系統(tǒng)中梯度放大器的高壓功率級。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絕不會引入這種低頻噪聲成分的電路。整個系統(tǒng)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(xù)版本，1/f噪聲非常出色，僅有77 nVp-p，對整個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，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。

該應用的另一個重要特性是系統(tǒng)的漂移性能。由于信號是在低頻進行測量和控制，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?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是，系統(tǒng)的精度不可能高于其基準電壓的精度。現(xiàn)已出現(xiàn)內(nèi)置烘箱的基準電壓源，它可以保持溫度穩(wěn)定，從而消除溫漂。當系統(tǒng)的終極目標是最高性能時，應當考慮使用這種基準電壓源。圖5顯示了AD5791整個輸出級的電路圖。.

圖5. AD5791及所需的放大器

雖然本文重點討論MRI系統(tǒng)中用于實現(xiàn)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)的大勢所趨，這主要受消費電子的市場需求推動，便攜式和電池供電系統(tǒng)都要求小尺寸和低功耗。這一趨勢與需求的增長相結(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)、軍事和航空航天應用仍然追求高性能和創(chuàng)新技術(shù)。