采用ADI 20位DAC设计医疗成像系统

　　医疗保健是当今的热门话题。高性能数模转换器(DAC) AD5791能够不折不扣地提高应用性能。

　　各国政府都投入大量资金用于医疗保健研究和体系建设，以保障人民大众的福祉，确保身心健康。要求做到积极预防疾病，而不是被动应对，以及正确诊断一些病况。

　　在这种形势下，医学成像系统正在发挥着重要作用。借助图像，医生可以更细致地观察病人，无需通过手术就能了解疾病状况。此外，在开始手术之前，图像还能帮助外科医生研究病例。

　　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