采用ADI 20位DAC设计医疗成像系统

　　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/ѴHz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/ѴHz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。ADI公司通过高分辨率、高性能20位DAC AD5791表明，在保证技术规格不打折扣的前提下，高集成度和小型化是可行的。AD5791属于全新系列的数模转换器，它的推出再一次证明了ADI公司在该市场的全球领导地位。