各國政府都投入大量資金用于醫(yī)療保健研究和體系建設(shè)，以保障人民大眾的福祉,，確保身心健康。要求做到積極預(yù)防疾病,，而不是被動(dòng)應(yīng)對,，以及正確診斷一些病況。

　　在這種形勢下,，醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)正在發(fā)揮著重要作用,。借助圖像，醫(yī)生可以更細(xì)致地觀察病人,，無需通過手術(shù)就能了解疾病狀況,。此外，在開始手術(shù)之前,，圖像還能幫助外科醫(yī)生研究病例,。

　　如今有多種多樣的成像手段可供使用，如計(jì)算機(jī)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(diǎn)和缺點(diǎn),，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(dòng)態(tài)影像以便醫(yī)生核實(shí)或研究器官的活動(dòng)情況。某些手術(shù)中也會(huì)用到動(dòng)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(jìn)行成像,。對于上述各種醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，ADI公司都有相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)解決方案,。本文重點(diǎn)介紹一款針對磁共振成像(MRI)等高性能應(yīng)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(jìn)行MRI需要一個(gè)強(qiáng)大的均質(zhì)磁場,。磁場強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度，有時(shí)甚至達(dá)到7 T,。如此強(qiáng)的磁場由超導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì),，符合120 dB至140 dB的整體動(dòng)態(tài)范圍要求。由于我們感興趣的只是對人體的細(xì)小斷層進(jìn)行成像,，因此需要對該均質(zhì)磁場增加一個(gè)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(gè)斷層提供響應(yīng),。圖2顯示了一個(gè)MRI系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的梯度控制環(huán)路,。發(fā)送到梯度線圈的信號由一個(gè)輸出功率達(dá)數(shù)兆瓦的放大器產(chǎn)生。頻率范圍相當(dāng)?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(dòng)MRI系統(tǒng)梯度線圈所需的功率以兆瓦計(jì)。如果僅以16位精度驅(qū)動(dòng)一個(gè)2 MW放大器,，則1 LSB將相當(dāng)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(jì)得當(dāng),，20位DAC可以使系統(tǒng)性能達(dá)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(jì)一個(gè)超低噪聲的低頻系統(tǒng)，必需仔細(xì)檢查所用的器件,。濾波器會(huì)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(shí)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(yīng)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(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍,，該器件必須采用高電源電壓工作，因?yàn)殡娫措妷涸礁?，則越容易遠(yuǎn)離噪底,。這對AD5791來說不是一個(gè)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(gè)校準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)高線性度,，R2R電阻梯分為兩段。一個(gè)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(dòng)一個(gè)獨(dú)立的6位DAC,，它控制低14位的基準(zhǔn)電壓。這兩部分共同構(gòu)成一個(gè)性能出色的乘法DAC主體,。圖3顯示了該器件中實(shí)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(zhǔn)輸入電壓可在±10 V范圍內(nèi)選擇。由于基準(zhǔn)電壓范圍如此之寬,，因此LSB電平最高可以達(dá)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(dòng)線圈，響應(yīng)通過一個(gè)高性能接收通道進(jìn)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(gè)并聯(lián)的高分辨率DAC進(jìn)行設(shè)計(jì),，對DAC輸出求均值可以降低誤差并提高絕對性能,。AD5791在單個(gè)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(dá)到精度目標(biāo),。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(gè)放大器來最終驅(qū)動(dòng)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(huì)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(gè)絕不會(huì)引入這種低頻噪聲成分的電路。整個(gè)系統(tǒng)的最大容許低頻噪聲誤差的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)是0.1 x 所需的LSB電平,。對于這一特定應(yīng)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(gè)信號鏈的噪聲貢獻(xiàn)極小。使用AD8671作為DAC基準(zhǔn)輸入端的緩沖放大器和DAC輸出級的緩沖器時(shí),，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(xiàn)相加，得到的噪聲電平遠(yuǎn)低于所需最大電平2.0 µVp-p,。

　　該應(yīng)用的另一個(gè)重要特性是系統(tǒng)的漂移性能,。由于信號是在低頻進(jìn)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(huì)貢獻(xiàn)0.025 ppm/°C的額外輸出漂移,，導(dǎo)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(jìn)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(diǎn)是,，系統(tǒng)的精度不可能高于其基準(zhǔn)電壓的精度?，F(xiàn)已出現(xiàn)內(nèi)置烘箱的基準(zhǔn)電壓源，它可以保持溫度穩(wěn)定,，從而消除溫漂,。當(dāng)系統(tǒng)的終極目標(biāo)是最高性能時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮使用這種基準(zhǔn)電壓源,。圖5顯示了AD5791整個(gè)輸出級的電路圖,。

圖5. AD5791及所需的放大器

　　雖然本文重點(diǎn)討論MRI系統(tǒng)中用于實(shí)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(dòng)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(fèi)電子的市場需求推動(dòng),，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(yīng)用仍然追求高性能和創(chuàng)新技術(shù),。ADI公司通過高分辨率,、高性能20位DAC AD5791表明，在保證技術(shù)規(guī)格不打折扣的前提下，高集成度和小型化是可行的,。AD5791屬于全新系列的數(shù)模轉(zhuǎn)換器,，它的推出再一次證明了ADI公司在該市場的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。