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(lái)生成人體某一部位或器官的靜止圖像，也可以用來(lái)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(lái)監(jiān)視胎兒，可對(duì)器官以及心房、心室、血管中的血流情況成像。MRI則適合對(duì)軟組織進(jìn)行成像。對(duì)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(duì)磁共振成像(MRI)等高性能應(yīng)用而開(kāi)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(lái)檢測(cè)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(chǎng)。磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度，有時(shí)甚至達(dá)到7 T。如此強(qiáng)的磁場(chǎng)由超導(dǎo)線圈磁鐵產(chǎn)生，病人處于磁場(chǎng)中。圖1顯示了病人與MRI掃描儀線圈的位置關(guān)系。


對(duì)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(chǎng)方向平行或反平行，從而處于低能態(tài)或高能態(tài)。磁場(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(duì)人體的細(xì)小斷層進(jìn)行成像，因此需要對(duì)該均質(zhì)磁場(chǎng)增加一個(gè)梯度。



使用大線圈來(lái)傳輸這一梯度信號(hào)(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(hào)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)停虼似潢P(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(zhǎng)!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(hào)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(duì)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(hào)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(duì)AD5791來(lái)說(shuō)不是一個(gè)問(wèn)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(lái)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。