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简介
数字X射线 (DXR)、磁共振成像和其他医疗设备要求数据收集体系具有小型、高功用、低功耗等特性，以满意竞赛市场上医师、患者和制造商的需求。本文展现一款高精度、低功耗信号链，可处理多通道运用（如数字X射线，需多路复用多通道的大信号和小信号丈量）以及过采样运用（如MRI，要求低噪声、高动态规模和宽带宽）带来的应战。高吞吐速率、低噪声、高线性度、低功耗以及小尺度使18位、5 MSPS PulSAR® 差分ADCAD7960成为这些高功用成像运用以及其他精细数据收集体系的抱负挑选。
数字X射线
人类于1895年经过胶片或闪耀屏检测的方法，初次发现了X射线。从此，人们便将这项技能用于各种医疗确诊场合，包含肿瘤科、牙科以及兽医学，以及许多工业成像运用。数字X射线能以固态传感器替代胶片检测器，包含平板探测器和线性扫描探测器。平板探测器运用两种技能：直接转化与直接转化。在直接转化中，硒光电池组成容性元件，直接将高频X射线光子转化为电流信号。而在直接转化中，碘化铯闪耀计数器首先将X射线光子转化为可见光，然后硅光电二极管阵列将可见光转化为电流信号。每个光电二极管代表一个像素。低噪声模仿前端将来自每个像素的小电流转化为大电压，然后再将电压转化为图画处理器可以处理的数据。如图1所示的典型DXR体系能以高采样速率，将许多通道多路复用至单ADC，而不会献身精度。
今日，数字X射线探测器制造商一般选用直接转化。一百万像素以上的非晶硅平板探测器或光电二极管阵列捕获光子能量，将输出多路复用至12个或24个ADC。这项技能具有高效的X射线光子吸收和高性噪比，以一半的X射线照耀量实时取得动态高分辨率图画。每像素的采样速率较低，数值从针对骨头和牙齿的几Hz，到获取婴儿心脏（人体内速度最快的器官）图画所需的最高120 Hz。
丈量数字放射查看探测器的图画质量即可知其功用好坏，因而对X射线束进行准确收集和精细处理便显得尤为重要。数字放射查看具有更大的动态规模、高收集速度和帧速率，并选用特定的图画处理技能以坚持一致性，然后增强图画质量。
医疗成像体系有必要供给质量更佳的图画，以完成准确确诊和更短的扫描时刻，下降患者所受X射线的照耀量。高端放射查看体系（动态收集）一般用于外科中心和手术室中，而根本体系用于急诊室、小型医院或医师办公室中。工业成像体系有必要经用，由于它们的运用寿命十分长，而且或许坐落高射线照耀量的恶劣环境中。安保或行李查看运用可选用较低的X射线照耀量，由于X射线源会在长时刻内继续存在。
MRI梯度操控
如图2所示的MRI体系最合适大脑成像运用，或用于骨科、血管造影和血管研讨等，由于该体系可扫描供给软安排的高对比度图画，无需将其暴露在电离辐射下。MRI作业频段为1 MHz至100 MHz RF，而计算机断层扫描 (CT) 和DXR作业在1016 Hz至1018 Hz频率规模内，而且需求让患者暴露在电路辐射下，会危害活安排。
MRI操控体系具有很小的容差，因而需求高功用元件。在MRI体系中，运用大线圈创立1.5 T至3 T主磁场。高电压（最高1000 V）施加于线圈，构成高达1000 A的所需电流。MRI体系运用梯度操控，并经过改动特定线圈内的电流，线性改动主磁场。对这些梯度线圈进行快速且准确的调制，改动主磁场，使其对准体内极小的方位。梯度操控运用RF能量，激起人体安排中某个较薄的横截面，以此发生x、y和z轴图画。MRI要求快速呼应时刻，而且要求其梯度准确操控到1 mA内 (1 ppm)。MRI体系制造商可选用模仿或数字域操控梯度。MRI体系的规划具有极长的开发时刻、极高的物料本钱等特色，而且与全体硬件和软件复杂性相关的危险极大。
高功用数据收集信号链
图3显现高精度、低噪声、18位数据收集信号链，供给±0.8 LSB积分非线性 (INL)、±0.5 LSB差分非线性 (DNL) 以及99 dB信噪比 (SNR)。图4显现其选用5 V基准电压源时的典型FFT和线性度功用。该信号链的总功耗约为345 mW，与竞赛型处理方案比较约低50%。
这类高速、多通道数据收集体系可用于CT、DXR以及其他医疗成像运用中，这些运用都要求在不献身精度的前提下供给更高的采样速率。该体系的18位线性度以及低噪声功用可提高图画质量，而其5 MSPS吞吐速率可缩短扫描周期（每秒帧数更高），下降暴露在X射线下的剂量，供给准确的医疗确诊和更佳的患者体会。对多个通道进行多路复用处理可取得分辨率更高的图画，用于器官（如心脏）的完好剖析，完本钱钱合理的确诊，并最大程度下降功耗。精度、本钱、功耗、尺度、复杂性以及可靠性对医疗设备制造商而言极为重要。
在CT扫描仪中，每通道运用一个采样坚持电路捕获接连像素电流，并将输出多路复用至高速ADC。高吞吐速率答应将许多像素多路复用至单个ADC，可节约本钱、空间与功耗。低噪声和杰出的线性度供给高质量的图画。高分辨率红外摄像机可从该分辨率中获益。
过采样是以比奈奎斯特频率高得多的速率来对输入信号进行采样的进程。过采样用于光谱剖析、MRI、气相色谱剖析、血液剖析以及其他需求具有宽动态规模的医疗仪器中，以便准确监控并丈量多通道的小信号与大信号。高分辨率和高精度、低噪声、快速改写速率以及极低的输出漂移等功用可大幅简化MRI体系的规划，下降开发本钱与危险。
MRI体系的要害要求是在医院或医师办公室中可重复、长时刻安稳地丈量。为了取得更佳的图片质量，这些体系还要求具有更高等级的线性度以及高动态规模 (DR)，规模从直流到几十kHz。原则上讲，对ADC进行4倍过采样可额定供给1位分辨率，或添加6 dB的DR。由过采样而取得的DR改进为：ΔDR = log2 (OSR) × 3 dB。许多情况下，Σ-Δ型ADC可以很好地完成过采样，但要求在通道间完成快速切换或要求进行准确直流丈量时，过采样会受到限制。选用逐次迫临型 (SAR) ADC进行过采样还可改进抗混叠功用，下降噪声。
最先进的ADC架构
CT、DXR和其他多通道运用（或光谱仪、MRI和其他过采样运用）中的精细高速数据收集体系要求运用最先进的ADC。如图5所示，18位、5 MSPS PulSAR差分ADC AD7960选用容性数模转化器 (CAPDAC) 供给一流的噪声和线性度功用，而且无推迟或流水线推迟。该器材具有宽带宽、高精度 (100 dB DR) 以及快速采样 (200 ns) 功用，可用于医疗成像运用，极大下降多通道运用的功耗和本钱。该器材选用小型 (5 mm × 5 mm)、易于运用的32引脚LFCSP封装，额定作业温度为–40°C至+85°C工业温度规模。16位AD7961与AD7960引脚兼容，可用于仅需16位功用的运用中。
如图6所示，容性DAC由差分18位二进制加权电容阵列（该阵列还可作为采样电容运用，收集模仿输入信号）、比较器以及操控逻辑组成。采样阶段完毕后，转化操控输入 (CNV±) 变为高电平，输入IN+和IN−之间的差分电压被捕获，转化阶段开端。电容阵列中的每一个元件在GND和REF之间逐次切换，电荷被重新分配，输入与DAC值进行比较，且位依据成果予以保存或丢掉。该进程完毕时，操控逻辑发生ADC输出代码。AD7960将于开端转化后约100 ns时回来采样形式。采样时刻约为总周期的50%，这使AD7960易于驱动，一起放宽了ADC驱动器的树立时刻要求。
TAD7960系列选用1.8 V和5 V电源供电，以自时钟形式转化时的功耗仅为39 mW (5 MSPS)。功耗随采样速率线性改变，如图7所示。
极低采样速率下的功耗主要由LVDS静态功率所决议。比较业界速度第二的18位SAR ADC器材，AD7960的速度要快两倍，功耗低70%，占位面积小50%。
AD7960供给3种外部基准电压选项：2.048 V、4.096 V和5 V。片内缓冲器使2.048 V基准电压翻倍，因而转化等效于4.096 V或5 V。
数字接口选用低电压差分信号 (LVDS)，具有自时钟形式和回波时钟形式，供给ADC和主机处理器之间的高速数据传输（高达300 MHz）。由于多个器材可同享时钟，因而LVDS接口下降了数字信号的数量，简化了信号路由。它还能下降功耗，这在多路复用运用中尤为有用。自时钟形式运用主机处理器简化接口，答应接头选用简略时序同步每次转化的数据。若要让数字主机收集数据输出，则需求用到接头，由于数据不存在时钟输出同步。回波时钟形式供给安稳的时序，但要运用一对额定的差分对。输出数据速率低于20 kSPS,时，AD7960的典型动态规模超越120 dB，如图8所示。
ADC驱动器
ADC的采样时刻决议ADC驱动器的树立时刻要求。表1显现挑选ADC驱动器时有必要考虑的一些标准。一般，信号链功用应当在作业台上进行验证，保证取得所需功用。
表1. AD7960 ADC驱动器选型基准
| ADC驱动器标准 | 通用公式 | 最低装备要求 |
| 带宽(f-3dB_amp) |
 |
40 MHz |
| 压摆率 |
 |
100 V/µs |
| 树立时刻 | 来自数据手册 | 100 ns |
| SNR |
 |
105.5 dB |
| 请注意 N = 18, tacq = 100 ns, Vrms_in2 = 52/2 = 12.5 V2, en_amp = 2 nV/√Hz, f–3dB_ADC = 28 MHz. |
||
运算放大器的数据手册一般供给线性树立时刻与压摆时刻相结合的树立时刻标准；本文供给的公式为一阶近似，假定线性树立和压摆均为50%（多路复用运用），选用5 V单端输入。
轨到轨放大器ADA4899-1具有600 MHz带宽、–117-dBc失真（1 MHz时）以及1 nV/√Hz噪声，如图9所示。装备为单位增益缓冲器并以5 V差分信号驱动AD7960的输入时，其0.1%树立时刻不超越50 ns。
基准电压源与缓冲器
低噪声、低功耗轨到轨放大器AD8031缓冲来自基准电压源ADR4550的5 V输出，具有高精度（±0.02%最大初始差错）、低漂移（2 ppm/°C最大值）、低噪声 (1 μV p-p) 以及低功耗（950 μA最大值）特性。第二个AD8031缓冲ADC的2.5 V共模输出电压。其低输出阻抗可坚持安稳的基准电压，与ADC输入电压无关，然后最大程度下降INL。AD8031具有大容性负载安稳性，可驱动去耦电容，以便最大程度下降瞬态电流引起的尖峰。该器材合适从宽带电池供电体系到低功耗、高速、高密度体系的各种运用。
定论
选用ADI专利技能的高精度、低功耗信号链供给一流的速度、噪声和线性度功用，可以处理DXR和MRI梯度操控中高功用多路复用和过采样数据收集体系的难题。高功用信号链元器材选用小尺度封装，节约空间，下降了多通道运用的本钱。
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