如今有多種多樣的成像手段可供使用，如計算機斷層掃描、X射線、超聲和磁共振等。各種系統都有其優點和缺點，既可以用來生成人體某一部位或器官的靜止圖像，也可以用來生成動態影像以便醫生核實或研究器官的活動情況。某些手術中也會用到動態影像。

不同系統的成像能力也存在差別。X射線技術非常適合用于診斷骨骼疾病。超聲利用聲波來監視胎兒，可對器官以及心房、心室、血管中的血流情況成像。MRI則適合對軟組織進行成像。對于上述各種醫學成像系統，ADI公司都有相應的專業技術解決方案。本文重點介紹一款針對磁共振成像(MRI)等高性能應用而開發的新型高分辨率DAC。

磁共振成像

MRI主要用于產生人體內部的高質量圖像，可以用來檢測疾病，以及區分腫瘤與正常組織。人體的70%是脂肪和水，這兩種物質均包含氫原子。MRI利用氫原子的磁性成像。

進行MRI需要一個強大的均質磁場。磁場強度的單位為特斯拉(T)。1特斯拉等于10,000高斯，地球的磁場強度約為0.5高斯。目前的MRI系統使用1.5 T到3 T的磁場強度，有時甚至達到7 T。如此強的磁場由超導線圈磁鐵產生，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系。


對于1.5T系統，所施加的頻率約為64 MHz，3T系統則為128 MHz。這將導致人體內部的質子自旋，與磁場方向平行或反平行，從而處于低能態或高能態。磁場強度越高，則這兩種自旋狀態的能量差越大。移除所施加的磁場之后，質子轉發磁能，所轉發的磁能由接收線圈或天線進行測量。這些天線采用靈敏的前置放大器、增益模塊和高分辨率ADC進行設計，符合120 dB至140 dB的整體動態范圍要求。由于我們感興趣的只是對人體的細小斷層進行成像，因此需要對該均質磁場增加一個梯度。



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斷層提供響應。圖2顯示了一個MRI系統中實現的梯度控制環路。發送到梯度線圈的信號由一個輸出功率達數兆瓦的放大器產生。頻率范圍相當低，因此其關鍵要求是穩定、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，驅動MRI系統梯度線圈所需的功率以兆瓦計。如果僅以16位精度驅動一個2 MW放大器，則1 LSB將相當于最低30 W的步長!這就是需要使用更高分辨率DAC的原因。如果設計得當，20位DAC可以使系統性能達到2 W/LSB的精度水平。

梯度信號的頻率僅有數百Hz，因此高穩定度、低短期漂移和低噪聲對于滿足整體要求是必需的。要設計一個超低噪聲的低頻系統，必需仔細檢查所用的器件。濾波器會增加噪聲和相移，因此所選的信號鏈器件必需能夠在接近DC的低頻頻段實現良好的直流性能和低噪聲。AD5791兼具高分辨率、高穩定度和低噪聲特性，堪稱這種應用的不二之選。

近觀AD5791

AD5791是一款單通道、20位、電壓輸出型DAC。為實現高動態范圍，該器件必須采用高電源電壓工作，因為電源電壓越高，則越容易遠離噪底。這對AD5791來說不是一個問題，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的架構由一個校準的電壓模式R2R梯形網絡組成。用于構建轉換器內核的薄膜電阻能夠提供出色的匹配能力和穩定度。為實現高線性度，R2R電阻梯分為兩段。一個14位R2R梯形網絡產生低14位(S0至S13)。20位數字碼的其余高6位用來驅動一個獨立的6位DAC，它控制低14位的基準電壓。這兩部分共同構成一個性能出色的乘法DAC主體。