Utforma en tillförlitlig och exakt operationsförstärkardrivkrets- och SAR ADC-kombination för medicinsk bildbehandling med precision

Medicinska bildbehandlingstillämpningar som magnetresonanskameror (MRI), ultraljudsskannrar och röntgenutrustning är beroende av ökande mängd precisionsdata, särskilt när enheter och system blir mer sammankopplade. Precisionen i dessa data beror dock på bra front-end-design för att hämta sensorsignalen samtidigt som instabilitet på grund av brus minimeras innan den avkända signalen omvandlas till den digitala domänen.

Stabilitetsproblemet åtgärdas delvis med en SAR-analog-till-digitalomvandlare (ADC) med differentialingång för att ge exakta digitala resultat för en given analog ingångssignal. Om däremot ingångssignalen signal är ostabil på grund av brus kan omvandlaren endast producera ingångssignalens brus tillförlitligt. Utmaningen är att säkerställa att det analoga systemets brus och operationsförstärkarens bandbredd kompletterar SAR ADC.

Den här artikeln diskuterar kort val av rätt kompletterande operationsförstärkare och högupplösta SAR ADC. Den introducerar därefter en SAR ADC och en heldifferentialförstärkare från Analog Devices och visar hur du kombinerar dem för att nå 16-bitars brusfaktor (SNR) och total harmonisk distorsionprestanda (THD).

Medicinska bildprestandakrav

Vid arbete med medicinsk bildbehandlingsutrustning har varje resultat stor betydelse för läkarens förmåga att utvärdera och föreskriva effektiv behandling. Oavsett om utrustningen är en magnetresonanskamera, ultraljudsskanner eller röntgenutrustning kan vägen från symptom till en välgrundad åtgärd inledas med utrustningens resultat och läkarens bedömning. Högpresterande medicinsk utrustning förbättrar bildkvaliteten och resultaten. En förbättring i utrustningens känslighet reducerar patientexponering, onödiga upprepade tester och förbättrar diagnosbildernas kvalitet.

På komponentnivå definierar utrustningens förstärkare, ADC:er och deras implementering den ultimate nivån av känslighet och bildkvalitet. Dessa system kräver 16-bitarsprestanda från analog-till-digital-omvandlingsprocessen för att säkerställa att bildkvaliteten hålls vid utmatningsnivån. Som en utgångspunkt för analoga och digitala system motsvarar den här 16-bitarsupplösningen en typisk systemprestanda >98 decibel (dB) SNR och < -107,5 THD.

SNR beskriver hur mycket brus som ligger på en signal. SNR exkluderar harmoniska signaler och DC. Den idealiska SNR-nivån för en SAR ADC-omvandlare med fullskalig sinusvåginmatning är (6,02 x n) +1,76 dB, där n är antalet omvandlarbitar. THD är rms-summan för de harmoniska komponenternas (trunkeringsstörningar) storlek vid en multipel av ingångssignalen, i förhållande till den ingående signaleffekten. Det här förhållandet anges i rms decibel (dB).

Nödvändig prestanda kan uppnås med Analog Devices ADA4945-1ACPZ-R2 operationsförstärkare och AD4003BCPZ-RL7 SAR ADC (figur 1). ADA4945-1ACPZ-R2 är en heldifferential, höghastighetsoperationsförstärkare med lågt brus i enhetsförstärkningskonfiguration. Det driver de högupplösta SAR ADC:erna effektivt. Den arbetar i ett brett strömförsörjningsområde (3 till 10 volt) och har låg offsetspänning samt lågt brus på 1,8 nanovolt per rothertz (nV√Hz) vid 100 kilohertz (kHz). AD4003BCPZ-RL7 är en 18-bitars, 2 megasample/sekund (MSPS) differentialingångs SAR ADC, med en typisk SNR på 100,5 dB, THD på -123 dB och integrerad icke-linjäritet (INL) på ±1,0 minst signifikanta bit (LSB).

Figur 1: Förenklad medicinsk bilddatahämtningskrets baserad på Analog Devices ADA4945-1ACPZ-R2 operationsförstärkare och en AD4003BCPZ-RL7 SAR ADC. (Bildkälla: Bonnie Baker)

Systembrusanalys

Ett grundläggande designmål för medicinska precisionssystem är att uppnå hög SNR. Metoden för att förbättra SNR är att både välja komponenter med lågt brus och att öka den fullskaliga signalamplituden (figur 2).

Figur 2: Enheterna för brusspecifikationer i den analoga domänen gäller tid och frekvens. Enheterna för brusspecifikationer i den digitala domänen dB. (Bildkälla: Bonnie Baker, baserat på material från Analog Devices)

I figur 1 är ADA4945-1-förstärkarens strömförsörjning tillräckligt bred för att säkerställa oförvriden rail-to-rail-utprestanda. AD4003 SAR ADC 5-voltsreferens täcker ingångsomfånget. Nyckeln till att välja rätt komponenter är att förstå den totala bruseffekten på signalkedjans komponenter.

Observera att de nedre diagrammen i figur 2 har andra enheter. I den analoga domänen är mätenheten för brus V/√Hz. Brus i den digitala domänen mäts i dB. Som visats skiljer sig brusspecifikationsenheterna i den analoga och digitala domänen

Operationsförstärkare brus

I den analoga domänen anges mätenheten för brus även som volts-rms för ett statistiskt medelvärde över en given bandbredd. Till exempel är differentialingångens spänningsbrus för ADA4945-1 5 nV/√Hz vid 5 Hz och 1,8 nV/√Hz vid 100 kHz (figur 3).

Figur 3: Jämförelsen mellan frekvens och ingångsspänningsbrus för ADA4945-1-förstärkaren visar förstärkarens 1/f och bredbandsbrusområden. (Bildkälla: Bonnie Baker, baserat på material från Analog Devices)

I figur 3 är utmaningen när det gäller de två brusområdena att kombinera dem till ett statistiskt brusgenomsnitt. Det nämnda ingående 1/f-områdets rms-brus kan räknas ut med ekvation 1:

Ekvation 1

Där C är förstärkarens brusdensitet vid 1 Hz, och f₁ och f₂ definierar bandbredden för 1/f-regionen. Normalt är f₁ lika med 0,1 Hz.

Vi sätter in siffrorna:

f₁ = 0,1 Hz

f₂ = 1 kHz

C = 19 nV/√Hz

rms-bruset för ADA4945-1 i 1/f-området är 57,66 nV rms

ADA4945-1:s bredband-rms-brus för ingången beräknas med ekvation 2:

Ekvation 2

Där e_n är det specificerade bruset vid en given frekvens i förstärkarens bredbandsområde och BW är bandbredden för bredbandsområdet.

Med:

e_n = 1,8 nV/√Hz

BW = 1 kHz till 4,42 megahertz (MHz) (Obs! Med 200 ohm (W), 180 pikofarad (pF) lågpassfilter mellan operationsförstärkaren och ADC)

rms-bruset i bredbandsområdet är 4,74 mikrovolt (mV) rms.

Den totala bruseffekten i ett system är lika med rotsumman i kvadrat (RSS) för bruseffekten från de enskilda komponentdelarna. Det totala refererade ingångsbruset för förstärkaren beräknas med ekvation 3:

Ekvation 3

Där G_AMP är lika med förstärkarens förstärkning.

Med G_AMP = 1, det totala refererade utgångs-rms-bruset från ADA4451 är 4,74 mV rms.

De analoga domänberäkningsenheterna för ekvation 1, 2 och 3 är spänning och frekvens. Den analoga spänningsomvandlingen till en dB-representation som SNR är lika med SNR_AMP, som visas i ekvation 4.

Ekvation 4

Där V_{OUT_RANGE} matchar SAR ADC ingående område.

Med:

V_{OUT_RANGE} = 9,5 volt

SNR_AMP från ADA4451-2, refererat till utgången, är +123 dB.

Förstärkardistorsion

ADA4945-1 tillverka med Analog Devices egna silikongermaniumbaserade (SiGe) kompletterande bipolära process som gör det möjligt för enheten att uppnå låga distorsionsnivåer.

Med ett ingående spänningsområde på -V_S till (+V_S – 1,3 volt) är den andra harmoniska distorsionen (HD2) lika med −133 decibel i förhållande till bärfrekvensen (dBc). HD2 och den tredje harmoniska distorsionen (HD3) är −140 dBc HD3 vid 1 kHz. Vid 100 kHz motsvarar HD2 −133 dBc och HD3 är −116 dBc.

SAR ADC-brus

Deriveringen av det ingångsrefererade bruset för en förstärkare kommer från tre frekvensmätpunkter (1 Hz och 100 kHz). Deriveringen av ett SAR-ADC-brusförhållande hämtas med en FFT RSS-beräkning och anges i dB.

Det idealiska SNR för en SAR ADC är lika med (N x 6,02 + 1,76) dB, där N är lika med antalet omvandlarbitar. ADA4003 SAR ADC specificeras som en 18-bitarsomvandlare, så den idealiska SNR för den här omvandlaren är lika med 110 dB. Som visas senare är den faktiska SNR för den här enheten lika med 100,3 dB.

Frekvensspektrum för SAR ADC:s FFT-mätning går från 0 till fs/2, där fs är lika med omvandlarnas samplingsfrekvens (figur 4).

Figur 4: ADA4003 FFT-dataplottning används för att beräkna en ADC:s SNR och THD. (Bildkälla: Bonnie Baker)

I figur 4 är den dominanta trunkeringsstörningen (A) omvandlarens ingångssignal. Linjen (B) visar utgångsbruset från omvandlaren som innefattar kvantisering och interna komponentbrus. Den sekundära trunkeringsstörningen (C), som verkar vara HD5, representerar den dominanta distorsionen på cirka -128 dB. Alla andra trunkeringsstörningen vars frekvenser är multipler av ingångssignalen (A) läggs ihop med en RSS-formel för att generera det totala THD-värdet.

Kombinera SNR och THD: SINAD

En prestandabeskrivning (FoM) att undersöka är SNR plus distorsion (SINAD, eller SNR+D). Den här termen kan även vara THD + brus. SINAD är den beräknade kombinationen av SNR och THD, eller förhållandet mellan rms-amplituden hos den fundamentala ingångssignalen till rms-summan för alla andra spektrumkomponenter under halva samplingsfrekvensen (exklusive DC). Teoretiskt minimum för SINAD är lika med det idealiska SNR, eller 6,02n + 1,76 dB med SAR och pipeline-omvandlare.

SINAD anges antingen i dBc när den absoluta effekten för fundamentalen används som referens, eller decibel i förhållande till full skala (dBFS) när fundamentalens effekt extrapoleras till omvandlarens fullskaliga område.

SINAD är en kritisk specifikation i konstruktioner för digitala oscilloskop/vågformsregistrerare, samt geofysisk bildbehandling, radar, sonar, spektrumanalys, videotelekommunikation samt bredbandsdigitalmottagartillämpningar.

Kombinerat brus och distorsion

Om vi går tillbaka till originaldesignen är systemkravet ett 16-bitarssystem. Den här 16-biarsupplösningen motsvarar en typisk systemprestanda på >98 dB SNR och < -107,5 THD.

Nu är det dags att kombinera alla SNR- och THD-förstärkare och SAR ADC-fel i en FoM. Förstärkaren och SAR ADC-bruset kombineras för att avgöra det totala systembruset med ekvation 5:

Ekvation 5

I ekvation 5 kan de två SNR-termerna med dB-enheter inte läggas samman. Förstärkaren och SAR ADC SNR-termer omvandlas till ett linjärt förhållande. När det här har slutförts läggs dessa termer ihop och ändras därefter tillbaka till decibel.

Förstärkaren och SAR ADC-distorsionen kombineras för att avgöra den totala systemdistorsionen med ekvation 6:

Ekvation 6

Systemets SNR kombineras med systemets THD med ekvation 7:

Ekvation 7

Med signalfrekvenserna 1 kHz och 10 kHz uppfyller de testade SNR och THD för kombinationen av ADA1945-1-förstärkaren som driver AD4003 SAR ADC de nödvändiga >98 dB SNR och < -107,5 THD (tabell 1).

Tabell 1: En sammanfattning av ADA4945-1 och AD4003 enligt figur 1. Vid 100 kHz kan ADA4945-1 hålla 16 bitars prestanda där AD4003 SNR och THD börjar försvagas. (Tabellkälla: Bonnie Baker)

Vid 100 kHz kan ADA4945-1 hålla 16 bitars prestanda där AD4003 SNR och THD börjar försvagas.

Slutsats

Kombinationen av en helt differentiell förstärkare och 18-bitars SAR ADC krävs för att skapa ett 16-bitarssystem med hög precision för magnetresonanskameror, ultraljudsskannrar och röntgensystem. För att uppnå den bästa övergripande prestandan är Analog Devices ADA4945-1 och AD4003 en bra matchning för en lösning med lågt brus och låg distorsion för medicinska instrumentationssystem.