现在有多种多样的成像手法可供运用，如计算机断层扫描、X射线、超声和磁共振等。各种体系都有其长处和缺陷，既能够用来生成人体某一部位或器官的静止图画，也能够用来生成动态印象以便医师核实或研讨器官的活动状况。某些手术中也会用到动态印象。
不同体系的成像才能也存在不同。X射线技能十分合适用于确诊骨骼疾病。超声运用声波来监督胎儿，可对器官以及心房、心室、血管中的血流状况成像。MRI则合适对软安排进行成像。关于上述各种医学成像体系，ADI公司都有相应的专业技能解决方案。本文要点介绍一款针对磁共振成像(MRI)等高功用运用而开发的新式高分辨率DAC。
磁共振成像
MRI首要用于发生人体内部的高质量图画，能够用来检测疾病，以及区别肿瘤与正常安排。人体的70%是脂肪和水，这两种物质均包含氢原子。MRI运用氢原子的磁性成像。
进行MRI需求一个强壮的均质磁场。磁场强度的单位为特斯拉(T)。1特斯拉等于10,000高斯，地球的磁场强度约为0.5高斯。现在的MRI体系运用1.5 T到3 T的磁场强度，有时乃至到达7 T。如此强的磁场由超导线圈磁铁发生，患者处于磁场中。图1显现了患者与MRI扫描仪线圈的方位联系。
图1. 患者与MRI线圈的方位联系
关于1.5T体系，所施加的频率约为64 MHz，3T体系则为128 MHz。这将导致人体内部的质子自旋，与磁场方向平行或反平行，然后处于低能态或高能态。磁场强度越高，则这两种自旋状况的能量差越大。移除所施加的磁场之后，质子转发磁能，所转发的磁能由接纳线圈或天线进行丈量。这些天线选用活络的前置放大器、增益模块和高分辨率ADC进行规划，契合120 dB至140 dB的全体动态规模要求。因为咱们感兴趣的仅仅对人体的细微断层进行成像，因而需求对该均质磁场添加一个梯度。
图2. 高分辨率梯度操控环路
运用大线圈来传输这一梯度信号(磁化矢量)，以便从咱们感兴趣的单个断层供给呼应。图2显现了一个MRI体系中完成的梯度操控环路。发送到梯度线圈的信号由一个输出功率达数兆瓦的放大器发生。频率规模适当低，因而其要害要求是安稳、高线性度和低漂移。这正是20位DAC AD5791具有的特性。为什么用20位DAC?
如上所述，驱动MRI体系梯度线圈所需的功率以兆瓦计。假如仅以16位精度驱动一个2 MW放大器，则1 LSB将适当于最低30 W的步长!这便是需求运用更高分辨率DAC的原因。假如规划妥当，20位DAC能够使体系功用到达2 W/LSB的精度水平。
梯度信号的频率仅有数百Hz，因而高安稳度、低短期漂移和低噪声关于满意全体要求是必需的。要规划一个超低噪声的低频体系，必需仔细检查所用的器材。滤波器会添加噪声和相移，因而所选的信号链器材必需能够在挨近DC的低频频段完成杰出的直流功用和低噪声。AD5791兼具高分辨率、高安稳度和低噪声特性，可谓这种运用的不贰之选。
近观AD5791
AD5791是一款单通道、20位、电压输出型DAC。为完成高动态规模，该器材有必要选用高电源电压作业，因为电源电压越高，则越简单远离噪底。这对AD5791来说不是一个问题，其电源电压VDD的规模是7.5 V至16.5 V，VCC的规模是–7.5 V至–16.5 V。
该DAC的架构由一个校准的电压形式R2R梯形网络组成。用于构建转换器内核的薄膜电阻能够供给超卓的匹配才能和安稳度。为完成高线性度，R2R电阻梯分为两段。一个14位R2R梯形网络发生低14位(S0至S13)。20位数字码的其他高6位用来驱动一个独立的6位DAC，它操控低14位的基准电压。这两部分一起构成一个功用超卓的乘法DAC主体。图3显现了该器材中完成的R2R梯形结构。
图3. AD5791中运用的R2R电阻梯主体
基准输入电压可在±10 V规模内挑选。因为基准电压规模如此之宽，因而LSB电平最高能够到达20 micro;V。这有助于转换器坚持20位(1ppm)的积分和微分非线性(INL和DNL)，如图4a/b所示。
图4a. AD5791积分非线性 ±0.6LSB
图4b. AD5791微分非线性 ±0.5LSB
除了超卓的线性度功用外，其它重要特性包含：7.5nV/?Hz的电压噪声密度、0.6micro;Vp-p噪声(0.1 Hz至10 Hz频率规模)和0.05ppm/°C的温度安稳性。MRI环路还需求考虑什么?
在MRI梯度操控体系中，以高精度驱动线圈，呼应经过一个高功用接纳通道进行丈量。一般，环路的最弱部分决议体系的终究功用。曾经的体系选用多个并联的高分辨率DAC进行规划，对DAC输出求均值能够下降差错并进步肯定功用。AD5791在单个器材中供给高精度1 ppm DAC功用，因而无需运用其它技巧来到达精度方针。但是，DAC不是信号链中的仅有器材，因而有必要留意环路中的其它器材。
DAC供给无缓冲的电压输出，DAC电阻为3.4kΩ。电阻梯的约翰逊噪声是7.5nV/?Hz电压噪声密度的首要部分。为了缓冲DAC输出，需求一个放大器来终究驱动体系中梯度放大器的高压功率级。高频噪声很简单经过RC滤波器消除，但滤除低频噪声(一般用0.1 Hz至10 Hz的1/f噪声表明)必然会影响体系的直流功用。最大程度地消除低频噪声的最有用办法是运用一个绝不会引进这种低频噪声成分的电路。整个体系的最大容许低频噪声差错的辅导标准是0.1 x 所需的LSB电平。关于这一特定运用，根据20micro;V的LSB电平，最大差错为2 micro;Vp-p。最合适的放大器是AD8671，它是OP27/37的后续版别，1/f噪声十分超卓，仅有77 nVp-p，对整个信号链的噪声奉献极小。运用AD8671作为DAC基准输入端的缓冲放大器和DAC输出级的缓冲器时，体系仅添加220nVp-p的噪声。这一数值与DAC的0.8micro;Vp-p噪声奉献相加，得到的噪声电平远低于所需最大电平2.0 micro;Vp-p。
该运用的另一个重要特性是体系的漂移功用。因为信号是在低频进行丈量和操控，因而漂移被视为低频噪声。单通道AD8671和双通道AD8672也是引荐运用的放大器，能够将漂移功用坚持在所需规模内。单通道AD8671的最大温漂为0.5 micro;V/°C，这会奉献0.025 ppm/°C的额定输出漂移，导致终究的总漂移为0.125 ppm/°C。双通道放大器AD8672的温漂略有添加，原因是封装的散热条件不同以及功耗更大。假如需求进行额定的增益调整，主张运用低温漂金属箔电阻。最终但很重要的一点是，体系的精度不可能高于其基准电压的精度。现已呈现内置烘箱的基准电压源，它能够坚持温度安稳，然后消除温漂。当体系的终极方针是最高功用时，应当考虑运用这种基准电压源。图5显现了AD5791整个输出级的电路图。.
图5. AD5791及所需的放大器
尽管本文要点评论MRI体系中用于完成梯度操控的高分辨率输出级，但该环路中的ADC信号链关于满意全体功用要求也相同重要。ADI公司供给一系列兼具高功用与高输出数据速率的24位Σ-Δ型转换器。AD5791的配套芯片是AD776x系列，其输出数据速率规模是312kSPS至2.5MSPS，动态功用挨近120 dB，与DAC输出相得益彰。
总结
下降电源电压、功耗、缩小封装尺度是芯片职业的大势所趋，这首要受消费电子的市场需求推进，便携式和电池供电体系都要求小尺度和低功耗。这一趋势与需求的增加相结合，迫使芯片制造商不得不考虑将资源投向何处。但如本文所述，也有破例。医疗保健、工业、军事和航空航天运用依然寻求高功用和立异技能。
