测试测量与医学成像领域的模拟技术趋势

架构领域的系统集成及发展是未来电子市场成功的关键。实现成功的主要目标包括:使产品外型更小、功能更多、功耗更低,并且成本也更低。未来的集成解决方案将以当今的分离式解决方案为开发基础。制造商利用工艺技术推动市场发展,向市场提供集成度更高的产品,在缩小尺寸、降低功耗及成本、提高可靠性的同时提高性能。

成功的路上充满挑战,特别是在测试测量与医学成像应用领域尤其如此。上述领域涉及高精尖技术,因此要求采用速度最快、分辨率最高的电子技术,才能设计出独树一帜的未来产品。数字电子技术的发展正在推动相关领域的进步,而模拟电子技术也同样重要。

在测试测量与医学成像应用领域,数字电子技术通常在软件和/或固件控制下执行多种复杂功能。数字以二进制为基础,也就是说信号只有两种状态,非"开"即"关",非"真"即"假",非"0"即"1",等等。

现实世界的信号(如声和光等)是持续的,我们需采用模拟信号处理技术来应对" 真实"的环境。用模拟电子技术通过感应器进行信号采样并带动传感器。

我们可将数模转换器 (dac) 与模数转换器 (adc) 等混合信号产品用于实现模拟和数字之间的连接。尽管这些器件搭建了数字与模拟间的桥梁,但我们仍将其视为模拟元件。

本文将给出测试测量与医学成像应用领域的实例,并讨论未来的发展趋势。

医学成像:超声

图 1 给出了超声通道的结构图(未给出发送器的细节)。通常来说,接收机与发送器共用同一变送器。发送器将向变送器发送高振幅脉冲。这时将开关设置为接收机输入,以便检测回声或从病人处反回信号。

我们提供钳位,以确保接收通道不因发送器的高幅度信号而饱和。低噪声放大器(lna) 用于放大返回信号,并设置接收机的噪声系数。

随着信号深入人体组织,它会逐渐减弱,而返回信号则随着时间的流逝而要求更高的增益,以保持可接受的 adc 水平。因此,lna 随后还要加上时间增益放大器,该放大器编程后可补偿信号的衰减。

信号的带宽受低通滤波器 (lpf) 限制,能够降低通道内噪声,并达到防止信号混淆的目的。由于大多数高速的高精度 adc 都使用差动输入,因此需将信号从单端 (se) 转换为差动 (diff)。信号随后转换为数字形式,在数字域进行进一步处理。在超声中形成的波束使用多个通道来构成图像。高性能系统中使用的通道超过 128个。新一代系统的通道数量还将继续增加,达到 1024 个。

超声的未来趋势

为了降低超声设备的成本并提高性能,我们应当对其功能进行集成。通常集成的第一步就是将多种部件集成在一个封装中,并借助先进的架构进行性能提升。因此,多通道系统不是用单个部件就可以实现的,而是通过多种部件的集成来实现,它们可使尺寸更小、功耗及成本更低、可靠性更高。

下列结构图以 ti 的 vca2611/6 与 ads5271 为例,将多个放大器与 adc 封装在一起。这些元件可用于实施以上所示大多数模拟信号的调节工作。

vca2611/6 包含两个低噪声前置放大器 (lnp) 以及低噪声可变增益放大器 (vga)。下面给出了功能结构图。vca2611 是 vca2616 的升级版本,其输入处可处理 -2.0v 负向输入峰值 (negative going input spike),在低噪声前置放大器之前实现较慢的廉价输入钳位二极管 (vca2616 只能处理 -0.3v 的峰值)。在某些设计中,我们甚至不需要输入钳位。

vca2611/6 集成了有源终端 (at) 作为其架构的一部分。我们通过有源终端可实现低输入阻抗,与传统的分路终端 (shunt termination) 相比,改善了 4.6db 的噪声指数。我们也可改变终结值以适应不同的信号源。有源终端结合最大增益选择 (mgs) 可为我们实现最佳的噪声性能。

低噪声前置放大器具备差动输入与输出功能,可设置实现 5db、17db、22db 或25db 的增益。低噪声前置放大器的输出可用于外部信号处理,如低通滤波。

可变增益通过模拟电压进行控制,其增益可在 0db 到最大增益选择寄存器设置的增益值之间变动。用户能够对可变增益进行编程,使动态范围最优化。vca 输入可从低噪声前置放大器转换到外接电路,以适应不同的应用。将低噪声、增益以及增益范围的可编程性相结合,能够使 vca2611/6 在许多应用中都成为一种功能丰富的构建块,因为对于这些应用来说噪声特性至关重要。

未来的 vca2611/6 系列产品将实现更高的性能与功能,从而推动所用元件数量的减少。

ads5271 是一款高性能、12 位、50msps 的 8 通道并行模数转换器 (adc)。ads5271 在 20mhz 上具备 70.5dbfs(典型)的 snr 以及 82dbc(典型)的sfdr。

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计