高性能模拟:利用高速信号链提高医学成像质量

2013-11-27 10:32 来源:电子信息网 作者:蒲公英

在一个器件中集成多个通道除具有体积优势以外,还拥有一些其他的好处。随着单个芯片中集成的有源和无源组件越来越多,功耗也同时得到降低。一般而言,所有组件的设计目的都是为了取得作为独立实体的自身功耗和性能平衡。为此,尽管它们的设计可能是为了互相配合工作,但是就系统而言,每一个组件的性能可能会高于需求。因此,当一起工作时,每一个组件往往都会改变功耗和性能平衡,让系统性能过高,带来过高的功耗。但是,在一个器件中集成多个级时,情况却并非如此。当设计多级 IC 时,设计人员可以对功耗进行分配,以便最为有效地满足设计要求,从而浪费极少的模块功耗。更新的 VGA 便是一个较好的例子。由于低噪声是超声波成像系统的关键,因此 LNA 功能是 VGA 设计的关键。其输入噪声决定系统的最小可达到噪声系数,而其增益又直接影响来自后面各级的噪声数量,从而影响最终的噪声系数(NF)。通过平衡和微调 LNA 级的功耗和性能关系,我们可以在提高 VGA 性能的同时获得低功耗设计。图 2 对此进行了较好描述。以前的多通道 VGA 通常依靠一条趋势线来平衡功耗和输入参考噪声。如果 1.2 输入等效噪声充分,则您可以使用一个每条通道仅消耗 75mW 的设计。或者,如果每条通道消耗 150mW 没有超过您的功耗预算,则您会拥有0.7 的输入等效噪声。但是,由于有较高效的低噪声双极结式晶体管 (BJT),因此 VCA8500 代 VGA 已能够对前端设计进行优化,从而获得仅为 63m /信道的 0.8 输入等效噪声,较好地控制在前代趋势线中。这让高性能成像系统能够使用更少的功耗,变得更小巧、更便携。

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图 2 选定 VGA 的噪声系数和性能对比关系

降低功耗

其他 ADC 部分也经历了同放大器类似的集成。目前的许多设计都拥有 8 条高速 ADC 通道以匹配 8 通道 VGA,并且具有 10 到 14 比特的精度和每秒 40 到 65 兆的采样速率 (MSPS)。通过集成诸如双数据速率低压差分信号摆动 (DDR LVDS) 等输出标准,这些八通道 ADC 还减少了每个 ADC 的输出引脚数目,从而让其可以适合于小尺寸封装。另外,串行化的数据格式减少了 ADC 和数字处理引擎之间的 I/O 线迹数量,当想要使用多个 8 通道 ADC 布局电路板时其为一种极为重要的特性。例如,8 个 12比特 ADC 会要求 96 个引脚和线迹以并行 CMOS 格式输出其数据。但是,如果每个 ADC 均使用一个串行化 LVDS 对,则只需 20 个引脚和线迹,ADC 使用 8个LVDS对,而帧和比特时钟则使用一对。

正如 VGA 一样,在典型的医疗成像应用中 ADC 也在没有影响其性能的情况下极大地降低了功耗。由于医疗成像应用带来的噪声和线性要求,高效放大器级通常为一些使用低噪声 BJT 的嵌入工艺,例如:硅锗 (SiGe) 工艺。这些工艺在 DC 到 20 MHz 一般响应频率下具有优异的低噪声、低功耗和高线性平衡性能。恰恰相反,医疗成像所需典型采样率的高速 ADC 一般使用 CMOS 工艺来制造,因为 65 MSPS 及以上的 10 到 14 比特精度转换器条件下这种技术具有较好的功耗和性能平衡性。

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ADC 医学成像 高速信号链 传感器阵列

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