Diseñe una combinación confiable y precisa de controlador de amplificador operacional y ADC SAR para imágenes médicas de precisión

Las aplicaciones de imágenes médicas, como resonancias magnéticas, escáneres de ultrasonido y equipos de rayos X, dependen de cantidades crecientes de datos precisos, particularmente a medida que los dispositivos y sistemas se conectan más. Sin embargo, la precisión de los datos depende de un buen diseño front-end para adquirir la señal del sensor y minimizar la inestabilidad debido al ruido antes de que la señal detectada se convierta al dominio digital.

El problema de la estabilidad se aborda en parte utilizando una entrada diferencial, un convertidor de analógico a digital (ADC) de registro de aproximación sucesiva (SAR) para proporcionar resultados digitales precisos para una señal de entrada analógica dada. Sin embargo, si la señal de entrada es inestable debido al ruido, el convertidor solo puede producir de manera confiable el ruido de la señal de entrada. El desafío es garantizar que el ruido del sistema analógico y el ancho de banda del amplificador operacional (op amp) complementen el ADC SAR.

Este artículo analiza brevemente la selección adecuada del amplificador operacional complementario y del ADC SAR de alta resolución. Luego, presentará un ADC SAR y un amplificador completamente diferencial de Analog Devices y mostrará cómo combinarlos para alcanzar una relación señal/ruido (SNR) de 16 bits y un rendimiento de distorsión armónica total (THD).

Requisitos de rendimiento de imágenes médicas

Cuando se trabaja con equipos médicos de imágenes, cada resultado de salida tiene un impacto importante en la capacidad del médico para evaluar y prescribir tratamientos eficaces. Ya sea que el equipo médico consista en una imagen por resonancia magnética (MRI), un escáner de ultrasonido o una unidad de rayos X, un viaje desde los síntomas hasta una medida razonable puede originarse con los resultados del equipo y la evaluación del médico. El equipo médico de alto rendimiento mejora la calidad de la imagen y los resultados de salida. Una mejora en la sensibilidad del equipo reduce la exposición del paciente y las pruebas repetitivas innecesarias, y perfecciona la calidad de la imagen de diagnóstico.

A nivel de componente, los amplificadores, los ADC y su implementación del equipo definen el nivel máximo de sensibilidad y calidad de imagen. Estos sistemas requieren un rendimiento de 16 bits del proceso de conversión de analógico a digital para garantizar que la calidad de la imagen se mantenga en el nivel de salida. Como punto de partida para sistemas analógicos y digitales, esta resolución de 16 bits se traduce en un rendimiento típico del sistema de >98 decibelios (dB) SNR y <-107.5 THD.

La SNR describe la cantidad de ruido que circula por encima de una señal. Excluye señales armónicas y corriente continua (DC). La SNR ideal para un convertidor ADC SAR con una entrada de onda sinusoidal a escala completa es (6.02 x n) +1.76 dB, donde n es el número de bits del convertidor. La THD es la suma rms de las potencias de los componentes armónicos en un múltiplo de la señal de entrada, en relación con la potencia de la señal de entrada. Esta relación se especifica en decibelios (dB) rms.

El rendimiento requerido se puede lograr utilizando el amplificador operacional ADA4945-1ACPZ-R2 y el ADC SAR AD4003BCPZ-RL7 de Analog Devices (Figura 1). El ADA4945-1ACPZ-R2 es un amplificador operacional de alta velocidad, totalmente diferencial y de bajo ruido en una configuración de ganancia unitaria. Esto impulsa eficazmente los ADC SAR de alta resolución. Funciona en un amplio rango de suministro de energía (3 a 10 voltios) y tiene un voltaje de compensación bajo, así como un bajo ruido de 1.8 nanovoltios por hercio de la raíz (nV√Hz) a 100 kilohercios (kHz). El AD4003BCPZ-RL7 es un ADC SAR de entrada diferencial de 18 bits, 2 megamuestras/segundo (MSPS), con una SNR típica igual a 100.5 dB, una THD de -123 dB y una no linealidad integral (INL) de ±1.0 bit menos significativo (LSB).

Figura 1: Circuito de adquisición de datos de imágenes médicas simplificado basado en el amplificador operacional ADA4945-1ACPZ-R2 y un ADC SAR AD4003BCPZ-RL7 de Analog Devices. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

Análisis de ruido del sistema

Un objetivo de diseño clave para sistemas médicos de precisión es lograr una alta SNR. La forma de mejorar la SNR es seleccionar componentes de bajo ruido y aumentar la amplitud de la señal a gran escala (Figura 2).

Figura 2: Las unidades para las especificaciones de ruido en el dominio analógico están en términos de tiempo y frecuencia. Las unidades para las especificaciones de ruido en el dominio digital están en términos de dB. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker, con material de Analog Devices)

En la Figura 1, la fuente de alimentación del amplificador ADA4945-1 es lo suficientemente amplia como para garantizar un rendimiento de salida de riel a riel sin distorsiones. La referencia de 5 voltios del ADC SAR AD4003 cubre el rango de entrada. La clave para elegir los componentes correctos es comprender la potencia de ruido total de los componentes de la cadena de señal.

Tenga en cuenta que los diagramas inferiores de la Figura 2 tienen unidades diferentes. En el dominio analógico, las unidades de medida del ruido son V/√Hz. El ruido en el dominio digital se mide en dB. Como se muestra, las unidades de especificación de ruido entre el dominio analógico y digital difieren.

Ruido del amplificador operacional

En el dominio analógico, las unidades de medida para el ruido también se dan como voltios-rms para una media estadística a través de un ancho de banda dado. Por ejemplo, el ruido de voltaje de entrada diferencial del ADA4945-1 es 5 nV/√Hz a 5 Hz y 1.8 nV/√Hz a 100 kHz (Figura 3).

Figura 3: La frecuencia vs. el diagrama de ruido de voltaje de entrada del amplificador ADA4945-1 que muestra 1/f y las regiones de ruido de banda ancha del amplificador. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker, con material de Analog Devices)

En la Figura 3, el desafío con respecto a las dos regiones de ruido es combinarlas en un promedio estadístico de ruido. El ruido rms de la región 1/f referido a la entrada se puede encontrar usando la Ecuación 1:

 Ecuación 1

Donde C es la densidad de ruido del amplificador a 1 Hz, y f₁ y f₂ definen el ancho de banda de la región 1/f. Típicamente, f₁ es igual a 0.1 Hz.

Expresado en números:

f₁ = 0.1 Hz

f₂ = 1 kHz

C = 19 nV/√Hz

El ruido rms del ADA4945-1 en la región 1/f es de 57.66 nV rms

El ruido rms de banda ancha del ADA4945-1 referido a la entrada se calcula usando la Ecuación 2:

 Ecuación 2

Donde e_n es el ruido especificado a una frecuencia dada en la región de banda ancha del amplificador y BW es el ancho de banda de la región de banda ancha.

Con:

e_n = 1.8 nV/√Hz

BW = 1 kHz a 4.42 megahercios (MHz) (Nota: Con 200 ohm [W], filtro de paso bajo de 180 picofaradios [pF] entre el amplificador operacional y el ADC)

El ruido rms en la región de banda ancha es de 4.74 microvoltios (mV) rms.

La potencia de ruido total presente en cualquier sistema es igual a la suma de la raíz cuadrada (RSS) de la potencia de ruido aportada por sus partes componentes individuales. El ruido total del amplificador referido a la entrada se calcula utilizando la Ecuación 3:

 Ecuación 3

Donde G_AMP es igual a la ganancia del amplificador.

Con G_AMP = 1, el ruido rms total referido a la salida del ADA4451 es de 4.74 mV rms.

Las unidades de cálculo del dominio analógico para las Ecuaciones 1, 2 y 3 son voltios y frecuencia. La conversión de voltaje analógico a una representación en dB como SNR es igual a SNR_AMP, como se muestra en la Ecuación 4.

 Ecuación 4

Donde V_{VALOR FUERA DEL RANGO} coincide con el rango de entrada ADC SAR.

Con:

V_{VALOR FUERA DEL RANGO} = 9.5 voltios

La SNR_AMP del ADA4451-2, referido a su salida, es de +123 dB.

Distorsión del amplificador

El ADA4945-1 se fabrica utilizando el proceso bipolar complementario de germanio de silicio (SiGe) patentado de Analog Devices, lo que permite que el dispositivo alcance bajos niveles de distorsión.

Con un rango de voltaje de entrada de -V_S a (+V_S – 1.3 voltios), la segunda distorsión armónica (HD2) es igual a −133 decibelios en relación con la frecuencia portadora (dBc). HD2 y la tercera distorsión armónica (HD3) es –140 dBc HD3 a 1 kHz. A 100 kHz, HD2 es igual a –133 dBc y HD3 es –116 dBc.

Ruido del ADC SAR

La derivación del ruido referido de entrada para un amplificador proviene de dos puntos de medición de frecuencia (1 Hz y 100 kHz). La derivación de una relación señal-ruido ADC-SAR se obtiene usando un cálculo de la RSS mediante la transformada rápida de Fourier (FFT) y se da en dB.

La SNR ideal de un ADC SAR es igual a (N x 6.02 + 1.76) dB, donde N es igual al número de bits del convertidor. El ADC SAR ADA4003 se especifica como un convertidor de 18 bits, por lo que la SNR ideal de este convertidor es igual a 110 dB. Sin embargo, como se muestra más adelante, la SNR real de este dispositivo es igual a 100.3 dB.

El espectro de frecuencia de la medición FFT del ADC SAR abarca de 0 a fs/2, donde fs es igual a la frecuencia de muestreo de los convertidores (Figura 4).

Figura 4: El diagrama de datos FFT del ADA4003 se utiliza para calcular la SNR y THD de un ADC. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

En la Figura 4, la espuria dominante (A) es la señal de entrada del convertidor. La línea (B) muestra el ruido de salida del convertidor que incluye el ruido de cuantización y de los componentes internos. La espuria secundaria (C), que parece ser HD5, representa la distorsión dominante a aproximadamente -128 dB. Todas las demás espurias cuyas frecuencias son múltiplos de la señal de entrada (A) se suman junto con una fórmula de RSS para generar el valor total de la THD.

Combinación SNR y THD: SINAD

Una figura de mérito (FoM) para explorar es la SNR más la distorsión (SINAD o SNR + D). Este término también puede ser THD + ruido. La distorsión y señal-ruido (SINAD) es la combinación calculada de SNR y THD, o la relación entre la amplitud rms de la señal de entrada fundamental y la suma rms de todos los demás componentes espectrales por debajo de la mitad de la frecuencia de muestreo (excluyendo la DC). El mínimo teórico para la SINAD es igual a la SNR ideal, o 6.02n + 1.76 dB, con convertidores SAR y de tubería.

La SINAD se da en dBc cuando la potencia absoluta del fundamental se usa como referencia o en decibelios en relación con la escala completa (dBFS) cuando la potencia del fundamental se extrapola al rango de escala completa del convertidor.

La SINAD es una especificación crítica en diseños para osciloscopios digitales/grabadores de formas de onda, así como para procesamiento de imágenes geofísicas, radar, sonar, análisis de espectro, telecomunicaciones por video y aplicaciones de receptor digital de banda ancha.

Ruido y distorsión combinados

Volviendo al diseño original, el requisito del sistema es para un sistema de 16 bits. Esta resolución de 16 bits se traduce en un rendimiento típico del sistema de >98 dB SNR y <-107.5 THD.

Ahora es el momento de combinar todos los errores del amplificador SNR y THD y del ADC SAR en una FoM. El ruido del amplificador y del ADC SAR se combina para determinar el ruido total del sistema utilizando la Ecuación 5:

 Ecuación 5

En la Ecuación 5, los dos términos SNR con unidades de dB no se pueden sumar. Los términos amplificador y SAR ADC SNR se convierten a una relación lineal. Una vez que se completa, estos términos se suman y luego se vuelven a cambiar a decibelios.

La distorsión del amplificador y del ADC SAR se combina para determinar la distorsión total del sistema utilizando la Ecuación 6:

 Ecuación 6

La SNR del sistema se combina con la THD del sistema utilizando la Ecuación 7:

 Ecuación 7

A frecuencias de señal de 1 kHz y 10 kHz, la SNR y la THD probadas para la combinación del amplificador ADA1945-1 que acciona el ADC SAR AD4003 cumplen con el requerido >98 dB SNR y <-107.5 THD (Tabla 1).

Tabla 1: Un resumen de ADA4945-1 y AD4003 según la Figura 1. A 100 kHz, el ADA4945-1 es capaz de mantener un rendimiento de 16 bits, donde la SNR y THD del AD4003 comienzan a degradarse. (Fuente de la tabla: Bonnie Baker)

A 100 kHz, el ADA4945-1 es capaz de mantener un rendimiento de 16 bits, donde la SNR y THD del AD4003 comienzan a degradarse.

Conclusión

Se requiere la combinación de un amplificador totalmente diferencial y un ADC SAR de 18 bits para crear un sistema de 16 bits de alta precisión para las MRI, los escáneres de ultrasonido y los sistemas de rayos X. Para ofrecer el mejor rendimiento general, el ADA4945-1 y AD4003 de Analog Devices son una buena combinación para una solución de bajo ruido y baja distorsión para sistemas de instrumentación médica.