测试测量与医学成像领域的模拟技术趋势 解决方案, 电子技术, 系统集成, 电子市场, 分辨率

yuyang911220

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。
    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。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 都使用差分输入，因此需将信号从单端 (SE) 转换为差分(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。
图1  超声接收机结构图
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。
    以TI的VCA2611/6(图2)与ADS5271(图3)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)。VCA2611 是 VCA2616 的升级版本，其输入处可处理 －2.0V 负向输入峰值，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。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分输入与输出功能，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。


图2  VCA2611/6 功能结构图（二选一通道）
    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。
3.3V CMOS 技术实现了非常低的功耗，仅为 957mW，这为实现最高的系统集成密度留有余地。串行 LVDS（低电压差动信令）输出减少了接口线路数量，减小了封装尺寸，从而进一步提高了密度。
    ADS5271 可由内部或外部参照驱动，不过通过内部参照模式才能实现最佳性能与最简系统设计。该器件采用节约面积的散热增强型 PowerPAD、TQFP-80 封装。
由于 ADS5271 中的通道数量已经很高，因此该系列的未来产品将致力于提高采样率。这将通过过采样减少模拟滤波要求。


图3  ADS5271 功能结构图
测试测量：引脚电子技术
    我们将自动测试测量 (ATM) 设备用于测试通信系统、计算机、工业系统以及许多其他最终应用中使用的半导体器件。接受测试的器件包括模拟、数字、混合信号、逻辑以及存储器等。为了对这些器件进行测试，我们应生成信号，激活被测试器件(DUT) 并测量响应。用于此目的的电子技术一般称作“引脚电子技术”，而且通常包括以下功能：
以任意电平将格式化数字模型驱动到 DUT；
从 DUT 读取数字模型，并以任意阈值水平获取定时测量结果；
动态设置 DUT 输出端口的负载条件；
强制电压并测量电流，以及强制电流，测量电压。


我们通过以下组件来实现上述功能，图 4 所示为功能结构图。
DAC
数模转换器 (DAC) 生成模拟信号，其用于驱动被测试器件，并用于实现各种功能，如设置窗口比较器、PMU 以及有源负载水平等。12 位或 13 位的分辩率较常见，而未来产品则要求 16 位乃至更高的分辩率。由于可编程信号和电平数量较多，因此我们需要大量 DAC 来实现完整的测试解决方案。
驱动器
为了实现正确测试某些器件所需的电平，需要一个驱动器放大器。驱动器放大器必须能够提供相关电压并具备 DUT 所要求的输出驱动功能。驱动器输出必须为三态输出，这样它才不会干扰从 DUT 返回的信号的测量。
窗口比较器
窗口比较器用于测试是否成功通过。测试存储器就是一个很好的使用实例，这时将数据模式写入 DUT 并被读出。
参数测量单元
参数测量单元可提供强制电压、强制电流以及测量电压与电流测量等功能。它可用于持续性测试，进行电压、输入电流以及漏电流测量。功能组合如下：
强制电压／测量电流 (FVMI)；
强制电流／测量电压 (FIMV)；
强制电压／测量电压 (FVMV)；
强制电流／测量电流 (FIMI)；
无强制／测量电压 (FNMV)。
有源负载
有源负载可用于提供 DUT 负载。通过 DAC 输入可对源极与汲极电流进行编程。
温度传感器
我们还包括了可提供温度信息的温度传感器。
图4  引脚电子技术功能结构图
引脚电子技术的未来趋势
    到目前为止，引脚电子技术执行功能时需要彼此差异很大的技术--一种技术用于高速电路，而另一种技术则用于高精度直流 (DC) 电路，而且我们还要求采用不同的技术处理混合信号（如 DAC）功能。
    尽管某些功能已经集成到了一起，而且目前也已经提供，但大多数解决方案都要求两到三颗芯片才能完全实现测试头。为了降低成本、提高功能引脚功能，并增加相同测试头数量下的引脚数量，我们应当进行功能集成，外部组件必须最小化，而且还应充分挖掘有关架构方面的改进。图 5 显示了我们所建议的一种引脚电子技术器件，其在同一芯片上集成了上述所有功能。
    未来，这种芯片将用于减小测试解决方案的尺寸和成本，而这也将相应降低被测试器件的制造成本，此外，由于复杂性降低，这顺便也实现了提高可靠性的优势。


图5  集成的引脚电子技术
工艺技术实现了更高的集成度
    有四种制造工艺可实现测试测量与医学成像领域更高的集成度，它们是：CBC-10、C05、BiCom II 以及 BiCom III。
CBC-10
    TI 采用 CBC-10 工艺制造 VCA2611／6，这是一种 10V 互补双极晶体管模拟工艺，具备用于数字功能的 CMOS。
    CBC 二极晶体管的特征尺寸仅为 1 _m (drawn)，CMOS 电路的密度为 0.8 _m，是一种领先的工艺，为 NPN 以及 PNP 晶体管分别提供了 10GHz 和 7GHz 的截止频率。它还具备 80V 的典型尔利电压。此外，除了核心互补高速双极器件之外，其还采用了模块化方法来添加肖特基二极管、JFET 晶体管、高热能无源器件以及亚微米 CMOS 作为可选模块。
    该工艺实现了高质量、低噪声的 JFET 晶体管，其可实现出色的高阻抗输入级。该工艺还具备可微调的薄膜电阻器以及高精度电容器，实现最小的寄生效应以及最佳的线性和跟踪性能。高精度电阻器与电容器实现的线性为每伏特数 ppm。举例来说，高精度电容器的线性比可为 5 ppm／V，电压系数为 10 至 50ppm／V。这就能够实现噪声与失真性能方面的显著提升。该工艺还为高密度 CMOS 电路提供了额外的隔离，提供了隔离构建电路的分开场所 (separate tub)。这对混合信号设计而言是至关重要的，因为这能够最小化串扰并改善精度，以及提高模拟电路的速度。这样，我们就实现了更高的精确度、更高的增益以及更快速的模拟电路。总而言之，CBC-10 工艺实现了数字控制、粘接逻辑以及与微控制器与 DSP 相连的接口。除了能在 ±5V 上运行高性能模拟与混合信号电路之外，CBC 还采用 0_5 V 的 CMOS 接口。