生物醫(yī)學(xué)成像數(shù)字化設(shè)計思考

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1引言

多通道輻射成像探測器已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中，探測器的輸出信號經(jīng)過多通道的前端模擬讀出電路處理，然后被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)字化后進(jìn)行圖像重建［1］．模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog－to－digitalConverter，ADC）將前端讀出電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，ADC的性能直接決定了生物醫(yī)學(xué)成像的質(zhì)量．在多通道前端電子系統(tǒng)中，一般有三種方案實(shí)現(xiàn)信號由模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換．首先，使用多個并行的ADC后接一個數(shù)字多路選擇器的結(jié)構(gòu)［2］．這種方法中，采用低速或中速的ADC如逐次逼近型（SAR）ADC就能滿足要求，但是由于每個通道配置一個ADC，將占用很大的面積，而且消耗較大的功耗．其次，采用多通道的ADC結(jié)構(gòu)［3］．常見的結(jié)構(gòu)如斜坡（Ramp）ADC，但是這種結(jié)構(gòu)對比較器的精度要求很高，而且需要高頻采樣時鐘，另外通道之間也存在串?dāng)_的影響．第三種方案是采用一個模擬多路選擇器和一個高速ADC實(shí)現(xiàn)［4］．ADC可采用快閃式（Flash）或流水線式（Pipeline）結(jié)構(gòu)．快閃式ADC因其消耗較大功耗而不適合高分辨率的情況．流水線ADC把整體上要求的轉(zhuǎn)換精度平均分配到每一級，降低了對模擬電路精度的要求，同時流水線結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換速率幾乎與級數(shù)無關(guān)，因此能夠在速度、功耗和分辨率方面獲得最優(yōu)的折衷［5－7］．基于以上分析，本文采用模擬多路選擇器＋流水線ADC結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多通道前端電子系統(tǒng)中模擬到數(shù)字的高速轉(zhuǎn)換．

2設(shè)計與分析

根據(jù)生物醫(yī)學(xué)成像前端電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及信號處理的要求，本文提出了多通道流水線結(jié)構(gòu)的前端電子系統(tǒng)．圖1所示為多通道前端電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及信號處理時序．如圖1（a）所示，探測器模組通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生16通道的微弱電荷信號，經(jīng)過前端讀出電路的放大及整形，在一個時間窗口（5．12μs）內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓輸出．模數(shù)轉(zhuǎn)換器在一個時間窗口內(nèi)完成16通道的模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換．圖1（b）所示為前端電子系統(tǒng)的信號處理時序，探測器信號的模擬讀出、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸出分別在三個相鄰的時間窗口內(nèi)依次流水式完成，有效降低了對電路速度的要求，提高了系統(tǒng)處理效率。基于以上分析，本文提出的多通道流水線ADC結(jié)構(gòu)如圖2所示．Vin＜0＞、Vin＜1＞、…Vin＜15＞為16個通道的模擬讀出信號，經(jīng)過輸入處理電路后分別得到一對差分模擬信號Vinp、Vinn．流水線ADC完成模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，輸出8－bit數(shù)字信號Din＜7：0＞．輸出處理模塊緩存該數(shù)據(jù)，并在下一個時間窗口內(nèi)輸出．輸入處理電路完成16個通道的模擬信號的多路選擇，并將其轉(zhuǎn)換成差分信號．流水線ADC采用8－bit25Ms／s每級1．5bit的PipelineADC結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換．輸出處理電路處理并緩存當(dāng)前時間窗口的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并在下個時間窗口輸出．時序控制模塊完成整個模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的時序控制，產(chǎn)生16路信號選擇的開關(guān)信號、流水線ADC的時鐘信號以及用于數(shù)據(jù)存儲并輸出的控制信號．多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作時序如圖3所示．tw（＝5．12μs）為一個時間窗口；tc0（＝0．2μs）為通道0轉(zhuǎn)換時間；tc15（＝0．2μs）為通道15轉(zhuǎn)換時間；tc（＝0．8μs）為16個通道總的轉(zhuǎn)換時間；ts（＝0．64μs）為轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存儲的時間；to（＝0．64μs）為數(shù)據(jù)輸出時間．D0、D1…D15為當(dāng)前窗口轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)；D0’、D1’…D15’為上個時間窗口轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，在當(dāng)前窗口輸出．根據(jù)系統(tǒng)要求，一個時間窗口定義為5．12μs．外部輸入時鐘Clk＿50M為50MHz，系統(tǒng)內(nèi)部時鐘Clk＿25M為25MHz，它是將Clk＿50M二分頻后得到的．當(dāng)窗口復(fù)位信號（Window）變?yōu)楦唠娖胶螅娐烽_始工作，SW＜0＞產(chǎn)生40ns的高脈沖，選通通道0的模擬信號，接著SW＜1＞產(chǎn)生40ns的高脈沖，選通通道1的模擬信號……．每隔一個時鐘周期（40ns），一個模擬信號進(jìn)入流水線ADC，當(dāng)通道1的模擬信號轉(zhuǎn)換完畢后，每隔一個時鐘周期（40ns）輸出一路8－bit數(shù)據(jù)．?dāng)?shù)據(jù)串行進(jìn)入寄存器Wi（i＝0，1…15），然后并行進(jìn)入寄存器Ri（i＝0，1，…，15），等待下個時間窗口輸出．時間窗口復(fù)位結(jié)束后，在時鐘Clk＿out（25MHz）的控制下，寄存器R＜0：15＞中存儲的上個時間窗口轉(zhuǎn)化得到的數(shù)據(jù)串行輸出．

3電路實(shí)現(xiàn)

3．1輸入處理電路

輸入處理電路如圖4所示．虛線左邊為16通道模擬多路選擇器電路，時序控制電路生成控制信號SW＜15：0＞，SW＜15：0＞信號同一時刻只有一個為高電平．當(dāng)SW＜i＞為高電平時，Vin＜i＞通道的開關(guān)閉合，第i通道的模擬信號連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其余通道懸空．開關(guān)采用CMOS傳輸門實(shí)現(xiàn)，要求導(dǎo)通電阻?。谠O(shè)計CMOS開關(guān)時要選擇合理的K值，即滿足（W／L）p＝K＊（W／L）n，使得開關(guān)導(dǎo)通電阻在輸入電壓擺幅內(nèi)變化最?。ㄟ^對CMOS傳輸門導(dǎo)通電阻在不同尺寸時的仿真，確定當(dāng)K＝4．2時，導(dǎo)通電阻變化最小．

3．2流水線轉(zhuǎn)換電路

本文提出的數(shù)字化結(jié)構(gòu)要求在一個時間窗口（即5．12μs）內(nèi)實(shí)現(xiàn)16個通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換．根據(jù)系統(tǒng)對信號轉(zhuǎn)換分辨率的要求，文中采用8－bit25Ms／s的pipelineADC結(jié)構(gòu)．由圖3可知，完成16通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換所需時間為0．8μs，考慮窗口復(fù)位所需時間，總的時間小于1μs，完全滿足窗口大小的要求．另外，由于所需轉(zhuǎn)換時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個時間窗口，因此該結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展到更多通道應(yīng)用．流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示．Vip、Vin為差分輸入信號，Clk為25MHz采樣時鐘，S1、S2為兩相不交疊時鐘，D＜7∶0＞為轉(zhuǎn)換后的最終數(shù)字輸出．在基于閉環(huán)運(yùn)算放大器的開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)中，單級有效位數(shù)少使得電路的反饋因子較大，并且流水級中運(yùn)放的負(fù)載較小，運(yùn)放的增益與帶寬要求減小，可容忍的失調(diào)電壓范圍變大，比較器精度要求降低．在文獻(xiàn)［8］中提到，對于分辨率小于10bit的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，流水級一般采用較低的有效位數(shù)（小于2～3bit）．因此，本文采用單級1．5bit的流水線結(jié)構(gòu)．8－bit25Ms／s的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對運(yùn)放的增益和帶寬要求不高，同時差分結(jié)構(gòu)可使信號擺幅增加一倍，因此運(yùn)放采用典型的全差分套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)．由于比較器是在采樣階段結(jié)束后開始工作，比較結(jié)果用于保持放大階段，因此需要一個高速比較器．本文比較器電路采用動態(tài)鎖存比較器結(jié)構(gòu)，鎖存控制信號為采樣信號取反．通過Hspice仿真，比較器完成比較所需時間約為900ps．流水級電路輸出的比較數(shù)據(jù)為溫度計碼格式，傳統(tǒng)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在進(jìn)行數(shù)字校正之前需要使用碼制轉(zhuǎn)換電路先將溫度計碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼．本文的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路通過改變數(shù)字校正電路輸入的順序，使得溫度計碼直接可以進(jìn)行數(shù)字校正．

3．3時序控制和輸出處理電路

時序控制電路和輸出處理電路遵循數(shù)字電路設(shè)計流程，采用Verilog－HDL語言描述．時序控制電路主要實(shí)現(xiàn)三個功能：（1）產(chǎn)生控制16通道模擬開關(guān)的SW信號，這可以通過具有17個狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)；（2）控制轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)存儲，由于pipelineADC從開始轉(zhuǎn)換到得到第一個數(shù)據(jù)所需時間是固定的，并且一個時鐘周期輸出一個數(shù)據(jù)，因此可以采用計數(shù)器產(chǎn)生控制信號；（3）控制所存儲數(shù)據(jù)的輸出，采用計數(shù)器產(chǎn)生控制信號．輸出處理電路主要實(shí)現(xiàn)兩個功能：1）存儲pipe－lineADC轉(zhuǎn)換后的16個通道的數(shù)據(jù)；（2）在下一個時間窗口順序輸出16組的8－bit數(shù)據(jù)．本文采用的存儲與輸出策略如圖6所示．當(dāng)存儲控制信號en＿w有效，在clk＿write的上跳沿將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)Din＜7：0＞串行寫入寄存器W0，W1．…．W15，然后通過Ri寄存器的B輸入端并行寫入寄存器R0，R1，…，R15．在下一個時間窗口，寄存器W0，W1，…，W15又存儲新的數(shù)據(jù)，寄存器R0，R1，…，R15則在clk＿read的上跳沿串行輸出所存儲的數(shù)據(jù)．

4仿真驗(yàn)證

本設(shè)計遵循數(shù)?；旌想娐贰爸虚g相遇”的Top－down設(shè)計方法，采用TSMC0．18μmmixedsignalCMOS工藝，模擬部分（包括輸入處理電路和流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換電路）的電源電壓為3．3V，數(shù)字部分（包括時序控制和輸出處理電路）的電源電壓為1．8V，運(yùn)用SpectreVerilog仿真工具，進(jìn)行了全電路的仿真驗(yàn)證．仿真結(jié)果表明在第一個時間窗口復(fù)位結(jié)束后，16通道的單端模擬信號依次通過模擬多路選擇器→單端轉(zhuǎn)差分→流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器→存儲與輸出；在第二個時間窗口復(fù)位結(jié)束后順序輸出前一時間窗口存儲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)．同時，下一組16通道的單端模擬信號進(jìn)行單端轉(zhuǎn)差分、模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲．全電路仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計方案完全可以滿足特定時間窗口下16通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換．16通道的模擬多路選擇及單端轉(zhuǎn)差分處理如圖7所示（以通道0和通道1為例）．SW＜0＞、SW＜1＞分別為通道0和通道1的開關(guān)控制信號；Vin－put為模擬多路選擇器的輸出；Vip、Vin為產(chǎn)生的差分信號，共模電壓為1．8V；S1為流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣信號，高電平有效．SW＜i＞提前采樣信號S1半個時鐘周期有效，當(dāng)S1有效時，差分信號Vip、Vin已達(dá)到穩(wěn)定，從而保證正確的模數(shù)轉(zhuǎn)換．流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能仿真如圖8所示（輸入正弦信號頻率為1．0375MHz，幅度為±0．5V，采樣頻率為25．6MHz）．由仿真結(jié)果計算可得，DNL為－0．62～0．67LSB，INL為－0．39～0．72LSB，SNR為45．99dB，SFDR為40．57dB，ENOB為6．03bit．

5結(jié)束語

本文設(shè)計了一個應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像前端電子系統(tǒng)的多通道流水線數(shù)字化電路．在分析成像前端電子系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了流水式的前端模擬信號處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出結(jié)構(gòu)，并完成了模擬多路選擇、單端轉(zhuǎn)差分、流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲與輸出等模塊的電路實(shí)現(xiàn)和仿真．流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的性能滿足8－bit25Ms／s的性能要求，全電路仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計的電路滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，并具有進(jìn)一步擴(kuò)展通道數(shù)的能力。