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選擇低雜訊電壓參考以提升 X 光影像解析度

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德州儀器新聞稿 發表於 2024年5月14日
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圖、選擇低雜訊電壓參考以提升 X 光影像解析度


提升 X 光影像解析度的最有效方法之一,就是透過精心設計的資料擷取部分來減少前端的雜訊。在資料擷取電路中使用低雜訊串聯電壓參考,是可降低雜訊並進而提升影像解析度的設計選擇之一。

本文將展示如何選擇如 REF54 REF70 等低雜訊電壓參考,以提升最終 X 光影像解析度。(為了區分自訂積體電路和 X 光系統前端,任何提及「前端」之處均指包含自訂積體電路、電壓參考和其他裝置之 X 光系統部分,而任何使用「類比前端 (AFE)」之處則指自訂積體電路。)


X 光成像作業和系統設計概述
在 X 光系統中,AFE 會接收從 X 光面板產生的訊號。AFE 為經過特別設計的積體電路,前端的資料擷取作業即在此進行。X 光系統包含多個 AFE,其設計可供在均使用常用電壓參考的多個 X 光系統中使用。


圖1、X 光系統前端的簡化原理圖

AFE使用電荷求和放大器,將來自 X 光面板的電荷轉換為電壓。此電壓隨後會饋入將類比訊號提供至類比轉數位轉換器(ADC)的多工器。AFE 中的 ADC 使用外部精密電壓參考,以提供準確的資料轉換。

在前端獲得數位訊號後,數位減影放射攝影即可協助提升影像品質。數位減影放射攝影會比較患者的掃描以及沒有患者的掃描,藉此去除影像缺陷。由於前述兩個影像是在極短的時段內拍攝,因此可將溫度變化降至最低;畢竟 X 光系統處於溫度受控的環境中。不過,數位減影放射攝影的程序也可補償因前端任何微小溫度變化所造成的影像差異。

為 X 光系統實作低雜訊電路的設計挑戰
前端存在任何雜訊 – 包括在精密電壓參考與 AFE 中存在任何雜訊,都會傳播至所有通道,並且會降低最終影像解析度,導致影像品質不佳。

選擇具備超低雜訊
外部精密電壓參考,而非內部電壓參考,有助於提升影像解析度並減少所拍攝X 光數量, 進而降低病患與醫療專業人員暴露風險,以及減少醫療照護成本。

表 1 定義了一些應考慮的電壓參考參數。

表 1. 重要電壓參考參數

參數

說明

閃爍雜訊

存在從 0.1Hz 至 10Hz 的雜訊

輸出電壓雜訊

存在從 10Hz 至 1kHz 的雜訊

溫度漂移

輸出電壓如何隨溫度變化

 

視數位轉類比轉換器或 ADC的位元數或有效位元數 (ENOB) 而定,表 1 中的參數可能會直接影響電路的增益誤差及訊號雜訊比 (SNR)。在 X 光系統中,較高的增益誤差意味著影像品質下降。此外,電壓參考的閃爍雜訊會影響ADC的SNR。

方程式 1和方程式 2顯示 ADC 中的雜訊及 SNR:

方程式 1可看出隨著電壓參考的雜訊降低,總 ADC 雜訊也會降低。檢視方程式 2則可看出電壓參考雜訊降低會導致 ADC的SNR 增加。較高的SNR 會讓 ENOB 提高,這是提升系統解析度必需的要素。因此,電壓參考雜訊必須遠低於 ADC 雜訊。

在許多情況下,選擇如 TI的REF70 或 REF54 等外部電壓參考,即可改善 ADC的SNR。具備低雜訊的精密電壓參考是不可或缺的考量。 表 2 列出了 REF70 和 REF54 系列電壓參考的參數。

表 2. REF70 與 REF54 系列電壓參考參數

參數

REF70

REF54

閃爍雜訊

0.23ppmp-p

0.45ppmp-p

0.11ppmp-p,具備雜訊降低電容器

輸出電壓雜訊

0.35ppmrms

0.7ppmrms

溫度漂移

2ppm/°C

0.8ppm/°C


透過選擇如 REF70 或 REF54 等低雜訊精密電壓參考來降低類比前端中的雜訊,即可提高 ADC的SNR,進而提升 X 光系統的影像解析度。
 

結論
提高 X 光影像的品質可改善人們獲得醫療照護。有鑑於 X 光成像技術的廣泛使用,此領域存在許多推動技術進步的機會。

設計 X 光系統時,最終目標是產生最佳影像。雖然可達到此目標的方式很多,但最重要的是為 X 光系統前端設計選擇最佳的電壓參考。此外,擁有低雜訊電路設計也極為重要。選擇如 REF54 或 REF70 等低雜訊電壓參考,有助於提升影像解析度與整體影像品質。(1358字;圖1)

 

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