測試測量與醫學成像領域的模擬技術趨勢

2005年2月A

    架構領域的系統集成及發展是未來電子市場成功的關鍵。實現成功的主要目標包括：使產品外型更小、功能更多、功耗更低，并且成本也更低。未來的集成解決方案將以當今的分離式解決方案為開發基礎。制造商利用工藝技術推動市場發展，向市場提供集成度更高的產品，在縮小尺寸、降低功耗及成本、提高可靠性的同時提高性能。
成功的路上充滿挑戰，特別是在測試測量與醫學成像應用領域尤其如此。上述領域涉及高精尖技術，因此要求采用速度最快、分辨率最高的電子技術，才能設計出獨樹一幟的未來產品。數字電子技術的發展正在推動相關領域的進步，而模擬電子技術也同樣重要。
    在測試測量與醫學成像應用領域，數字電子技術通常在軟件和／或固件控制下執行多種復雜功能。
    現實世界的信號（如聲和光等）是持續的，我們需采用模擬信號處理技術來應對" 真實"的環境。用模擬電子技術通過感應器進行信號采樣并帶動傳感器。
    我們可將數模轉換器 (DAC) 與模數轉換器 (ADC) 等混合信號產品用于實現模擬和數字之間的連接。盡管這些器件搭建了數字與模擬間的橋梁，但我們仍將其視為模擬元件。
本文將給出測試測量與醫學成像應用領域的實例，并討論未來的發展趨勢。

醫學成像：超聲
    圖 1 給出了超聲通道的結構圖。通常來說，接收機與發送器共用同一變送器。發送器將向變送器發送高振幅脈沖。這時將開關設置為接收機輸入，以便檢測回聲或從病人處反  回信號。
    我們提供鉗位，以確保接收通道不因發送器的高幅度信號而飽和。低噪聲放大器(LNA) 用于放大返回信號，并設置接收機的噪聲系數。
    隨著信號深入人體組織，它會逐漸減弱，而返回信號則隨著時間的流逝而要求更高的增益，以保持可接受的 ADC 水平。因此，LNA 隨后還要加上時間增益放大器，該放大器編程后可補償信號的衰減。
    信號的帶寬受低通濾波器 (LPF) 限制，能夠降低通道內噪聲，并達到防止信號混淆的目的。由于大多數高速的高精度 ADC 都使用差分輸入，因此需將信號從單端 (SE) 轉換為差分(Diff)。信號隨后轉換為數字形式，在數字域進行進一步處理。
在超聲中形成的波束使用多個通道來構成圖像。高性能系統中使用的通道超過 128個。新一代系統的通道數量還將繼續增加，達到 1024 個。
圖1  超聲接收機結構圖

超聲的未來趨勢
    為了降低超聲設備的成本并提高性能，我們應當對其功能進行集成。通常集成的第一步就是將多種部件集成在一個封裝中，并借助先進的架構進行性能提升。因此，多通道系統不是用單個部件就可以實現的，而是通過多種部件的集成來實現，它們可使尺寸更小、功耗及成本更低、可靠性更高。
    以TI的VCA2611/6(圖2)與ADS5271(圖3)為例，將多個放大器與 ADC 封裝在一起。這些元件可用于實施以上所示大多數模擬信號的調節工作。
    VCA2611／6 包含兩個低噪聲前置放大器 (LNP) 以及低噪聲可變增益放大器 (VGA)。VCA2611 是 VCA2616 的升級版本，其輸入處可處理 －2.0V 負向輸入峰值，在低噪聲前置放大器之前實現較慢的廉價輸入鉗位二極管 (VCA2616 只能處理 -0.3V 的峰值)。在某些設計中，我們甚至不需要輸入鉗位。
    VCA2611／6 集成了有源終端 (AT) 作為其架構的一部分。通過有源終端可實現低輸入阻抗，與傳統的分路終端 (shunt termination) 相比，改善了 4.6dB 的噪聲指數。我們也可改變終結值以適應不同的信號源。有源終端結合最大增益選擇 (MGS) 可為我們實現最佳的噪聲性能。
    低噪聲前置放大器具備差分輸入與輸出功能，可設置實現 5dB、17dB、22dB 或25dB 的增益。低噪聲前置放大器的輸出可用于外部信號處理，如低通濾波。
    可變增益通過模擬電壓進行控制，其增益可在 0dB 到最大增益選擇寄存器設置的增益值之間變動。用戶能夠對可變增益進行編程，使動態范圍最優化。VCA 輸入可從低噪聲前置放大器轉換到外接電路，以適應不同的應用。將低噪聲、增益以及增益范圍的可編程性相結合，能夠使 VCA2611／6 在許多應用中都成為一種功能豐富的構建塊，因為對于這些應用來說噪聲特性至關重要。
    未來的 VCA2611／6 系列產品將實現更高的性能與功能，從而推動所用元件數量的減少。

圖2  VCA2611/6 功能結構圖（二選一通道）
    ADS5271 是一款高性能、12 位、50MSPS 的 8 通道并行模數轉換器 (ADC)。ADS5271 在 20MHz 上具備 70.5dBFS（典型）的 SNR 以及 82dBc（典型）的SFDR。
3.3V CMOS 技術實現了非常低的功耗，僅為 957mW，這為實現最高的系統集成密度留有余地。串行 LVDS（低電壓差動信令）輸出減少了接口線路數量，減小了封裝尺寸，從而進一步提高了密度。
    ADS5271 可由內部或外部參照驅動，不過通過內部參照模式才能實現最佳性能與最簡系統設計。該器件采用節約面積的散熱增強型 PowerPAD、TQFP-80 封裝。
由于 ADS5271 中的通道數量已經很高，因此該系列的未來產品將致力于提高采樣率。這將通過過采樣減少模擬濾波要求。

圖3  ADS5271 功能結構圖

測試測量：引腳電子技術
    我們將自動測試測量 (ATM) 設備用于測試通信系統、計算機、工業系統以及許多其他最終應用中使用的半導體器件。接受測試的器件包括模擬、數字、混合信號、邏輯以及存儲器等。為了對這些器件進行測試，我們應生成信號，激活被測試器件(DUT) 并測量響應。用于此目的的電子技術一般稱作“引腳電子技術”，而且通常包括以下功能：
以任意電平將格式化數字模型驅動到 DUT；
從 DUT 讀取數字模型，并以任意閾值水平獲取定時測量結果；
動態設置 DUT 輸出端口的負載條件；
強制電壓并測量電流，以及強制電流，測量電壓。

我們通過以下組件來實現上述功能，圖 4 所示為功能結構圖。
DAC
數模轉換器 (DAC) 生成模擬信號，其用于驅動被測試器件，并用于實現各種功能，如設置窗口比較器、PMU 以及有源負載水平等。12 位或 13 位的分辯率較常見，而未來產品則要求 16 位乃至更高的分辯率。由于可編程信號和電平數量較多，因此我們需要大量 DAC 來實現完整的測試解決方案。
驅動器
為了實現正確測試某些器件所需的電平，需要一個驅動器放大器。驅動器放大器必須能夠提供相關電壓并具備 DUT 所要求的輸出驅動功能。驅動器輸出必須為三態輸出，這樣它才不會干擾從 DUT 返回的信號的測量。
窗口比較器
窗口比較器用于測試是否成功通過。測試存儲器就是一個很好的使用實例，這時將數據模式寫入 DUT 并被讀出。
參數測量單元
參數測量單元可提供強制電壓、強制電流以及測量電壓與電流測量等功能。它可用于持續性測試，進行電壓、輸入電流以及漏電流測量。功能組合如下：
強制電壓／測量電流 (FVMI)；
強制電流／測量電壓 (FIMV)；
強制電壓／測量電壓 (FVMV)；
強制電流／測量電流 (FIMI)；
無強制／測量電壓 (FNMV)。
有源負載
有源負載可用于提供 DUT 負載。通過 DAC 輸入可對源極與汲極電流進行編程。
溫度傳感器
我們還包括了可提供溫度信息的溫度傳感器。
圖4  引腳電子技術功能結構圖

引腳電子技術的未來趨勢
    到目前為止，引腳電子技術執行功能時需要彼此差異很大的技術--一種技術用于高速電路，而另一種技術則用于高精度直流 (DC) 電路，而且我們還要求采用不同的技術處理混合信號（如 DAC）功能。
    盡管某些功能已經集成到了一起，而且目前也已經提供，但大多數解決方案都要求兩到三顆芯片才能完全實現測試頭。為了降低成本、提高功能引腳功能，并增加相同測試頭數量下的引腳數量，我們應當進行功能集成，外部組件必須最小化，而且還應充分挖掘有關架構方面的改進。圖 5 顯示了我們所建議的一種引腳電子技術器件，其在同一芯片上集成了上述所有功能。
    未來，這種芯片將用于減小測試解決方案的尺寸和成本，而這也將相應降低被測試器件的制造成本，此外，由于復雜性降低，這順便也實現了提高可靠性的優勢。

 圖5  集成的引腳電子技術

工藝技術實現了更高的集成度
    有四種制造工藝可實現測試測量與醫學成像領域更高的集成度，它們是：CBC-10、C05、BiCom II 以及 BiCom III。
CBC-10
    TI 采用 CBC-10 工藝制造 VCA2611／6，這是一種 10V 互補雙極晶體管模擬工藝，具備用于數字功能的 CMOS。
    CBC 二極晶體管的特征尺寸僅為 1 _m (drawn)，CMOS 電路的密度為 0.8 _m，是一種領先的工藝，為 NPN 以及 PNP 晶體管分別提供了 10GHz 和 7GHz 的截止頻率。它還具備 80V 的典型爾利電壓。此外，除了核心互補高速雙極器件之外，其還采用了模塊化方法來添加肖特基二極管、JFET 晶體管、高熱能無源器件以及亞微米 CMOS 作為可選模塊。
    該工藝實現了高質量、低噪聲的 JFET 晶體管，其可實現出色的高阻抗輸入級。該工藝還具備可微調的薄膜電阻器以及高精度電容器，實現最小的寄生效應以及最佳的線性和跟蹤性能。高精度電阻器與電容器實現的線性為每伏特數 ppm。舉例來說，高精度電容器的線性比可為 5 ppm／V，電壓系數為 10 至 50ppm／V。這就能夠實現噪聲與失真性能方面的顯著提升。該工藝還為高密度 CMOS 電路提供了額外的隔離，提供了隔離構建電路的分開場所 (separate tub)。這對混合信號設計而言是至關重要的，因為這能夠最小化串擾并改善精度，以及提高模擬電路的速度。這樣，我們就實現了更高的精確度、更高的增益以及更快速的模擬電路。總而言之，CBC-10 工藝實現了數字控制、粘接邏輯以及與微控制器與 DSP 相連的接口。除了能在