디지털 X-레이는 필름을 사용하는 기존의 아날로그 방식과 달리, 투과된 X선을 디지털 신호로 변환시켜 즉각 영상을 획득하는 첨단 의료영상장비다. 따라서 필름 및 별도의 프로세스 없이 설치돼 대형 필름 저장 시설이 필요 없으며 편리성과 이용 면에서도 뛰어나다.

개요
시장 경쟁이 점점 더 치열해지면서 디지털 X-레이(digital X-ray, DXR)나 자기공명영상(MRI) 같은 첨단 의료 장비들은 의사와 환자는 물론 제조사의 요구를 모두 만족시키기 위해 고성능, 저전력 소형 데이터 수집 시스템을 필요로 한다.
본고에서는 디지털 X-레이처럼 여러 채널로부터 측정된 크고 작은 신호들을 다중 처리하는 다채널 애플리케이션의 문제뿐 아니라 MRI처럼 저잡음과 높은 동적 범위, 넓은 대역폭을 요구하는 오버샘플 애플리케이션의 문제도 해결하는 고정밀, 저전력 신호 체인을 소개한다. 높은 처리율, 저잡음, 높은 선형성, 저전력, 소형 특성을 고루 갖춘 아나로그디바이스(ADI)의 18비트, 5 MSPS AD7960 PulSAR 차동 ADC는 이러한 고성능 영상 애플리케이션뿐 아니라 기타 정밀 데이터 수집 시스템에도 적합하다.



디지털 X-레이
X-레이가 처음 발견된 것은 1895년으로, 당시에는 필름이나 섬광막(scintillation screen)을 통해 검출되었다. X-레이가 발견된 이후 이 기술은 종양학, 치의학, 수의학 등의 의료 분야에서 진단용으로 사용될 뿐만 아니라 여러 산업용 영상 애플리케이션에도 사용되고 있다. 디지털 X-레이는 필름 감지기 대신 평판 검출기나 라인 스캔 탐지기 등의 고체 센서를 사용한다. 평판 검출기는 직접 변환과 간접 변환의 두 가지 기술을 사용하는데 직접 변환에서는 셀레늄 집합체가 용량성 소자를 구성해 고주파 X-레이 광자를 전류로 직접 변환한다.
간접 변환에서는 요오드화세슘 신틸레이터가 X-레이 광자를 우선 가시광선으로 변환한 다음 실리콘 광다이오드 집합체가 가시광선을 전류로 변환한다. 각각의 광다이오드는 픽셀을 나타낸다. 저잡음 아날로그 프런트엔드는 각 픽셀의 낮은 전류를 높은 전압으로 바꾸고 이것은 다시 이미지 프로세서가 처리할 수 있도록 디지털 데이터로 변환된다. 그림 1은 전형적인 DXR 시스템으로 정밀도를 떨어뜨리지 않고도 높은 샘플링 레이트로 여러 채널을 다중 처리해 단일 ADC에 보낼 수 있다.



오늘날 디지털 X-레이 검출기 제조사들은 대개 간접변환 기술을 사용한다. 비정질 실리콘 평판 검출기나 100만 픽셀 이상의 광다이오드 집합체는 광자에너지를 포착해 그 결과를 약 10~25개의 ADC로 보낸다. 이 기술은 효과적인 X-레이 광자 흡수와 높은 신호대잡음비를 제공함으로써 X-레이보다 50 % 낮은 전력으로 실시간 고해상도 동적 영상을 얻을 수 있다. 각 픽셀의 샘플링 레이트는 낮은데, 그 수치는 치아나 뼈에 사용하는 몇 Hz부터 시작해 인체에서 가장 빠르게 움직이는 기관인 아기 심장의 영상을 포착하는 데 사용하는 120 Hz까지가 최대 범위이다.
디지털 X-레이 검출기의 성능은 영상의 품질로 결정되므로 X-레이 광선을 정확히 수집해 정밀하게 처리하는 것이 중요하다. 디지털 X-레이의 동적 범위, 수집 속도, 프레임률, 특수 영상 처리 기술을 사용하는 균일성을 높이면 영상 품질을 높일 수 있다.
의료 영상 시스템의 경우, 정확한 진단을 위해 품질이 향상된 영상을 제공해야 하며, 환자의 X-레이 피폭을 줄이기 위해 스캔 시간이 짧아야 한다. 고급 X-레이 시스템(동적 영상 수집)은 일반적으로 외과 센터와 수술실에서 사용되는 반면 기본 시스템은 응급실, 소형 병원, 의사의 진찰실에서 사용된다. 산업용 영상 시스템은 수명이 길고 열악한 환경에서 높은 방사능 수치에 노출되기 때문에 튼튼해야 한다. 보안이나 수화물 검사 애플리케이션의 경우 X-레이 발생 물질이 장시간 남아 있을 수 있으므로 X-레이 피폭량을 낮추어 사용해야 한다.

MRI 경사도 제어
그림 2의 MRI 시스템은 뇌영상이나 정형외과학, 혈관촬영 및 혈관 연구에 가장 적합하다. 스캔 시 전리방사선에 피폭하지 않고도 연조직에 대비가 분명한 영상을 보여줄 수 있기 때문이다. MRI가 1 MHz~100 MHz 사이의 RF 주파수대역에서 작동하는 반면 컴퓨터 단층 촬영(CT)과 DXR은 1016 Hz~1018 Hz의 주파수 대역에서 작동하기 때문에 환자는 생체 조직을 파괴할 수 있는 전리방사선에 노출된다.
MRI에 사용되는 제어 시스템은 허용 오차가 작기 때문에 고성능 부품이 필요하다. MRI 시스템에서는 1.5 T~3 T의 주 자기장을 형성하기 위해 커다란 코일이 사용된다. 최대 1000 A의 필요 전류를 생성하기 위해서는 최대 1000 V의 높은 전압이 코일에 인가된다. MRI 시스템은 특수 코일의 전류를 변형하여 주 자기장을 선형으로 변화시키는 경사도 제어를 사용한다. 이러한 경사도 코일은 빠르고 정확하게 조절할 수 있어 신체의 작은 부위를 대상으로 주 자기장을 변형시킬 수 있다.
경사도 제어 방식은 RF 에너지를 사용해 x축, y축, z축 영상을 생성해 신체 조직의 얇은 횡단면에 전력을 공급한다. MRI는 짧은 반응 시간을 요구하며 경사도가 1 mA(1 ppm) 이내에서 정밀하게 제어되어야 한다. MRI 시스템 제조사는 아날로그나 디지털 영역에서 경사도를 조절할 수 있다. MRI 시스템의 설계는 개발 시간이 상당히 길고, 원가가 높으며, 전반적인 하드웨어·소프트웨어가 복잡하기 때문에 매우 어렵다.



고성능 데이터 수집 신호 체인
그림 3은 ±0.8 LSB 적분비선형성, ±0.5 LSB 차등비선형성, 99 dB 신호대잡음비를 특징으로 하는 고정밀, 저잡음 18비트 데이터 수집 신호 체인을 나타낸다. 그림 4는 5 V 레퍼런스 전압을 사용하는 전형적인 FFT와 선형성 성능을 보여준다. 신호 체인의 전체 소비전력은 약 345 mW로 다른 경쟁 솔루션 제품들보다 약 50 % 낮다.
이러한 타입의 고속 다채널 데이터 수집 시스템은 CT, DXR 등 정확도를 유지하면서도 높은 샘플링 레이트가 필요한 의료 영상 애플리케이션에 사용될 수 있다. 18비트 선형성과 저잡음은 향상된 영상 품질을 제공하며 5 MSPS의 처리율은 초당 프레임수를 늘림으로써, 스캐닝 시간을 줄이고 정확한 진단 뿐만아니라, X-레이 피폭을 줄여줌으로써 환자들에게 더 나은 경험을 제공할 수 있다. 여러 채널을 다중 처리하면 심장 같은 기관의 전체 분석을 위한 고해상 영상을 얻고 진단하는 데 드는 비용을 줄이고 전력 소모도 최소화할 수 있다. 정확도, 비용, 전력 소모, 크기, 복잡성, 신뢰도는 의료 장비 제조업체에게는 무엇 하나 빠뜨릴 수 없는 대단히 중요한 요소이다.



CT 스캐너에서 픽셀 전류는 고속 ADC로 다중 처리되는 출력과 함께 채널 당 하나의 트랙/홀드를 사용해 계속해서 포착된다. 처리율이 높으면 여러 픽셀이 단일 ADC에 다중 처리될 수 있어 비용, 사용 공간, 소비전력을 낮출 수 있다. 잡음이 적고 선형성이 좋으면 고품질의 영상을 구현할 수 있다. 고해상 적외선 카메라 역시 이러한 솔루션의 이점을 누릴 수 있다.
오버샘플링은 나이퀴스트 주파수보다 훨씬 높은 비율에서 입력 신호를 샘플링하는 과정을 말한다. 오버샘플링은 다중 채널에서 나오는 크고 작은 신호들을 모두 정확히 모니터링하고 측정하기 위해 넓은 동적 범위가 필요한 분광학, MRI, 가스 크로마토그래피, 혈액 분석 및 기타 의료 기기에 사용된다. 높은 해상도와 정밀도, 저잡음, 빠른 재생률, 극히 낮은 출력 드리프트를 통해 설계가 상당히 단순화될 수 있기 때문에 MRI 시스템의 개발 비용과 위험이 줄어든다.
MRI 시스템의 주요 요건 중 하나는 병원 또는 진료실에서 장기간에 걸쳐 반복 측정을 할 수 있는지와 안정성 여부다. 이미지 품질 향상을 위해, 이러한 시스템에는 높은 선형성과 DC에서 수십 KHz에 이르는 넓은 동적 범위도 필요하다. 예를 들어 ADC를 4배 크게 오버샘플링하면 해상도에 비트 하나가 추가되거나 동적 범위에 6 dB가 추가된다. 오버샘플링으로 늘어난 동적 범위는 ΔDR=log2 (OSR)×3dB로 계산한다. 많은 경우, 오버샘플링은 Σ-ΔADC에 잘 구현되지만 채널 간 전환이 빠르고 정확한 DC 측정이 필요한 경우에는 제한된다. SAR(successive approximation) ADC로 오버샘플링을 해도 안티-앨리어싱을 향상시키고 잡음을 줄일 수 있다.

최신 ADC 아키텍처
CT, DXR 및 기타 다채널 애플리케이션, 또는 분광학, MRI 및 기타 오버샘플 애플리케이션에 사용되는 정밀 고속 데이터 수집 시스템에는 최신 ADC가 필요하다. 그림 5의 18비트 5 MSPS AD7960 PulSAR 차동 ADC는 용량성 DAC(CAPDAC, capacitive digital-to-analog converter)를 사용해 대기 시간 지연이나 파이프라인 지연 없이 탁월한 저잡음 특성과 높은 선형성을 제공한다. 이 제품은 의료 영상 애플리케이션에 필요한 넓은 대역폭, 높은 정확성(100 dB DR), 빠른 샘플링(200 ns)을 제공해 다채널 애플리케이션의 전력 소비 및 비용을 크게 줄여준다. 사용이 용이한 32리드 소형(5 mm×5 mm) LFCSP 패키지로 판매되는 이 제품은 산업 온도 범위가 -40 ~ 80 °C로 정의되어 있다. 16비트 AD7961는 AD7960와 핀 호환이 가능하며 16비트 성능이 충분할 경우 사용될 수 있다.



그림 6에서 보는 것처럼 용량성 DAC는 18비트 차동 이진 가중 커패시터 집합체(아날로그 입력 신호를 수집하는 샘플링 커패시터로도 사용), 비교 회로, 제어 논리로 구성된다. 수집 단계가 완료되면 변환 제어 입력(CNV±)이 높아져 IN+와 IN- 입력 사이의 차동 전압이 포착되고 변환 단계가 시작된다.
캐패시터 집합체의 각 소자는 GND와 REF 사이에서 연속적으로 전환되고, 전하는 재분배되며, 입력은 DAC 값과 비교하며, 비트는 결과에 따라 유지되거나 떨어진다. 제어 로직은 이 과정이 끝날 때 ADC 출력 코드를 생성한다. AD7960는 변환이 시작되면 약 100 ns안에 수집 단계로 돌아간다. 전체 사이클 시간의 약 50 %인 수집 시간으로 인해 AD7960의 구동이 수월해지고 ADC 드라이버의 필요 결정 시간도 늘어난다.
AD7960 시리즈는 1.8~5 V 공급 전압에서 작동하며 셀프 클럭 모드에서 전환할 때 5 MSPS에서 단 39 mW의 전력만을 소비한다. 소비 전력은 그림 7에서처럼 샘플링 주파수에 비례한다.



아주 낮은 샘플링 주파수에서의 전력 소비는 LVDS 정적 전력에 좌우된다. AD7960은 동급 18비트 SAR ADC 경쟁 제품보다 속도는 2배 빠르고, 전력 소비는 70 % 적으며, 차지하는 면적도 50 % 더 작다.
AD7960은 2.048 V, 4.096 V, 5 V의 세 가지 외부 레퍼런스 전압을 선택할 수 있다. 온칩 버퍼는 2.048 V의 레퍼런스 전압을 2배로 높이므로 변환은 4.096 V 또는 5 V를 나타낸다.
디지털 인터페이스는 LVDS를 사용해 셀프 클럭과 에코 클럭 모드를 제공함으로써 ADC와 호스트 프로세서 간에 고속 데이터 전송(최대 300 MHz)이 가능하다. LVDS 인터페이스를 사용하면 디지털 신호 수는 줄고 신호 라우팅은 수월해지는데 여러 디바이스가 공통의 클럭을 공유할 수 있기 때문이다. 또한 LVDS 인터페이스는 사용 시 전력 소비가 줄어 다중 처리 애플리케이션에는 특히 유용하다. 셀프 클럭 모드는 호스트 프로세서와의 LVDS 인터페이스를 단순화해 각각의 변환에서 데이터를 동기화하는 헤더를 갖춘 단순한 타이밍이 가능하다. 헤더는 디지털 호스트가 데이터 출력을 수집할 수 있도록 해야 하는데 이는 데이터와 동기화되는 출력 클럭이 없기 때문이다. 에코 클럭 모드는 추가 차동쌍을 희생하는 대신 안정적인 타이밍을 제공한다. AD7960은 그림 8에서처럼 20 kSPS 미만의 출력 데이터 전송 속도에서 보통 120 dB 이상의 동적 범위를 가진다.

ADC 드라이버
ADC의 수집 시간은 ADC 드라이버의 결정 시간 요건을 좌우한다. 표 1은 ADC 드라이버를 선택할 때 반드시 고려해야 하는 몇 가지 사양을 보여준다. 언제나 그렇듯이 신호 체인 성능은 원하는 성능을 구현할 수 있는 조건에서 확인해야 한다.
연산 증폭기의 데이터 시트에서는 settling time을 Linear settling과 Slewing의 조합으로 나타내는 것이 일반적이다. 주어진 식은 5 V 싱글 엔디드 입력을 사용할 때 50 % 선형 결정 시간과 50 % 슬루 시간(다중 처리 애플리케이션)을 조합한다고 가정해 얻은 1차 근사값이다.
ADA4899-1 rail to rail 증폭기는 그림 9에서 보는 것처럼 600 MHz 대역폭, 1 MHz에서 -117 dBc 사이의 왜곡, 1 nV/√Hz 잡음이 특징이며, 5 V 차동 신호로 AD7960의 입력을 구동하는 단위 이득 버퍼(unity gain buffer)로 구성될 때, 50 ns 내 0.1 %를 가진다.

레퍼런스와 버퍼
저잡음, 저전력 AD8031 레일-투-레일 증폭기는 ADR4550 전압 레퍼런스로부터 5 V 출력을 완화하며, 이는 높은 정확성(최대 ±0.02%의 초기 오차), 낮은 드리프트(최대 2 ppm / °C), 낮은 잡음(1 μV p-p), 낮은 전력(최대 950 μA)을 특징으로 한다. 두 번째 AD8031는 ADC의 2.5 V 공통 모드 출력 전압을 완화한다. AD8031의 낮은 출력 임피던스는 INL을 최소화하기 위해 ADC 입력 전압과 무관한 안정적인 레퍼런스 전압을 유지한다. AD8031은 큰 용량성 부하에 안정적이어서 과도 전류로 인한 스파이크를 최소화하는 데 필요한 디커플링 캐패시터를 구동할 수 있으며 배터리를 사용하는 광대역 시스템에서부터 낮은 전력 소비를 요구하는 고속, 고밀도 시스템에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 적합하다.

결론
ADI의 특허 기술을 사용한 고정밀, 저전력 신호 체인은 유례없이 빠른 속도, 낮은 잡음, 높은 선형성을 제공해 DXR과 MRI 경사도 제어에 사용되는 고성능 다중 처리 및 오버샘플 데이터 수집 시스템 설계의 난제들을 해결한다. 고성능 신호 체인 부품은 소형 패키지로 판매되어 다중채널 애플리케이션에서 사용 공간과 비용을 절약할 수 있다. 

 저자 소개
마이틸 파치치걸(Maithil Pachchigar)는 아나로그디바이스의 정밀 컨버터 사업 부문의 애플리케이션 엔지니어이다. 아나로그디바이스의 미국 마이애미 윌밍튼 사무소에서 근무하고 있으며 이메일 주소maithil.pachchigar@analog.com 이다. 아나로그디바이스에 2010년 입사해 산업, 계측, 의료, 에너지 분야의 정밀 ADC 제품 포트폴리오와 고객 지원을 담당하고 있다. 2005년부터 반도체 업계에서 종사해 왔으며 2006년 산호세 대학(San Jose State University)에서 전자공학 석사 학위를 수여 받고, 2010년 실리콘 밸리 대학(Silicon Valley)에서 MBA를 취득했다.