고성능 의료·헬스기기에 저전력·소형화의 특성까지 구현하려면?

의료 및 건강 관리는 오늘날 많은 사람들의 관심을 끌고 있는 분야이다. 뛰어난 정확도와 분해능을 제공하는 아나로그디바이스의 AD5791 고성능 디지털-아날로그 컨버터(DAC)는 의료?헬스기기 애플리케이션에서 고성능과 저전력 그리고 소형화를 가능하게 하는 혁신적인 제품이다.

잔 헤인 브뢰더(Jan-Hein Broeders) / 아나로그디바이스, 유럽 헬스케어 비즈니스 개발 매니저

정부는 국민의 건강을 유지하고 삶의 질을 최대한 높이기 위해 관련 연구와 보건 제도에 많은 비용을 투자하고 있다. 여기서 정부의 투자 목표는 사후가 아닌 사전에 질병을 예방 및 예측하고 발병 시 정확하게 진단하는 것이다.
의료 영상 시스템은 이러한 추세에서 중요한 역할을 맡고 있다.  그렇기 때문에 의사는 의료 영상 시스템을 활용해 질병의 유무를 당장의 수술 없이도 상세히 파악할 수 있고, 특히 이를 통해 외과 전문의는 수술을 시작하기 전에 관련된 사례를 미리 연구할 수 있다.
여기서 활용할 수 있는 영상 방식은 컴퓨터 단층 촬영, X-레이, 초음파 및 자기 공명 등이 있다. 각 시스템에는 저마다의 장점과 단점이 있기 때문에 의사는 인체의 일부분이나 장기의 정지 영상을 촬영하거나 장기 활동 모니터링 혹은 연구에 필요한 동영상을 촬영할 수 있고, 혹은 일부에서는 동영상을 사용해 수술이 이루어진다.
각각의 다양한 시스템은 영상 기능도 서로 다르다. X-레이 기술은 머리 골을 진단하는데 적합하고, 초음파는 장기는 물론 심방, 심실 및 정맥의 혈류를 시각적으로 보여줄 수 있어 태아의 상태를 모니터링 하는데 적합하다.
본고에서는 자기 공명 영상(MRI)과 같은 고성능 애플리케이션을 위해 개발된 새로운 고분해능 DAC에 대해 중점적으로 설명한다.

자기 공명 영상(MRI)
MRI는 주로 인체 내부의 모습을 담은 고화질 영상을 촬영하거나 질병 발견 후 종양을 정상 조직과 구분하는 데 사용된다. 인체의 70%는 수소 원자를 함유한 지방과 물로 구성되어 있기 때문에 MRI는 이와 같은 수소 원자의 자기적 특성을 활용한다.
MRI를 촬영하기 위해서는 강력한 동종 자기장이 필요한데, 그 강도의 단위는 ‘테슬라(T)’로 측정된다. 1테슬라는 10,000가우스(Gauss)와 동일한데 이는 지구의 자기장 강도인 0.5 가우스의 20,000배에 해당한다. MRI 시스템은 와이어 코일로 만들어진 초전도 자석에 의해 생성된 자기장을 통해 환자의 건강상태를 체크하는데, 이 때 사용하는 자기장의 강도는 1.5T에서 최대 3T까지, 경우에 따라서는 7T를 기록하기도 한다.
MRI에 적용되는 주파수는 1.5T 시스템의 경우 약 64MHz이고, 3T 시스템의 경우 128MHz이다. 환자 체내 속 양자는 이와 같은 원리에 따라 회전하면서 자기장에 평행 또는 역평행하게 정렬되고 고에너지 또는 저에너지 상태에 놓이게 된다. 자기장의 강도가 크면 두 회전 상태 간의 에너지 차이도 커진다. 자기장이 제거되면 양자는 자기 에너지를 다시 전도하게 되는데, 이 때는 고정밀 프리앰프, 게인 블록 및 120~140dB 사이의 전체 동적 범위를 제공하는 고분해능 ADC로 설계된 안테나 혹은 수신 코일이 자기 에너지를 수신하게 된다. 뿐만 아니라 사용자가 인체의 작은 일부분을 시각적으로 볼 수 있도록 자기장에 기울기가 추가되어 진다.
(그림 2)는 MRI 시스템에 구현된 경사도 제어 루프를 보여 준다. 경사 코일(Gradient coil)은 기울기 신호(자화벡터, magnetization vector)를 전도함으로써 우리가 보다 관심있게 관찰하고자 하는 단일 슬라이스에 대한 반응을 제공하고, 메가와트 단위의 출력을 보이는 증폭기는 코일에 전송되는 신호를 생성한다. 그런데 MRI 시스템의 경사도 제어 루프 상의 주파수 범위는 다소 낮기 때문에 가장 중요한 성능의 지표는 안정성, 고선형성 및 낮은  드리프트 등의 특성이라고 할수 있다. 여기서 아나로그디바이스 AD5791 20비트 DAC가 바로 이러한 고민을 해결하는 역할을 한다.

20비트 DAC란?
앞에서 언급했듯이 MRI 시스템에서 경사도 코일을 구동하는 데 필요한 전력 수준은 메가와트이다. 2MW 증폭기에 16비트의 정밀도를 적용시킨 후 구동하면 1LSB가 30W의 최소 스텝 크기와 같아지는데, 20비트 DAC는 시스템 성능을 LSB당 2와트의 정밀도 레벨로 높여 준다. 그렇기 때문에 더 높은 DAC 해상도가 필요한 것이다.
경사도 신호의 주파수는 수백 헤르츠 대에 불과하다. 그렇기 때문에 전체적인 요구 사항을 충족하려면 높은 안정성, 낮은 단기 드리프트 및 저잡음의 특성이 필수적이다. 저주파와 초저잡음을 겸비한 시스템을 디자인하려면 사용되는 부품을 면밀하게 검토해야 한다. 필터는 잡음과 위상 변이를 포함하기 때문에 우수한 DC 성능 및 DC에 가까운 정도의 저주파 대역에서의 잡음 특성이 우수한 부품을 선택해야 한다. 아나로그디바이스의 AD5791는 고분해능과 저잡음, 그리고 안정성 모두 겸비한 제품으로서 MRI 시스템의 성능 향상을 위해 반드시 필요한 제품이다.

AD5791 살펴보기
AD5791은 단일 채널 20비트 전압을 출력하는 DAC이다. 공급 전압이 높을수록 노이즈 플로어(Noise Floor)의 영향을 덜 받기 때문에 동적 범위를 높이기 위해서는 높은 공급 전압으로 디바이스를 구동하는 것이 중요하다. 하지만 AD5791은 VDD = 7.5V~16.5V 및 VCC = -7.5V~-16.5V의 공급 전압으로 동작하기 때문에 이러한 고민을 할 필요가 없다.
AD5791의 기본 구조는 전압-모드 보정 R2R(Voltage-mode calibrated Rail to rail) 래더(Ladder) 회로망으로 구성된다. 컨버터 코어를 구성하는 데 사용되는 박막 저항기는 뛰어난 정합성과 안정성을 제공한다. 그리고 R2R 래더는 높은 선형성을 달성하기 위해 두 개의 세그먼트로 나뉘는데, 14비트 R2R 래더 회로망은 더 낮은 14비트(S0~S13)를 생성한다.
20비트 디지털 코어 중 나머지 6개의 상위 비트는 낮은 14비트의 레퍼런스 전압을 제어하는 별도의 6비트 DAC 구동에 사용되며, 바로 이 두 부분이 탁월한 성능을 갖춘 멀티플라잉(Multiplying) DAC원리를 만들어 낸다. (그림 3)은 AD5791에 구현된 R2R 래더 구조를 보여 준다.
레퍼런스 입력 전압 레벨은 최대 ±10V까지 선택 가능하며, 폭넓은 레퍼런스 전압 범위 사용 시 LSB 레벨이 20μV까지 높아질 수 있다. 이를 통해 컨버터는 (그림 4a/b)에서처럼 20비트(1ppm)의 INL(Integral Nonlinearity) 및 DNL(Differential Nonlinearity)의 유지가 가능해진다.
선형성 성능 외에 주요 사양에는 7.5nV/rtHz의 전압 잡음 밀도, 0.1Hz~10Hz 주파수 범위에서 0.6μVp-p의 잡음 및 0.05ppm/°C의 온도 안정성 등을 제공한다.

MRI의 루프를 완성하는 데 필요한 요소
코일은 MRI 기울기 제어 시스템에서 높은 정밀도로 구동되고 여기서 발생하는 반응은 고성능 수신기 채널을 통해 측정된다. 그런데 전체 루프를 구성하는 제품들 중, 성능이 가장 나쁜 제품이 바로 전체 루프의 성능을 제한한다는 점이다. 과거에 시스템은 병렬로 연결된 여러 고분해능 DAC로 설계되었는데, 출력을 평균화하면 오류를 줄이고 절대 성능을 높일 수 있었다.
그러나 아나로그디바이스의 AD5791 경우에는 정확도를 위한 추가 조치 없이도 고정밀도 1ppm DAC 기능을 단일 디바이스에서 제공한다. 하지만 DAC가 신호 체인에는 있는 유일한 디바이스는 아니기 때문에 루프에 디바이스 추가 시에도 신중할 필요는 있다.
DAC에는 3.4k-ohm 의 DAC 저항과 함께 버퍼링 되지 않는 전압 출력이 존재한다. 저항기 래더의 존슨(Johnson) 잡음이 7.5nV/√Hz에 이르는 전압 잡음 밀도의 대부분을 유발하는데, DAC 출력을 버퍼링 하려면 시스템의 기울기 증폭기의 고전압단을 위한 증폭기가 결국 필요하다. 고주파 잡음은 RC 필터로 손쉽게 제거될 수 있지만, 보통 0.1Hz~10Hz 사이의 1/f 잡음으로 주어지는 저주파 잡음은 시스템의 DC 성능에 영향을 미치지 않고서는 필터링 할 수가 없다.
잡음을 최소화할 수 있는 가장 효과적인 방법은 저주파 잡음 성분의 특성이 없는 회로를 사용하는 것인데, 전체 시스템에서 최대 허용 저주파 잡음 오차에 대한 지침은 0.1x 필요 LSB 레벨이고 특정 애플리케이션의 경우 20μV LSB레벨을 기준으로 최대 2μVp-p이다. 최고의 성능을 제공하는 증폭기인 ADI의 AD8671는 1/f 잡음 동작을 77nVp-p 수준으로 만들기 때문에 전체 신호 체인에서 잡음을 최소화할 수 있다. 만약 아나로그디바이스의 AD8671을 DAC의 레퍼런스 입력에서