適用于多種系統(tǒng)的超聲波成像模擬前端設(shè)計(jì)

超聲波成像是一種應(yīng)用廣泛的醫(yī)療成像方法。傳統(tǒng)超聲波成像系統(tǒng)使用2～15MHz的頻率，精度水平為毫米，已廣泛應(yīng)用于監(jiān)控胎兒，以及診斷內(nèi)臟疾病等。在過(guò)去的20多年里，傳統(tǒng)臺(tái)式超聲波系統(tǒng)主導(dǎo)了醫(yī)療超聲波應(yīng)用，這是由于超聲波系統(tǒng)的通道數(shù)量巨大和信號(hào)處理量大所致。人口老齡化、不斷攀升的保健費(fèi)用和新興經(jīng)濟(jì)的需求，都使得對(duì)創(chuàng)新醫(yī)療解決方案的需求日益增長(zhǎng)。

小尺寸、低功耗且高性能的超聲波模擬前端(AFE)和DSP都是超聲波產(chǎn)品廠商所需要的。更重要的是，超聲波產(chǎn)品廠商想要一種能夠通用于各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而可以最短化他們的開(kāi)發(fā)周期并加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。

超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
超聲波系統(tǒng)因其功能和性能而各異。例如，一些高端系統(tǒng)通常具有3D、4D和諧波成像模式，而一些低端系統(tǒng)可能只有2D B模式成像和頻譜多普勒成像模式。功能差異化主要取決于數(shù)字后端。高端超聲波系統(tǒng)則要求更多、更快的高端DSP計(jì)算資源調(diào)用，從而達(dá)到近乎實(shí)時(shí)的信號(hào)處理。很明顯，在高端和便攜式系統(tǒng)之間共用信號(hào)處理單元十分困難。但是，在忽略不同性能要求的情況下，超聲波系統(tǒng)一般都具有類(lèi)似的接收通道架構(gòu)。

如圖1所示，超聲波系統(tǒng)接收模擬前端由常用模塊組成，例如：低噪聲放大器(LNA)、時(shí)間增益控制(TGA)放大器、壓控放大器(VCA)、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。在任何情況下，AFE的性能都會(huì)極大地影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，只要在引腳對(duì)引腳兼容封裝中存在滿(mǎn)足不同性能要求的AFE產(chǎn)品，那么AFE設(shè)計(jì)就可以被標(biāo)準(zhǔn)化，并在各種系統(tǒng)中得到重用。這種標(biāo)準(zhǔn)化可在中低端系統(tǒng)中輕松地實(shí)現(xiàn)，這類(lèi)系統(tǒng)無(wú)須特別的模擬信號(hào)調(diào)節(jié)。

圖1 超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

然而，目前大多數(shù)的AFE產(chǎn)品都不能滿(mǎn)足超聲波產(chǎn)品廠商的這種需求。因此，必須選擇一些單獨(dú)的芯片來(lái)滿(mǎn)足袖珍型和臺(tái)式系統(tǒng)的各種性能要求。例如，臺(tái)式系統(tǒng)或許允許有較高的功耗，但必須要實(shí)現(xiàn)更低的噪聲，反之亦然，因此必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

諸如TI AFE5805的一些新型AFE器件保持了相同的外引腳。其目標(biāo)應(yīng)用為便攜式和臺(tái)式的各種超聲波系統(tǒng)。引腳對(duì)引腳兼容性將允許超聲波產(chǎn)品廠商能夠在極大節(jié)省成本和快速投放市場(chǎng)的情況下標(biāo)準(zhǔn)化AFE設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)出創(chuàng)新性產(chǎn)品。

模擬前端特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系
要時(shí)刻謹(jǐn)記設(shè)計(jì)超聲波系統(tǒng)是一件復(fù)雜的事情，而AFE的每一個(gè)特性都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。為每一種系統(tǒng)類(lèi)別平衡選擇各種參數(shù)的能力毫無(wú)疑問(wèn)是一種藝術(shù)。

就便攜式超聲波系統(tǒng)而言，功耗是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。低功耗意味著更低的電池電量可提供更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。但是，其會(huì)影響其他參數(shù)，例如，輸入信號(hào)范圍、輸入等效噪聲、諧波失真等，盡管這些性能降低通常對(duì)于便攜式（低端）系統(tǒng)而言是可以接受的。

除功耗以外，AFE噪聲是超聲波系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮的第二個(gè)因素。超聲波變送器的接收信號(hào)量級(jí)可能會(huì)在10μVPP～1VPP之間變化。能夠探測(cè)到的信號(hào)越小，系統(tǒng)的靈敏度也就越高。輸入等效電流和輸入等效電壓噪聲都會(huì)影響系統(tǒng)靈敏度。一般而言，0.7～1.5nV/rt(Hz)(RTI)的噪聲參數(shù)用于從高端到低端的系統(tǒng)。

一些具體系統(tǒng)應(yīng)用證實(shí)這些噪聲參數(shù)足以產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。雖然可以使用一款更低噪聲的放大器，但是其對(duì)最終超聲波圖像質(zhì)量并無(wú)顯著提高，因?yàn)樾枰紤]輸入等效電流噪聲和發(fā)射/接收(T/R)開(kāi)關(guān)的噪聲。除輸入等效電壓噪聲以外，閃爍噪聲（即1/f噪聲）也是成像應(yīng)用中的一個(gè)重要因素。在存在混頻的連續(xù)波(CW)模式下，低頻噪聲頻譜移至載波頻率，從而降低了相關(guān)頻率的信噪比(SNR)。具有白噪聲性能的放大器優(yōu)于其寬泛的工作頻率。