適用于多種系統(tǒng)的超聲波成像模擬前端設(shè)計(jì)

在一些超聲波應(yīng)用中，增益控制范圍在達(dá)到圖像動(dòng)態(tài)范圍的過(guò)程中起著重要的作用。當(dāng)VCA具有更高的增益控制范圍時(shí)，最終圖像也就擁有一個(gè)更寬泛的動(dòng)態(tài)范圍，從而得到更高的圖像質(zhì)量。組合ADC的SNR，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍可由以下方程式計(jì)算得出：

動(dòng)態(tài)范圍=SNR+增益控制范圍（方程式1）

例如，一個(gè)包含了12比特、70dB SNR以及40dB增益控制范圍VCA的系統(tǒng)可以獲得110dB的動(dòng)態(tài)范圍。換句話說(shuō)，考慮到人體0.7dB/cm.MHz的衰減系數(shù)、10cm的成像深度以及7.5MHz的變送器，由10×2×0.7×7.5可以計(jì)算得到105dB的動(dòng)態(tài)范圍。在目前的一些超聲波系統(tǒng)中，10～15MHz的探針通常被用于對(duì)一些小范圍進(jìn)行成像。因此，通常會(huì)需要100dB以上的動(dòng)態(tài)范圍，從而得出這樣的結(jié)論：大增益控制范圍的AFE是首選。另外，更高總體增益的AFE是探測(cè)小信號(hào)和補(bǔ)償其他電路帶來(lái)的插入損耗（例如，無(wú)源高階濾波器的插入損耗）的一種輔助。

放大器飽和與過(guò)載恢復(fù)也是重要的系統(tǒng)參數(shù)。相比單獨(dú)進(jìn)行討論，將這兩個(gè)參數(shù)放在一起進(jìn)行評(píng)估和計(jì)算更為有價(jià)值?；旧?，放大器的理想輸入信號(hào)范圍受限于其線性輸出電壓（與電源電壓有關(guān)）和增益。
（方程式2）
因此，較低的增益和較高的電源電壓有益于該參數(shù)。但是，低增益會(huì)降低輸入等效電壓噪聲，而高電源電壓會(huì)增加總功耗，因此必須使用一種折中的方法。就一些便攜式及中端系統(tǒng)而言，通常會(huì)選用200～400mVPP的參數(shù)。超聲波放大器飽和通常是由高壓脈沖泄漏或近表面物體反射的大信號(hào)引起的，這些表面物體的聲阻抗差異性極大。此類(lèi)例子包括表皮組織或骨骼，而在表皮組織或骨骼中僅有少量的臨床信息。大多數(shù)情況下，這些區(qū)域的信息丟失可能不會(huì)影響臨床診斷。但是，如果放大器不能及時(shí)恢復(fù)，那么就會(huì)有大量的信息丟失。AFE的快速過(guò)載恢復(fù)時(shí)間確保了超聲波系統(tǒng)能夠盡可能多地獲取有用信息。AFE的過(guò)載恢復(fù)時(shí)間可以用ADC時(shí)鐘周期數(shù)量表示。一個(gè)時(shí)鐘周期的過(guò)載恢復(fù)時(shí)間較為理想。

超聲波放大器飽和帶來(lái)的另一個(gè)影響是諧波失真增加。由于使用了普及的造影劑，越來(lái)越多的系統(tǒng)（甚至是便攜式系統(tǒng)）都要求整個(gè)系統(tǒng)的低二次諧波失真，以保證順利的諧波成像。一般而言，變送器接收到的諧波信號(hào)會(huì)高達(dá)40dB（低于基礎(chǔ)信號(hào)），具體情況取決于造影劑聲學(xué)屬性、發(fā)送器電壓和組織特性的綜合因素。因此，放大器的HD2應(yīng)低于40dBc，這使系統(tǒng)能夠獲得理想的諧波圖像。另外，高HD2可能會(huì)引起人為的多普勒頻移。在一些臨床情況中，這種人為因素可能會(huì)影響診斷的準(zhǔn)確性。在最終多普勒?qǐng)D像中，人為多普勒頻移會(huì)造成多普勒系統(tǒng)的方向隔離。一些文獻(xiàn)表明，對(duì)一些CW和PW多普勒系統(tǒng)而言，45～50dB的方向隔離可能就足夠了。由上述因素，當(dāng)HD2低于40dBc時(shí)，應(yīng)規(guī)定AFE的線性輸入范圍。

2 卓越的噪聲性能

影響圖像準(zhǔn)確性的串?dāng)_是超聲波系統(tǒng)需要考慮的另一個(gè)參數(shù)。超聲波系統(tǒng)的主要串?dāng)_是由一些以-30～-35dBc排列的變送器陣列引起的，具體情況取決于變送器元件的間距、頻率、設(shè)計(jì)、材料等。一般來(lái)說(shuō)，IC或PCB的串?dāng)_大大低于-35dBc。因此，電路串?dāng)_就不會(huì)降低系統(tǒng)性能。

超聲波模擬前端
為了滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，超聲波AFE（例如，TI的AFE5805）是理想的選擇。一流的BiCMOS和CMOS技術(shù)用于優(yōu)化功耗和噪聲性能。BiCMOS工藝是AFE5805 VCA部分的最優(yōu)選擇，因?yàn)槠渚哂械凸?、小芯片尺寸以及低閃爍噪聲的特點(diǎn)。CMOS工藝非常適用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器。相比同類(lèi)解決方案，這些創(chuàng)新組合可縮小50%的尺寸，降低20%的功耗并降低40%的噪聲。圖2所示恒定噪聲性能涵蓋了整個(gè)工作頻率范圍。這樣，便攜式超聲波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)便可以實(shí)現(xiàn)低功耗和更高的圖像質(zhì)量。

總結(jié)
未來(lái)幾年，全球各地區(qū)對(duì)于便攜式、低成本超聲波設(shè)備的需求有望快速增長(zhǎng)。對(duì)于超聲波設(shè)備廠商來(lái)說(shuō)，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。新型超聲波模擬前端的先進(jìn)技術(shù)，允許超聲波設(shè)備廠商對(duì)性能進(jìn)行調(diào)整，以適用于各種系統(tǒng)尺寸?；趩蝹€(gè)設(shè)計(jì)，廠商便可發(fā)布多款產(chǎn)品，極大地節(jié)省了便攜式設(shè)備和高通道密度中端超聲波系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。