超聲系統(tǒng)的設(shè)計考慮對前端元件選用的影響

圖4 簡化的ABF系統(tǒng)框圖

圖5 簡化的DBF系統(tǒng)框圖

動態(tài)范圍

在前端電路中，LNA的本底噪聲決定了可以接收到的最微弱的信號。但同時，特別是在CW Doppler信號處理中，LNA卻還必須能承受極強的信號。因此能否盡量提高LNA的動態(tài)范圍就變得非常關(guān)鍵（一般來說，由于噪聲性能方面的限制，在LNA前無法采取任何濾波措施）。請注意，這些條件同樣也適用于任何接收機，在通信應(yīng)用中，最靠近天線的電路也并不能享受到多少濾波帶來的好處；相應(yīng)的，它也需要能承受最大的動態(tài)范圍。

在超聲系統(tǒng)的所有信號中，CW Doppler具有最大的動態(tài)范圍；對于CW來說，換能器陣列的一半用于發(fā)射正弦波，而另一半則進行接收。因此Tx信號很有可能泄漏到Rx側(cè)，從接近人體表面的靜止的部位反射回來的信號的強度也很高。這就很有可能干擾，例如，對體內(nèi)深處的靜脈的血流的檢測（所產(chǎn)生的Doppler信號很微弱）。

就目前的技術(shù)發(fā)展水平來看，CW Doppler信號還無法通過數(shù)字波束成形（DBF）系統(tǒng)中的主成像（B模式）和PW Doppler（F模式）進行處理；正因為如此，圖1中的CW Doppler處理采用了模擬的波束成形器（ABF）。ABF具有更大的動態(tài)范圍，自然，DBF超聲的“圣杯”（最高目標），是讓所有的模式都能通過DBF鏈來處理（成本要保持在合理范圍內(nèi)），因此現(xiàn)在正在進行的研究都針對如何實現(xiàn)這一目標來開展。
功耗

因為超聲系統(tǒng)需要很多通道，前端元件的功耗——從T/R開關(guān)經(jīng)過LNA、VGA和ADC一直到波束成形器的數(shù)字電路——都是非常關(guān)鍵的指標。正如上面所指出的那樣，推動前端的動態(tài)范圍不斷提高的動力始終存在，其目標是最終將所有的超聲模式集成到一個波束成形器中，這一趨勢最終將導(dǎo)致系統(tǒng)中功耗的上升。不過，在此發(fā)展過程中又相應(yīng)出現(xiàn)不斷減小超聲系統(tǒng)尺寸的需求，這一趨勢又將導(dǎo)致系統(tǒng)功耗的降低。數(shù)字電路的功耗往往隨著電壓的降低而降低，但對于模擬和混合信號電路來說這并不一定成立。此外，考慮到降低模擬“裕度”會減小動態(tài)范圍，要保證所需要的動態(tài)范圍，電源電壓的減少必然存在一個最低限度。

結(jié)論

我們努力通過本文來闡述針對超聲應(yīng)用的前端IC方面所需要做出的折中取舍，首先解釋了這樣一種系統(tǒng)的基本工作原理，然后指出了為了確保最優(yōu)的系統(tǒng)工作性能，需要具備何種特定的性能參數(shù)。本文的一個更為完整的版本1將提供更多的細節(jié)。