便攜超聲系統(tǒng)低功耗高性能的挑戰(zhàn)

世界人口數(shù)目不斷飆升，老齡化問題日益嚴峻，令醫(yī)療診斷及護理設備的需求持續(xù)上漲。目前的醫(yī)療設備都較為笨重、價格昂貴，且能耗巨大，醫(yī)護人員需要外型小巧、能源效率較高且極具成本效益的醫(yī)療診斷設備。

在全球各地，便攜式醫(yī)療診斷設備的需求不斷增加。預期在2050 年之前世界人口將增加23 億，他們大部分集中在發(fā)展中國家，且多數(shù)都無法負擔昂貴的醫(yī)療費用，在這些發(fā)展中國家，急需大量低成本高性能的便攜醫(yī)療診斷設備；即便在發(fā)達國家，例如美國，有統(tǒng)計表明，其人口之中有20%前往鄉(xiāng)鎮(zhèn)診所看病，而這些診所需要的都是小型的便攜式醫(yī)療設備；另外，救護車、急救人員、戰(zhàn)地、災區(qū)及其他欠缺醫(yī)療服務的偏遠地區(qū)都需要便攜式診斷設備，這些因素都促使便攜式醫(yī)療診斷設備的需求不斷上升。其中，便攜式超聲系統(tǒng)是最普遍采用的一種有效快速的診斷設備。

目前醫(yī)院常提供的B超和彩超都是超聲診斷系統(tǒng)，一般都是臺式設備，外型龐大。要想設計出便攜式超聲診斷系統(tǒng)，必須克服功耗和性能的挑戰(zhàn)：采用電池供電的便攜式超聲系統(tǒng)必須盡量降低能耗，但同時必須確保設備運行時電池由始至終都能提供充足的供電；同時，小型的設備也必須確保極高的影像分辨率，即使在現(xiàn)場操作也能發(fā)揮卓越的性能，幫助醫(yī)生作出正確的診斷。

美國國家半導體公司前不久推出了一款專為便攜式超聲波系統(tǒng)而設計的8通道超聲波發(fā)射/接收芯片組，這款PowerWise芯片組采用創(chuàng)新電路架構(gòu)，讓工程師可以設計電池壽命更長、且影像分辨率可媲美大型超聲波掃描機的便攜式超聲波系統(tǒng)。

圖 PowerWise8通道超聲波發(fā)射/接收芯片組方案

這款8通道芯片組由4顆芯片組成，內(nèi)置了一切必要的電路，其中包括接收系統(tǒng)模擬前端電路（AFE）（LM96511）、發(fā)射/接收系統(tǒng)開關(guān)（LM96530）、發(fā)射系統(tǒng)脈沖發(fā)生器（LM96550）及可配置發(fā)射系統(tǒng)波束成形器（LM96570）。其高度集成的特性令系統(tǒng)設計師可以利用該芯片組來開發(fā)小巧輕盈、影像更清晰、更易據(jù)此作出準確診斷的128通道便攜式超聲波系統(tǒng)。

并且，4顆芯片間協(xié)同工作令芯片組可實現(xiàn)超高性能及效率。例如，只要重新配置發(fā)射系統(tǒng)波束成形器，便可校準電路板走線之間的延遲誤差以及脈沖發(fā)生器的延遲誤差。這樣可大幅改善失真情況，而且還可讓系統(tǒng)進行第二次諧波成像。發(fā)射/接收系統(tǒng)開關(guān)也讓系統(tǒng)設計師在設計上有更大的靈活性，他們可以為偏壓電流靈活地選擇不同的設置值，以便在功耗與性能之間做出適當?shù)娜∩帷?/p>

該模擬前端電路采用非常獨特的架構(gòu)，不但能確保出眾的影像質(zhì)量，還可將B模式的功耗盡量降低。這顆模擬前端電路還內(nèi)置業(yè)界最高分辨率的數(shù)字可變增益放大器（DVGA）及低功耗的連續(xù)時間Sigma-delta (CTSD) 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。此外，數(shù)字可變增益放大器還具有多個傳統(tǒng)模擬可變增益放大器所沒有的優(yōu)點，例如，各通道之間可以更好地校準并具有更好的信號頻譜性能。連續(xù)時間Sigma-delta ADC本身還有磚墻式混疊信號濾除功能。相比之下，采用傳統(tǒng)流水線式ADC的模擬前端電路不但功耗較高，而且濾除混疊信號的能力也較低。

美國國家半導體為便攜式超聲波系統(tǒng)提供一個全方位的信號路徑解決方案，其中包括時鐘電路及電源管理芯片。同時，為這款芯片組提供了全套評估套件、參考電路圖及設計工具，讓用戶可以仔細評估芯片性能，加快產(chǎn)品上市時間。