提高超聲成像質(zhì)量以及降低功耗的方案

超聲平臺(tái)的成像質(zhì)量與系統(tǒng)功耗，向來(lái)是此消彼長(zhǎng)的“零和游戲”，對(duì)于便攜設(shè)備尤甚。早在2007年4月，ADI推出了全球第一款集成八通道的芯片——AD9271，但一年半過(guò)去了，對(duì)于一些比較高端的應(yīng)用，該芯片似乎在功耗上顯得“心有余而力不足”了。

這個(gè)時(shí)候應(yīng)運(yùn)而生更高性能、更低功耗的芯片也就成了必然。“業(yè)界一直在盼著這兩款芯片，”ADI大中國(guó)區(qū)資深業(yè)務(wù)經(jīng)理周文勝這樣對(duì)電子工程世界說(shuō)。

究竟，這是兩款什么樣的芯片？

真正的“單芯”

談及最新推出的兩款八通道超聲接收器AD9272、AD9273,周文勝更愿意將其形容為真正的“單芯”解決方案。與此前的AD9271一道，AD927x產(chǎn)品利用集成了八個(gè)通道的單芯片取代了以往的分立解決方案，每個(gè)通道中都包含一個(gè)低噪聲放大器(LNA)、一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)、一個(gè)抗混疊濾波器(AAF) 和一個(gè)12-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

“與數(shù)字技術(shù)相比，模擬技術(shù)更多地是靠積累，”周文勝感慨。從以往的分立方案到“單芯”方案，從AD9271到如今的AD9273、AD9273,看似模擬產(chǎn)品的功能只前進(jìn)的一小步，實(shí)際上在其后蘊(yùn)含著相當(dāng)多的工藝背景。其中，最寶貴的，恰恰是ADI擁有這樣一些有積累的老工程師：在公司成立時(shí)他們就在ADI工作，現(xiàn)在已經(jīng)六、七十歲，仍然在為ADI工作，他們甚者可以拍拍CEO的肩膀隨意地聊天。同時(shí)隨著產(chǎn)品平臺(tái)化的轉(zhuǎn)移，越來(lái)越多的公司走向方案提供，因而ADI也增加了很多系統(tǒng)集成工程師，人員也就成了ADI市場(chǎng)份額的核心力量。

與ADI在2007年財(cái)年的銷(xiāo)售額24.3億美元相比，醫(yī)療電子的份額約為5%，與傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)終端市場(chǎng)工業(yè)與儀器儀表、消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品、無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施相比并不算大。但平均每年18%左右的增長(zhǎng)仍然使人不得小覷。同時(shí)，醫(yī)療電子也被眾多商家視為繼PC、手機(jī)之后下一輪的競(jìng)爭(zhēng)之地。

傳統(tǒng)意義上的醫(yī)療電子領(lǐng)域，可以分為5部分——成像、病人監(jiān)護(hù)、儀器儀表、消費(fèi)類(lèi)及植入器械。其中醫(yī)學(xué)成像包括CT、超聲波、數(shù)字X射線(xiàn)機(jī)、MRI，目前全球范圍內(nèi)最熱門(mén)的是超聲波和數(shù)字X光機(jī)（2000年以前基本是模擬X光機(jī)，這塊數(shù)字化比較快）。而目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)CT的廠(chǎng)商比較少，耳熟能詳?shù)氖荊E、東軟。同時(shí)MRI在國(guó)內(nèi)也不是非常成熟。而ADI的大部分醫(yī)療業(yè)務(wù)都來(lái)源于醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)。

病人監(jiān)護(hù)的類(lèi)別更多的是指心電圖機(jī)、脈搏血氧儀、呼吸機(jī)和自動(dòng)外部除顫器。比如高危病人需要隨身攜帶的脈搏血氧儀帶GPS功能，可以衛(wèi)星定位病人的位置，如果發(fā)生問(wèn)題，可以通過(guò)最近的救護(hù)中心搶救病人。

儀器儀表主要就是分析。如血液分析、尿液分析等。

剩余的兩個(gè)部分消費(fèi)類(lèi)和植入式器材，ADI現(xiàn)在做的比較少，但也非常關(guān)注。在過(guò)去的十到二十年間，消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品在歐美比較流行，葡萄糖監(jiān)控儀、耳溫計(jì)和血壓與心率監(jiān)控儀都屬于此類(lèi)產(chǎn)品。植入性器材一般都是集成的小系統(tǒng)，它可以檢測(cè)到你血糖的濃度，當(dāng)這個(gè)濃度大于一定程度的時(shí)候需要釋放藥物，這個(gè)藥品已經(jīng)植入你的體內(nèi)，這時(shí)候它就會(huì)刺激釋放這個(gè)藥物，這種技術(shù)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有，但是在國(guó)外已經(jīng)非常熱門(mén)。

性能與功耗的平衡

而此次新產(chǎn)品的推出，ADI依然瞄準(zhǔn)了其主要業(yè)務(wù)來(lái)源——成像，即AD9272和AD9273，這兩款芯片擁有更大的靈活性，客戶(hù)擁有更多的選擇。其中AD9272具有業(yè)界最低的終端噪聲，適合需要獲得卓越圖像質(zhì)量的高、中端推車(chē)式超聲設(shè)備；而AD9273在同類(lèi)產(chǎn)品中，能提供最高的電源效率，滿(mǎn)足便攜式超聲系統(tǒng)的需求。與AD9271不同，AD9272、AD9273是ADI的第二代芯片。AD9271是全球第一顆全集成的芯片AD9272的動(dòng)態(tài)范圍比AD9271大，但功耗差不多；而AD9273信號(hào)噪聲等與AD9271類(lèi)似，但功耗可以做到很低。

在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下工作時(shí)，AD9272在5MHz下具有低噪聲和最佳的動(dòng)態(tài)范圍，折合到輸入端噪聲僅為0.75 nV/rtHz，其輸入動(dòng)態(tài)范圍也比同類(lèi)器件高出6 dB/rtHz。對(duì)于便攜式超聲設(shè)備而言，AD9273重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)低功耗，在12-bit、40 MSPS時(shí)，每通道功耗低于100 mW，有助于延長(zhǎng)超聲設(shè)備的電池壽命。

AD9272與AD9273具有高達(dá)42 dB的可變?cè)鲆娣秶蛇x的抗混疊濾波器，并與ADI同系列的其它產(chǎn)品引腳兼容。AD9272內(nèi)置ADC的轉(zhuǎn)換速率高達(dá)80 MSPS；AD9273內(nèi)置ADC的轉(zhuǎn)換速率高達(dá)50 MSPS。AD9271的可變?cè)鲆娣秶鸀?0 dB，內(nèi)置ADC的轉(zhuǎn)換速率高達(dá)50 MSPS。

通過(guò)對(duì)芯片性能的提升， AD9272、AD9273為超聲系統(tǒng)帶來(lái)了更多的改進(jìn)：首先它可以改變成像的分辨率，獲得更深的透視，這個(gè)是由動(dòng)態(tài)范圍確定。動(dòng)態(tài)范圍的增大本身可以檢測(cè)到更微弱的信號(hào)，同時(shí)也加大了很小信號(hào)和很大信號(hào)之間的動(dòng)態(tài)范圍，從而可以到很淺的表皮也可以得到很深的組織內(nèi)的圖像，同時(shí)由于前端的低噪放功能的改進(jìn)，也使得其對(duì)組織和血液流動(dòng)觀察會(huì)更清晰。

更小的外形和更低的成本，便攜式的超聲設(shè)備無(wú)疑是救護(hù)車(chē)、野戰(zhàn)醫(yī)院、病床邊的首選。同時(shí)也得到了更長(zhǎng)的電池壽命和更高的可靠性，這個(gè)是由一致性帶來(lái)的好處，原來(lái)的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的是八個(gè)通道，每個(gè)通道是由幾個(gè)芯片工作，芯片之間難免出現(xiàn)不協(xié)調(diào)，而在一顆芯片內(nèi)一致性是非常好。

完全可編程——SPI接口

“我們每次跟超聲研發(fā)工程師談研發(fā)，他們都會(huì)覺(jué)得頭痛，”周文勝說(shuō)。因?yàn)閿?shù)據(jù)手冊(cè)里有一大堆的集成器，不知道怎么設(shè)置。

因?yàn)閮赡昵?，?guó)內(nèi)生產(chǎn)的超聲系統(tǒng)大多是黑白超，以32通道為主，甚至有24通道的。而64通道以上是彩超，現(xiàn)在最集中的一塊是128通道，現(xiàn)在250個(gè)通道確實(shí)有不少人在做產(chǎn)品研發(fā)，但仍以128通道為主。每一條通道有很多芯片在里面，所以如果打開(kāi)超聲看一下，可以看到有密密麻麻的模擬前端。

而此時(shí)設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)SPI調(diào)整集成器優(yōu)化架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)所需的最佳噪聲的動(dòng)態(tài)范圍和電池壽命。這是一個(gè)可編程的SPI接口的軟件，但是有很多參數(shù)在其內(nèi)部，而且這些參數(shù)都是經(jīng)過(guò)測(cè)試所得，該軟件完全免費(fèi)。也是完全免費(fèi)的。

而現(xiàn)在選擇芯片后，比如端接、頻接阻抗、輸入電壓、頻率、低噪放、衰減、PGA、截止頻率等等全部可以設(shè)置的，當(dāng)這些全部設(shè)置完以后就運(yùn)行一下出來(lái)很多結(jié)果，這個(gè)結(jié)果是什么？這個(gè)結(jié)果是你期望拿到的值，如果不是所期望的，還可以再調(diào)整，直到符合設(shè)計(jì)需求。之后將其輸出，形成一個(gè)文本文件，直接貼到程序里面即可。“這個(gè)我們認(rèn)為是非常非常有創(chuàng)意的，”周文勝這樣評(píng)價(jià)。

據(jù)悉，AD9272與AD9273是專(zhuān)為與AD8339進(jìn)行接口而設(shè)計(jì)的，AD8339是一款帶移相器的四通道可編程I/Q解調(diào)器，非常適合連續(xù)波多普勒超聲系統(tǒng)。AD9272與AD9273還可以和ADI公司以下產(chǎn)品配合使用：AD8021低噪聲高速放大器；AD7980 16-bit，1 MSPS PulSAR?模數(shù)轉(zhuǎn)換器；ADR433 5.0 V超低噪聲基準(zhǔn)電壓源。這些產(chǎn)品代表著當(dāng)今醫(yī)學(xué)成像與超聲領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品系列。現(xiàn)可提供AD9272與AD9273樣片，均采用100引腳 TQFP封裝。AD9272的千片訂量報(bào)價(jià)為54美元/片，AD9273的千片訂量報(bào)價(jià)為51美元/片。