先进的模拟集成和低噪声系统设计使之成为可能

对更便携、更低成本的医疗超声成像设备的需求正在对其设计产生重大影响。本应用笔记回顾了使这些紧凑型超声系统成为可能的模拟集成方面的一些最新进展，然后讨论了与控制紧凑型系统中噪声相关的一些设计挑战以及适当的前期系统设计的重要性。

介绍

在过去的十年中，医疗超声成像设备经历了一场革命。集成电子技术的进步使设备制造商能够显著提高这种功能强大的医疗工具的便携性和可负担性。曾经重达数百磅并需要推车才能移动的东西，现在只有便携式笔记本电脑的大小。毋庸置疑，这对医学界和患者的影响是深远的。在发达国家，超声波现在用于患者的护理点，这降低了成本并改善了结果。在发展中国家，超声成像现在可供其主要农村人口中的更大部分使用。这些新的、更便携的低成本系统对全球医疗保健的影响是巨大的，并广受好评。该技术的未来有望取得更多进步。

开发这些紧凑型成像解决方案的道路并不容易。随着制造商努力使这些系统更便携、更便宜、性能更高，这些设计已经并将继续存在重大挑战。本应用说明重点介绍了该设备设计人员面临的一些更重要的设计挑战。

高质量成像和太空溢价

紧凑型超声系统的设计人员必须在可用的小空间内安装产生高质量图像所需的大量超声收发器。这不是一项简单的任务。当前最先进的系统通常拥有128个或更多的这些收发器。 典型的超声收发器框图如图1所示。为了产生超声图像，收发器的高压发射器产生适当定时的高压脉冲，以激励超声换能器元件并产生聚焦的声学传输。来自这种传输的声能被患者体内的阻抗不连续性反射，由相同的元件接收，并路由回收发器的接收器部分。

图1.超声收发器框图显示了所需的各种功能。

接收器由发射/接收（T/R）开关、低噪声放大器（LNA）、可变增益放大器（VGA）、抗混叠滤波器（AAF）和模数转换器（ADC）组成。每个传感器元件都通过T/R开关连接到LNA，该开关保护LNA输入免受高压发射信号的影响。LNA本身提供初始固定增益，以优化接收器的噪声性能。VGA用于补偿体内超声信号随时间推移的衰减，从而降低了后续ADC的动态范围要求。接收链中的AAF可防止超出正常最大成像频率的任何高频噪声被ADC映射到接收频段。放大和数字化的信号在超声系统的数字波束形成器中被延迟和求和，以产生聚焦的接收波束成形信号。产生的数字信号用于生成2D图像以及脉冲模式多普勒信息。

接收器在LNA之后还有一个单独的连续波多普勒（CWD）接收器/波束形成器路径。在CWD模式下，接收器的动态范围要求非常苛刻，超出了VGA/ADC信号路径的范围。CWD波束成形可以通过将接收信号与适当相位的本振（LO）混合并将产生的基带信号相加来实现。因此，CWD接收器博克由高动态范围模拟同相/正交相位（I/Q）混频器和可编程LO发生器组成。

正如人们所看到的，典型的收发器具有重要的功能，将128个或更多的收发器装入PC大小的收发器是一项设计挑战。模拟IC制造商已经通过更高集成度的解决方案来应对这一挑战。因此，现在常见的是采用小至10mm x 10mm封装的包含LNA、VGA、AAF和ADC的八通道接收器。高压脉冲发生器现在还提供小至 4mm x 8mm 的 10 通道和 10 通道单封装配置。这些进步意义重大，在实现当前一代便携式系统方面发挥了关键作用。然而，展望未来，有更多的整合机会。

MAX2082八通道收发器（图2）是高集成度超声解决方案最新进展的一个例子。它包括完整的接收器、T/R 开关、耦合电容器和 3 电平高压脉冲发生器，采用单个 10mm x 23mm 封装。这种单一收发器可节省大量空间，缩短设计时间，并降低整体系统成本。

图2。MAX2082超声收发器集成了完整的接收器、T/R开关、耦合电容和3电平高压脉冲发生器。

这种高度集成的收发器可以节省大量空间。仅集成的T/R开关就可节省大量成本。考虑大多数现有超声系统中使用的典型分立式 T/R 开关（图 3）。此 T/R 开关实现中有 128 个分立组件。在 1000 通道系统中，仅 T/R 开关功能就代表 <> 多个分立器件！

图3.发送/接收 （T/R） 开关有 128 个分立元件。在 1000 通道系统中，仅这些开关中就有 <> 多个分立元件。

图4所示为采用MAX2082进行128收发器通道配置的印刷电路板（PCB）布局。所需空间小于 10 平方英寸，不到使用单个八通道接收器 IC、八通道脉冲发生器 IC 和分立式 T/R 开关的当前解决方案所需空间的一半。

图4.使用八通道收发器的 128 通道 PCB 布局。

收发器电源管理

在这些高度集成的设计中，功耗也是一个主要问题。这些超声系统中有许多是便携式的，并且在两次充电之间必须使用电池运行一个小时或更长时间。热管理也是个问题，因为元件密度非常高，PCB可以非常靠近，几乎没有气流空间。超声收发器占整个系统功率预算的很大一部分，因此需要特别注意设计。

在过去的10年中，超声波接收器的功率已经减少了一半。现在常见的是IC接收器解决方案包括LNA、VGA、AAF和ADC，每通道损耗低于150mW。这些新一代接收器还具有更灵活的功率控制功能，允许用户在功耗与性能之间进行权衡，并在系统处于非成像模式时利用低功耗、快速唤醒“打盹”模式来节省功耗。

未来还有更多改进的机会。例如，T/R开关本身每通道的损耗可能超过80mW，因为需要很大的偏置电流来降低二极管的导通阻抗，以满足必要的噪声性能。这几乎与接收器的其余部分一样大！在上述MAX2082收发器等产品中，较新的专有集成T/R开关设计比这些分立设计具有更好的噪声性能，每通道小于15mW。

平衡噪声与小型化

高集成度和低功耗是便携式超声系统面临的明显设计挑战。与该设备小型化相关的一些性能问题并不那么明显。

将带内噪声降至最低

超声系统对2MHz至15MHz范围内的辐射和传导带内噪声和干扰都非常敏感。单通道的输入灵敏度可低至1nV/vHz。在典型的128通道系统中，施加到所有输入的无用信号的处理增益高达21dB，具体取决于通道间波束成形延迟。因此，施加到小至0.09nV/√Hz的所有输入的带内噪声信号是可见的，并在图像中显示为伪影。这些伪影发生得如此普遍，以至于它们通常被称为“闪光”伪影;它们类似于相控阵图像中心的一束光，其中系统对公共输入信号具有最高的处理增益。这么小的信号很容易来自系统中的各种辐射或传导干扰源。

超声系统设计人员不遗余力地将嘈杂的数字电路与敏感的模拟电路物理隔离开来，并控制接地环路。不幸的是，便携式超声系统设计人员无法在物理上分离该电路，并且由于大多数PCB的空间和热密度有限，屏蔽可能会有问题。因此，在这些设计中出现带内噪声问题是极其常见的，特别是当它们在物理上非常接近通常用于执行许多计算和显示任务的嘈杂单板PC时。因此，在设计过程的早期适当注意接地和屏蔽尤为重要。在原型评估阶段的后期尝试修改这些高度集成的设计可能非常困难且耗时。

最小化音频噪音

在许多情况下，低频音频噪声也可能是一个问题，事实上，通常更难解决。在超声系统中，通过测量反射发射信号的小多普勒频移来检测血流。发射信号或来自静止物体的接收信号的任何低频调制都会产生噪声边带，这可能会掩盖感兴趣的多普勒信号（图5），或者在多普勒频谱中产生不需要的“音调”。在脉冲多普勒应用中，发射信号功率与1kHz偏移时的噪声之比需要小于140dBc/Hz。对于CWD，要求甚至更加苛刻：155dBc/Hz或更高。

这种低频噪声的来源很多，但最大和最常见的是低频电源噪声，这可能会导致许多多普勒问题。它会在敏感的数字发射和接收时钟中引入抖动，进而限制接收器的动态范围或产生不需要的多普勒音。它还会在VGA增益控制信号上产生低频噪声，该信号可以调制来自静止组织的大接收信号，并可以消除微弱的相邻多普勒信号。

音频频谱中的电源噪声只能通过对电源进行有源调节来有效降低。传统上，在大型推车系统中，功率低效的线性稳压器在整个系统中自由分布，以有效控制这种噪声源。在更便携的系统中，这种类型的解决方案通常是不可接受的。

图5.多普勒近载波噪声示例。

因此，设计人员必须利用分布式开关稳压器来提高效率。遗憾的是，这种类型的调节会引入显著的RF带内传导和辐射开关噪声，即使通过适当的旁路也难以控制。光谱多普勒对这种类型的噪声特别敏感，因为离散开关频率会导致多普勒光谱显示器中的音调，这是这些系统中常见的伪影。确保此类噪声不可见的一种方法是确保开关稳压器频率与系统的主时钟同步。通过这种方式，可以更容易地管理目标多普勒波段之外的开关噪声，并且可以实现高水平的效率。在这些设计中，必须相当注意开关调节的使用，以保持低功耗并避免难以解决的多普勒伪像。

我们该何去何从？

设计工程师一致认为，设计便携式超声系统是一项重大挑战。有限的空间、在不断缩小的空间限制内管理电源以及对越来越高水平的性能的需求提出了新的、相当重要的问题需要克服。设计人员需要明智地使用已经高度集成、低功耗且满足所需性能水平的模拟IC解决方案。他们还必须预测并执行必要的详细系统级设计工作，以避免这些高度紧凑的设计中固有的常见噪声相关问题。

这些新的、更便携的系统的好处是值得任何设计挑战。我们已经看到了这些系统对全球医疗保健的积极影响。没有理由相信这种趋势不会持续下去——只要这些高度紧凑的医疗系统的设备设计人员能够获得更高集成度的模拟IC解决方案。

审核编辑：郭婷