集成组件为超声系统设计提供了灵活性

前置放大器、VGA和高速ADC的多通道集成提供了更好的动态范围和更好的超声图像质量。更低的功耗和更小的尺寸可以为低成本的便携式设备带来这些改进。

在当今的超声市场中，便携性和性能是系统设计人员的关键指标。便携性突破了系统的界限，以满足消费者对“口袋”和便携式复杂工具的需求，而性能需求决定了整个系统的动态范围。更高的动态范围或更低的噪声可提供更高质量的图像，从而实现更好的诊断。为医生和临床医生提供高性能的便携式超声机器对系统设计人员和系统内使用的组件提出了更高的要求。

本文将回顾提供基于性能的便携式产品时必须解决的前期考虑因素，这些产品为超声系统设计人员提供了将新成像产品推向全球市场所需的灵活性。

系统权衡

超声系统仍然很复杂，尽管多年的研究和开发已经产生了重大的技术进步。与其他复杂系统一样，存在许多系统分区方法。

多年来，制造商通过设计自己的定制专用集成电路（ASIC）来实现这些复杂的系统。该解决方案通常由两个ASIC组成，它们实现了大部分时间增益压缩（TGC）和接收/发送（Rx/Tx）路径，如图1所示。

图1.超声信号处理通道的ASIC方法。

在多通道压控放大器（VGA）、模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）普及之前，这种方法很常见。定制电路允许设计人员集成低成本、灵活的功能，随着时间的推移可以节省成本，因为将大部分信号链集成到其中可以最大限度地减少外部元件的数量。

不幸的是，随着时间的推移，通过这些平版印刷技术获得的技术在规模和功耗方面都显示出它的年龄。ASIC具有大量门，但其数字技术尚未经过优化，无法成功实现高性能ADC等模拟功能。由于供应商数量有限，ASIC也限制了系统设计人员。

尽管使用这种分区方法可以实现高性能映像，但在便携性、大小和功耗方面并不是最佳的。四通道和八通道TGC、ADC和DAC的出现使尺寸和功耗得以减小，但不影响性能，从而为这些市场带来了新的系统方法和新的参与者。

多通道组件允许设计人员将器件更紧密地连接在一起，从而增加系统中的通道数量。它们还允许设计人员在两个或多个电路板之间划分敏感电路以完成系统。这允许在许多平台开发中有效地重用电子电路。

请注意，随着通道数的增加，这会导致动态范围的改善。实际上，噪声可以在系统中被视为不相关。通过将系统中的通道数加倍，噪声减半，动态范围增加3 dB。因此，与 16 通道系统相比，64 通道系统的动态范围可提高多达 12dB。但也存在缺点：通道数的增加会使印刷电路板（PCB）走线布线成为一场噩梦，迫使设计人员在某些情况下使用较少的通道数器件。这也给机械设计人员带来了新的热挑战，增加了系统成本和风扇噪音。

如今，IC制造商能够集成完整的多通道TGC路径，如图2所示。多通道、多元件集成使设计方法更容易，在不牺牲性能的情况下减小了PCB尺寸和功耗。随着更高级别的集成方案变得越来越占主导地位，成本、尺寸和功耗降低方面的优势再次随之而来，从而减少系统中的热量并延长电池寿命。

图2.多通道设计中常用的集成路径。

ADI公司的AD9272/AD9273等超声子系统集成了低噪声放大器（LNA）、VGA、抗混叠滤波器（AAF）、ADC和交叉点开关，可实现完整的时间增益压缩路径，这是超声系统中最常见的接收器路径。这两款器件为系统设计人员提供了以性能换取功耗的灵活性：高性能AD9272具有低噪声（0.75nV/√Hz），而低功耗AD9273在40 MSPS时每个TGC通道的功耗仅为100 mW。由于引脚数量和外壳尺寸至关重要，因此引脚兼容器件采用串行I/O。与多芯片解决方案相比，紧凑的 14 mm × 14 mm × 1.2 mm 封装可将每通道面积和功耗降低 33% 以上。

大多数超声公司都承认，他们的关键知识产权（IP）在于探头和波束成形技术。多通道IC正迅速成为商品器件，结束了高成本组件，以及完成系统并获得额外性能或节省功耗所需的单个TGC路径的无休止的调整和优化。正在考虑进一步整合超声系统的其他部分;研究表明，如果前端电子器件离探头更近，探头损耗会更小，信号灵敏度会更高，从而使系统设计人员能够放宽对前端组件（LNA/VGA）的要求。信号链这些部分的集成可能被证明是有益的。

超声趋势

由于如此多的应用需要超声技术，因此对性能和便携性的要求很高。性能驱动的应用程序（如心脏病学和 4-D 图像处理）包含最多的通道、功能和选项。功率不是驱动因素，因为这些系统用于患者的床边、手术室套件或护士分诊，但性能是关键，因为这些系统用于人类诊断。

便携式超声提供了一系列不同的应用机会，特别是在可靠电力稀缺或不存在的地方，例如偏远的乡村诊所、紧急医疗服务、动物养殖、桥梁和大型机械检查。

超声系统一般可分为三类：高端、中端和低端。高端超声系统处于最新技术和市场功能的最前沿，产生最好的图像，并且价格更高。中端系统通常具有高端超声系统提供的功能子集，而不会在图像质量上做出太多牺牲。低端系统进一步缩小，在某些情况下，服务于特定的应用，可以是临床或其他应用。技术进步带来的趋势表明，低端系统开始赶上中端系统的图像质量，使诊断变得精确、无创和及时。

超声设计的新工具

超声波涵盖了各种不同的应用，因此系统设计人员必须做出的权衡已经增加。每种模式都有限制，这些限制通常由性能与功耗来定义。如今，这些挑战已经通过允许设计人员扩展IC内性能与功率比的组件来应对，从而缩短上市时间。ADI公司的AD927x在IC内提供大量可配置性，以调整输入范围、偏置、采样速率和增益。根据所需的成像模式或探头类型，系统设计人员可以实时适当地对设计进行系统扩展，以最小的功耗提供最大的性能。

在典型应用中，系统需要从产生0.5 Vpp信号的5 MHz探头采集图像。如果LNA的噪声为0.86 nV/√Hz，或整个通道为1.4 nV/√Hz，并且源端接为50欧姆，则系统的输入动态范围将为92 dB，从而产生3.8 dB的噪声系数（NF）。这意味着输出动态范围为66.3 dB，使系统设计人员能够保持最佳性能，同时在40 MSPS时仅消耗191 mW/通道。

如果系统性能超出预期，系统设计人员可能会决定在系统中将输入动态范围降低2 dB是合理的。如果节省 50 mW 通道。系统设计人员可以试验增益、偏置、端接和其他参数，看看这是否可行，但在更改所有这些参数时，可能很难理解系统的权衡。

图形配置工具（例如ADI公司为其AD927x系列提供的图形配置工具图4）使系统设计人员能够方便地评估性能。在该工具中，所有系统功能都已到位，使系统设计人员能够快速做出这些权衡，并将系统扩展直接推入IC级。因此，设计人员不再需要更改实际硬件，也不再需要进行繁琐的图像处理测试来验证这些权衡。此外，配置工具会将优化的配置参数转换为数字设置，并生成一个文件，该文件可以复制零件的最终系统配置设置。

图4.AD9272/9273图形配置工具

结论

如今，集成多通道设备的进步进一步推动了系统的灵活性。毫无疑问，新的创新产品和配置工具使系统设计人员的生活更轻松。这为开发多样化的超声产品提供了一种方法，这些产品在性能与功耗方面是可配置和可扩展的，具体取决于成像模式。

审核编辑：郭婷