紧凑型超声成像设备中的连续波多普勒设计挑战

超声系统中要求最苛刻的临床诊断工具之一是连续波多普勒（CWD）。遗憾的是，为了最大限度地减少空间和成本而需要进行的设计权衡，导致CWD接收器的灵敏度低于最佳水平。通过分析当前一代CWD接收器性能有限的原因，设计人员可以利用集成方面的最新进展，从而产生高度集成的低功耗双极性放大器和CWD混频器/波束成形器芯片。这些下一代电路使新的CWD解决方案能够提供不折不扣的诊断性能。

CWD 基础知识

在典型的相控阵CWD方案中，64至128个可用的超声探头晶片被分成大约相等的两半，围绕探头孔径的中心。一半的元件用作发射器以产生聚焦的声学CWD发射光束，另一半用作接收器以产生聚焦的接收光束。施加到发射元件的信号是目标多普勒频率的方波，通常为1.0MHz至7.5MHz。通过正确定相施加到发射元件的信号来聚焦发射光束。以类似的方式，CWD接收信号通过对来自每个接收元件的信号进行定相和求和来聚焦。

由此产生的“波束成形”CWD接收信号是来自静止组织的强信号（通常称为杂波）和来自移动血液的弱得多的多普勒信号的组合。单个相控阵接收通道输入端的典型杂波信号可高达200mVP-P，而折合到输入端的接收器的本底噪声可低至1nV/√Hz。这表明，要实现最佳接收机性能，每通道的SNR约为157dBc/Hz。

对于具有64个通道的典型假设CWD接收器，应该注意SNR要求是极端的。来自每个接收通道的噪声不相干，因此，相加的64通道波束成形信号的本底噪声将比单个通道的本底噪声高出约18dB。然而，每个通道上的CWD信号是相干的，波束成形的CWD信号应比单个通道上的CWD信号大约36dB。这种“求和增益”效应导致所需的波束成形SNR比单个通道高约18dB，或约175dBc/Hz！更困难的是，目标低速多普勒信号可以在杂波信号的1kHz或更小范围内。人们可以很容易地理解为什么这种超声模式如此难以有效实施。

基于延迟线的CWD波束成形

目前的紧凑型超声系统通常使用模拟延迟线接收器实现CWD（图1）。来自超声波接收元件的输入信号使用LNA缓冲并放大约20dB。这些LNA的输出被转换为电流，然后使用交叉点开关和模拟延迟线的组合在输入RF频率处形成波束。

图1.基于CWD延迟线的接收器的简化示意图。

这种架构在紧凑的系统中相对容易实现，因为它依赖于易于集成的电压-电流转换器、模拟开关、一些无源延迟线和单个I/Q混频器对。每个接收器所需的延迟是通过对交叉点开关进行编程来实现的，以求和并通过延迟线中的适当抽头路由电流信号。

然后将波束成形RF CWD信号混合到基带I和Q音频信号，因此I和Q信号可以进行带通滤波，然后使用高分辨率音频ADC转换为数字格式以进行数字频谱处理。RF至基带混频过程通常是该接收器阵容中的SNR瓶颈，也是CWD性能显著下降的地方。在这个64通道的例子中，用于波束成形信号的I/Q射频混频器要求在1kHz偏移时具有大约175dBc/Hz的动态范围。

具有这种性能的混音器极难找到或设计。此外，本振驱动信号必须具有极低的抖动性能。遗憾的是，没有现成的逻辑系列具有接近此水平的性能。虽然延迟块CWD波束成形器方案满足紧凑型超声系统的最低需求，但这些问题造成的性能限制可能很大。

基于混频器的CWD波束成形

制作CWD系统的更高性能方法采用CWD混频器/波束成型器，如图2所示。在该实现中，为每个通道提供一个I/Q混频器，波束成形求和发生在基带而不是RF处。在此实现中，每个I/Q混频器的LO相位可编程为n = 8至16相之一。改变LO的相位会改变接收信号的相位，从而实现波束成形。

图2.低功耗双极性LNA和CWD混频器/波束成形器可以实现简单、高性能的CWD接收器。

由于混频器是按通道实现的，因此在1kHz偏移时，每个混频器的SNR要求可以放宽至157dBc/Hz。该SNR仍然非常苛刻，但可以使用双极性混频器和标准逻辑系列来实现。由于混频器输出是电流，并在音频基带频率下无源求和，因此可以实现所需的波束成形CWD SNR。

基于混频器的CWD波束成形解决方案

过去，由于集成不足，这种优质类型的CWD波束形成器架构的实施对于大量超声系统来说是不切实际的。情况已不再如此。对于要求不折不扣的CWD和成像性能的功耗敏感性较低的应用，集成双极性八通道VGA具有可编程CWD混频器/波束形成器通道。MAX2038 VGA如图3所示。

图3.这种简化的单通道超声接收器具有MAX2038和MAX2034。MAX2038集成8个VGA和CWD I/Q混频器/波束成形器通道，MAX2034集成4个LNA通道。

对于功耗和空间要求较高的应用，有更新、集成度更高、功耗更低的方案，如图4所示的MAX2078。该芯片包含完全集成的八通道接收器，在单个双极性IC中集成了LNA、VGA、抗混叠滤波器和可编程CWD混频器/波束形成器通道。现在，更多种类的超声系统可以实现出色的CWD性能，而不受以前与延迟线CWD架构相关的限制。

图4.MAX2078是超低功耗、八通道超声接收器，带CWD波束成形器，集成了8个高性能、低功耗超声接收通道，包括LNA、VGA、抗混叠滤波器和完全可编程的I/Q混频器/波束成形器。

应该注意的是，在任何CWD接收器的实现中，另一个潜在问题是LNA放大器的SNR性能。许多超声系统设计人员都选择了CMOS LNA来减小尺寸和功耗。虽然这些器件似乎适合该应用，但它们可能会限制CWD性能。对于采用小于0.35μm的CMOS几何尺寸制造的放大器尤其如此。在这些较小的工艺节点中实现的电路通常具有较高的1/f噪声，并且可能导致LNA增益的低频调制，这是一种非常不希望的影响。

通过此类LNA的大RF CWD杂波信号将产生明显的低频调制噪声，从而破坏SNR性能并降低CWD灵敏度。因此，像4通道MAX2034这样的低功耗双极性LNA通常更适合此类应用。

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郭婷