通过集成和功率缩放解决超声领域的工程挑战

集成多通道设备的进步正在降低用于医疗保健和工业应用的便携式低功耗超声系统的功耗、尺寸和成本。

在 1990 年代初期，现代笔记本电脑大小的“便携式”电话（有时称为“包式电话”）被广泛使用。不到二十年后，口袋大小的手机可以发送电子邮件和短信，拍照，获取股票报价，预约，当然，还可以打电话给世界上任何地方的任何人。同样，在医疗领域，早期所谓的“便携式”超声系统是基于推车的，功率高，而且成本极高。幸运的是，多年来，超声系统也受益于硅集成和功率缩放方面的突破。

这些突破产生了更便携、更高效的超声系统，具有改进的图像性能和更多的功能。更高的动态范围、更低的功耗和更紧凑的系统级IC可提供高质量的图像，从而实现更好的诊断。未来的超声系统很可能成为手持式，成为医生的第二个“听诊器”。

超声信号链

图1显示了超声系统信号链的简化图。所有超声系统在相对较长的电缆末端使用换能器，通常约为两米。该电缆包含至少 8 根（多达 256 根）极细同轴电缆，是系统中最昂贵的部件之一。几乎在每个系统中，传感器元件直接驱动电缆。电缆电容会加载传感器元件并导致明显的信号衰减。这需要高度灵敏的接收器来保持动态范围并产生最佳的系统性能。

图1.典型超声信号链。

在发射侧（Tx路径），波束形成器确定设置所需焦点的脉冲序列的延迟模式。然后，波束成形器的输出由驱动换能器的高压发射放大器放大。这些放大器可由数模转换器（DAC）或高压FET开关阵列控制，以塑造发射脉冲，以便更好地将能量传输到传感器元件。在接收侧，发送/接收（T/R）开关（通常是二极管桥）阻断高压Tx脉冲。某些阵列中使用高压 （HV） 多路复用器/解复用器，以牺牲灵活性为代价来降低发送和接收硬件的复杂性。

时间增益控制 （TGC） 接收路径由低噪声放大器 （LNA）、可变增益放大器 （VGA） 和模数转换器 （ADC） 组成。VGA通常具有线性dB增益控制，与反射超声信号的衰减相匹配。在操作员的控制下，TGC路径用于在扫描过程中保持图像均匀性。低噪声LNA对于最小化以下VGA的噪声贡献至关重要。有源阻抗控制优化了受益于输入阻抗匹配的应用的噪声性能。

VGA压缩宽动态范围输入信号，以适应ADC的输入范围。LNA的输入参考噪声限制了最小可分辨输入信号，而输出参考噪声（主要取决于VGA）限制了在特定增益控制电压下可以处理的最大瞬时动态范围。该限值根据量化本底噪声设置，该噪声本底由ADC分辨率决定。早期的超声系统基于 10 位 ADC，但大多数现代系统使用 12 位或 14 位 ADC。

抗混叠滤波器（AAF）限制信号带宽，并抑制ADC之前TGC路径中的无用噪声。

波束成形应用于医疗超声，定义为从公共源产生但由多元件超声换能器在不同时间接收的信号的相位对齐和求和。在连续波多普勒（CWD）路径中，接收器通道经过相移并相加以提取相干信息。波束成形有两个功能：它赋予换能器方向性——增强其增益——并定义体内的一个焦点，从中得出返回回波的位置。

波束成形有两种不同的方法：模拟波束成形 （ABF） 和数字波束成形 （DBF）。ABF 和 DBF 系统之间的主要区别在于波束成形的完成方式;两者都需要极好的通道间匹配。在ABF中，使用模拟延迟块和求和。只需要一个精密高分辨率、高速ADC。DBF系统是目前最常用的方法，采用“许多”高速、高分辨率ADC。DBF系统中的信号采样尽可能靠近传感器元件;然后，信号被延迟并以数字方式求和。DBF 架构的简化示意图如图 2 所示。

图2.数字波束成形 （DBF） 系统的简化图。

集成和分区策略

尽管技术取得了巨大进步，但超声系统拥有如此多的通道和组件，是当今构建的最复杂的系统之一。与其他复杂系统一样，存在许多系统分区方法。在本节中，将回顾几种超声分区策略。

早期的超声系统利用模拟波束成形技术，需要大量的模拟组件。TGC和Rx/Tx路径中的数字处理是通过定制ASIC完成的。在多通道VGA、ADC和DAC普及之前，这种方法很常见。ASIC具有大量门，其数字技术未针对模拟功能（如放大器和ADC）进行优化。使用ASIC的系统必须严重依赖供应商的可靠性。

使用 ASIC、FPGA 和 DBF 技术以及分立式 IC ADC 和 VGA 是迈向便携性的第一步，但多通道四通道和八通道 TGC、ADC 和 DAC 的可用性使尺寸和功耗显著降低成为可能。这些多通道组件允许设计人员将敏感的模拟电路与数字电路分开。这允许系统扩展和电子电路在许多平台上的良好重用。

然而，互连四通道和八通道VGA以及具有高引脚数的ADC会使PCB走线布线变得困难，在某些情况下迫使设计人员使用较小的通道数器件，例如从八通道ADC转移到四通道ADC。将大量这些多通道元件放置在小区域内也会出现热问题。确定最佳分区可能成为一个挑战。

通过多通道、多元件集成进一步集成完整的TGC路径，使设计方法更容易，因为对PCB尺寸和功率的要求进一步降低。随着更高级别的集成度变得越来越占主导地位，便携式设备在成本、尺寸、功耗降低和更长的电池寿命方面再次具有优势。

这种架构可以使用AD9271等超声子系统构建，其中包括LNA、VGA、可编程抗混叠滤波器、12位ADC和用于8通道TGC的串行LVDS输出。

终极超声解决方案在探头中集成了更多的电子功能，尽可能靠近换能器元件。请记住，来自探头元件的电缆会阻碍动态范围，并且成本高昂。如果前端电子器件离探头更近，则电缆损耗的影响将降至最低，从而减轻对LNA的要求，从而降低功耗。一种方法是将LNA移动到探头电子设备中。另一种方法是在探头和PCB电子设备之间分配VGA控制。最终，该系统更接近于装入超小型封装。缺点是设计人员已经绕了一圈，现在必须定制探头。换句话说，探头/电子定制将导致现代设计人员遇到与使用数字ASIC的早期设计人员相同的问题。

使用现代 IC 进行功率/性能扩展

超声波涵盖了广泛的不同应用，因此系统设计人员必须做出的权衡已经增加。每种诊断成像方式都有局限性，这些局限性通常由性能与功率来定义。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。同样，寻找一个超声子系统，它在IC内提供许多选项来调整输入范围、偏置电流、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。

设计人员还可以为这些器件使用配置设计工具，从而评估单个探头和模态性能，如图3所示。系统设计人员可以快速做出这些权衡，并直接在IC级别扩展系统设计。这消除了更改硬件和执行复杂的图像处理测试来验证这些权衡的需要。此外，配置工具将优化的配置参数转换为数字设置，并生成一个文件，该文件可以复制系统的零件最终配置设置。

图3.超声子系统配置工具 图形用户界面。

结论

便携式和低功率超声系统在医疗和工业应用中的趋势日益增长。所有这些系统都有类似的要求，并且近年来已通过集成和功率缩放创新实施。

如今，集成多通道设备的进步进一步降低了功耗、尺寸和成本。毫无疑问，新的创新产品和配置工具使系统设计人员的工作更轻松。这提供了一种开发多样化超声产品的方法，这些产品具有可配置和可扩展的性能与功耗，具体取决于成像模式。

大多数超声制造商的知识产权（IP）在于探头和波束成形技术。商用器件（包括四通道和八通道ADC）的多通道集成最大限度地减少了高成本模拟元件，并减少了在TGC路径中进行耗时校准的需求。超声系统的其他部分提供了进一步集成的可能性。集成更多的信号链部分将进一步降低功耗、尺寸和成本，并提高处理能力。

审核编辑：郭婷