为超声系统选择高速信号处理元件

Paul Errico 和 Allen Hill

医学超声需要控制和处理各种高速信号。这些信号包括高频声波、高频/宽动态范围连续/脉冲波、高速数字处理和视频显示。许多电路设计人员面临的挑战是组合所有这些高频信号，同时面临功耗、电路板面积和成本的严格限制。

在过去的四十年中，超声研究、开发和商业化如雨后春笋般涌现。直到60年代末，第一台商用超声扫描仪才可用于心脏病学，神经病学和妇产科应用。下一个重大突破是灰度成像的引入，随后是实时灰度扫描。另一个重大进展是引入了彩色多普勒，用于确定血流的速度和方向。

图1.用于超声扫描的探头相控阵。

用于对人体内部进行成像的超声仪器是一个复杂的系统;它由许多高速处理元件和子系统组成。超声成像背后的基本概念类似于声纳。声波从换能器或换能器阵列传输，换能器或换能器阵列也“侦听”反射信号（图 1）。通过使用信号处理技术组合反射信号，并在宽扫描区域执行此过程，可以构建图像来分析该区域。与声纳不同，超声波在高频（1至10 MHz）下工作，穿透人体内部数厘米的深度，可用于创建1维，2维和3维图像。

市场技术障碍和高速产品

与其他诊断成像方式不同，超声提供其他成像技术无法实现的实时视频和音频输出。对于训练有素的眼睛和耳朵来说，视频显示和音频信号提供了重要的诊断信息。

系统帧速率和空间分辨率以及灰度或彩色视频显示参数为信号的传输、接收和处理速率建立了边界。经验法则是声波在软组织中以 1540 m/s 的速度传播。例如，超声信号必须总共传播 20 厘米（进入体内 10 厘米，返回 10 厘米）大约需要 130 μs。生成 128 条扫描线（“风扇”型显示器的典型数字）所需的总时间为 130 μs x 128 = 16 ms，最大更新速率为 60 帧/秒 （fps）。此外，如果每条扫描线有多个焦点区域，则用于发射和接收的组件必须具有快速压摆率、建立时间和转换速率。

软组织中超声信号衰减的经验法则为 1 dB/cm/MHz。例如，5 MHz信号的衰减因子为5 dB/cm。如果目标位于 10 cm 的深度，则反射信号将衰减 100 dB。这表明在更深入体内成像时，通常使用低于5 MHz的频率。

超声系统的另一个重要特征是它必须是便携式的，但在标准 120 V/220 V 插座供电下运行。因此，低功耗是所有高速信号处理组件的关键要求。随着发射和接收通道数量的增加，每通道的低功耗变得尤为重要。

这些“障碍”说明了对高速、低失真、宽动态范围和低功耗信号链元件的需求。

市场趋势

模拟波束形成 （ABF） 超声系统具有多个模拟前端 （AFE） 通道（见图 2）。需要可变增益放大器来补偿被穿透介质中的衰减。时间延迟元件用于最大化来自预定点源（焦点区域）的反射信号的信噪比。来自每个通道的延时信号上的相应点被求和、压缩和幅度检测（整流）。模数转换器 （ADC） 处理图像（8-10 位，20 MHz）、音频（音频采样速率下基带 12 位及更多位）和彩色多普勒信息（高达 12 MHz 时最多 10 位）。

图2.模拟波束成形系统的前端信号电子器件。

数字数据使用 FPGA、固定功能的现成数字元件和数字信号处理器 （DSP） 进行处理。超声的实时能力需要通过数字处理（包括FIR，IIR滤波器和FFT处理）进行优化。然后，必须处理数字化数据（极坐标）并将其映射到矩形坐标，存储在缓冲存储器中，然后发送到视频和音频编码器。

数字波束成形 （DBF） 系统用每通道一个 ADC 取代了每个通道的时间延迟元件，并将连续信号元件存储在缓冲存储器中（参见图 3）。该转换器的时钟频率通常为40 MHz，需要10位分辨率。

用于超声波的高速IC元件

开关： 在ABF系统中，高速多路复用器用于创建交叉点开关。该开关用于通过将每个接收通道连接到集总无源LC元件或有源电路元件来选择每个通道的预定时间延迟。多路复用器必须表现出低R值上和快速 T上/T关闭开关特性。开关建立时间>100+ ns对于单条扫描线期间的多个测量点（门）来说不够快。四通道高速开关，如ADG201HS、ADG411和ADG441/2/4，提供快速T温度上/T关闭开关速度。

	T上。.max	T关闭。.max	传真代码*
ADG210HS	50ns	50ns	1493
ADG411	175ns	145ns	1503
ADG441/2/4	110ns	60ns	1513/4/5

* 有关这些产品的数据，请致电ADI的AnalogFax™行 1-800-466-6212，然后输入相应的传真回代码。

时间增益控制：随时间变化增益或时间增益控制（TGC）放大器是ABF和DBF架构的关键接收器组件。由于反射超声信号的大小取决于穿透深度，并且在靠近接收器的地方要大得多，因此增益必须随着时间的增加而增加。1 dB/cm/MHz的经验法则衰减系数要求TGC增益必须是控制电压的线性函数或“线性dB”。此外，带宽、群延迟和失真应与增益无关。三个第一代宽带宽（高达90 MHz）、低噪声（<1.7 nV/√Hz）、低失真TGC放大器可用于此功能。第二代类型（AD604和AD605）提供样品数量，提供更宽的增益控制、更高的集成度、更低的功耗和成本。

	渠道	输入电压噪声 nv/√Hz)	增益范围	传真代码*
AD600	2	1.2	0 dB 至 +40 dB	1193
AD602	2	1.22	-10 dB 至 +30 dB	1194
AD603	1	1.5	可编程范围为 -11 dB 至 +51 dB，增益范围为 40 dB	1195
AD604	2	0.75	可编程 14-20 dB 前置放大器，0 至 +48 dB，+6 至 +54 dB	致电ADI销售人员
AD605	2	1.7	单电源、48dB增益范围可编程-14 dB至+48 dB	致电ADI销售人员

* 有关这些产品的数据，请致电ADI的AnalogFax™热线1-800-466-6212，然后输入相应的传真回码。

TGC 控制 DAC 以 8 位分辨率提供控制 TGC 增益的电压。其输出压摆率和建立时间必须足够快，以执行“线性dB”电压控制。数据加载速度必须足够快，以便为每个新测量点更新每个控制DAC。由于ABF和DBF中都使用多个接收器通道，因此需要AD8600、AD7228和AD7528等多通道DAC。

	渠道	压摆率 （最小值）	数据设置 （分钟）	传真代码*
AD8600	16 （V型输出）	4 V/μs	40 纳秒	1429
AD7228A	8 （V型输出）	2 V/μs	90 纳秒	1261
AD7528	2 （I-输出）	130 纳秒	130 纳秒	1298

* 有关这些产品的数据，请致电ADI的AnalogFax™热线1-800-466-6212，然后输入相应的传真回码。

放大 器：在整个系统中，需要对模拟信号进行缓冲、缩放、放大和滤波。高速缓冲器用于驱动模数转换器，或用于驱动长或短电缆（例如，从系统到传感器头）的高速信号。它们还用于通过连接器或沿着印刷电路板的蚀刻将信号从一个印刷电路板驱动到另一个印刷电路板。

图3.用于数字波束系统的前端信号电子器件。

高频信号的压缩和检测用于提高转换器的有效范围并提高系统性能。AD606和AD640是两款宽带对数放大器，提供必要的压缩，并具有模拟波束形成超声所需的信号带宽。AD606提供80 dB的动态范围，频率高达50 MHz;AD640在高达50 MHz时提供120 dB的动态范围，两个器件可以级联95 dB。在某些工作模式下，压缩输出将超量程并使信号链中的下一个组件饱和。AD8036/AD8037等宽带箝位放大器是该应用的理想缓冲器;它们还可用于限制模拟输入电压和驱动高速ADC，防止模拟输入使ADC输入采样保持饱和。

除了具有宽带宽和功率经济性外，接收器信号链中使用的放大器（每个系统多个）还必须具有低失真。AD8011、AD8001、AD8047和AD9631/AD9632等放大器可提供许多超声应用所需的速度和性能。

高速视频放大器还用于驱动显示器和视频捕获设备的电缆。AD817/AD818、AD826和 AD828等视频放大器具有良好的视频性能，如差分相位和增益规格。

	主要功能	传真代码*
AD8001	800兆赫，50毫瓦	1396
AD8011	300兆赫，1毫安	1863
AD8047/48	250 MHz，通用	1868
AD9631/32	高速、低失真	1468
AD8036/37	宽带，钳形	1836
AD812	双通道 65MHz，40 mW	1402
AD817/818	视频	1404/05
AD813	三路视频放大器，关断	1403
AD826/828	视频、2通道AD817/AD818	1408/10

*有关这些产品的数据，请致电ADI公司的AnalogFax™行 1-800-466-6212，然后输入相应的传真回代码。

模数转换器：向DBF的持续转变正在增加每个系统使用的ADC数量。随着低功耗、低成本和高性能ADC的问世，超声设计人员正在为每个换能器元件集成一个ADC。这允许在数字域中完成波束形成，从而提供固有的稳定性和更高的精度。DBF省去了笨重的LC延迟元件，并用高速ADC取代了每个元件。每个系统的典型通道数从64到256不等，由传感器元件的数量和信噪比目标决定。

AD9050（10位、40 MSPS ADC）旨在满足DBF超声系统的苛刻要求。首先重要的是低功耗。由于每个系统多达 256 个 ADC，即使 ADC 功率略有增加，也会显著提高整体系统功耗。AD9050采用单电源（+300 V）供电，功耗仅为5 mW;它采用创新的架构，采用最先进的BiCMOS工艺制造。

ADC性能对图像质量至关重要。DBF系统设计人员的关键要求是以最低的功耗和成本提供最高质量的图像。用于量化图像质量的关键ADC参数是有效位数（ENOB）。ADC的ENOB越接近理论分辨率，图像再现就越忠实。图像带宽由换能器频率决定，通常范围为1至10 MHz。ADC的ENOB与频率的关系图在目标带宽上应该是平坦的。

ADC的采样速率经过明智选择，以实现最佳系统性能。高时钟速率提供了解决小时间延迟的能力，从而改善了数字波束成型机的焦点。高时钟速率还允许探头频率过采样4×以便对彩色流应用进行高效检测。大多数DBF系统的时钟速率范围为30至40 MSPS。AD9050的采样速率高达40 MSPS，其时钟输入和数字输出可配置为5 V或3 V工作电压。随着设计人员寻求最大限度地降低系统功耗，使用3V ASIC处理ADC的数字输出变得越来越普遍。

超声系统的另一个关键ADC参数是输入过驱的恢复时间。在多普勒模式下，增益设置为最大值，因为测量的现象非常小（血流速度）。在这种情况下，来自容器壁的反射信号将过驱动ADC输入;然后在恢复后进行有效的血流量测量。由于ADC分辨率仅为10位，因此必须对多条数据记录进行平均，以实现准确的血流测量。如果过载恢复不一致，则记录之间缺乏相关性将导致流量测量错误。

AD9050的模拟输入部分设计用于防止输入过驱动时数据损坏和损坏。标称输入范围为+2.8 V至+3.8 V（1 V p-p，中心电压为3.3 V）。“超出范围”比较器检测模拟输入信号何时超出此范围，并关闭输入跟踪保持。数字输出锁定在其最大值或最小值（即所有“0”或全部“1”）。这可以防止它们在模拟输入超出范围时更改为无效值。输入保护电压高达0.7 V;即，对于标称功率（+5 V和地），模拟输入不会因+5.7 V至-0.7 V的信号而损坏。

当模拟输入信号返回到标称范围时，超出范围的比较器将轨道保持切换回活动模式，器件在大约10 ns内恢复。

以下是可用合适转换器的快速摘要：

主要功能	分辨率（位）	采样率（兆赫）	传真代码
成像
AD775	8	20	1345
AD876/8	8	20	1375/6
AD9058	8	40	1455
AD876	10	20	1838
AD9050	10	40	1843
颜色流动
AD1672	12	3	1880
AD870	12	10	致电ADI销售人员
AD872	12	10	1431
AD9022	12	20	1840
AD9026	12	25	1842
AD9042	12	41	1922
音频
AD7870A， 75/76	12	100千赫	1898, 1374/5
AD7871/72	14	83 千秒	1371/2
AD7871	12（4 通道）	8 μs/通道	1373
AD7878	12（8字先进先出）	100千赫	1376

* 有关这些产品的数据，请致电ADI公司的AnalogFax™行，1-800-446-6212，然后输入相应的传真回代码.

数字信号处理器：必须处理的数据的测量点数量、速度和宽动态范围需要使用高速数字处理器。DSP执行FIR/IIR滤波和计算AFE时间延迟变量等任务。ADSP-21060（32位浮点、40 MIPS）SHARC DSP处理器具有4 Mbit片内存储器，可提供超声和许多其他医学成像应用等要求苛刻的应用所需的性能。如果许多计算的累积舍入误差不会对给定系统造成严重问题，那么具有片内存储器和高速操作的高性价比16位定点处理器（如ADSP-2171和ADSP-2181）可提供多功能I/O和高达33 MIPS的性能。

		传真代码
ADSP-21060	32 位、40 MIPS、4 Mbit 内部内存	1870
ADSP-2171	16 位，33 MIPS，片上存储器，PROM	1869年（52页）
ADSP-2181	16 位，增强型 2171	1927

* 有关这些产品的数据，请致电ADI的AnalogFax™热线1-800-446-6212，然后输入相应的传真回码。

处理后的数据被发送到视频显示器和音频编码器。三路8位至10位RAM-DAC，即ADV系列产品，用于将数字字转换为模拟字以进行彩色显示。AD720/721/722系列模拟RGB至NTSC/PAL编码器与AD813、AD817/818和AD826/828等视频放大器（低成本、良好视频性能的行业标准放大器）相结合，适用于各种视频显示和录制标准。

审核编辑：郭婷