本文檔解決了醫(yī)學(xué)超聲應(yīng)用的設(shè)計挑戰(zhàn)和解決方案。這尤其適用于緊湊型設(shè)計，因為它們的用途現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健領(lǐng)域。本說明重點介紹了通過模擬集成和噪聲抑制來應(yīng)對挑戰(zhàn)。

對更便攜式和低成本醫(yī)學(xué)超聲成像設(shè)備的需求對其設(shè)計產(chǎn)生了重大影響。本應(yīng)用筆記回顧了使這些緊湊型超聲系統(tǒng)成為可能的模擬集成的最新進展，然后討論了與控制緊湊型系統(tǒng)中的噪聲相關(guān)的一些設(shè)計挑戰(zhàn)以及正確的前期系統(tǒng)設(shè)計的重要性。

在過去的十年中，醫(yī)學(xué)超聲成像設(shè)備經(jīng)歷了一場革命。集成電子技術(shù)的進步使設(shè)備制造商能夠顯著提高這種功能強大的醫(yī)療工具的便攜性和可承受性。曾經(jīng)重達數(shù)百磅，需要推車才能移動的東西，如今已經(jīng)變成了便攜式筆記本電腦的大小。毋庸置疑，對醫(yī)學(xué)界和患者的影響是深遠的。在發(fā)達國家，現(xiàn)在在患者的護理點使用超聲波，這可以降低成本并改善結(jié)果。在發(fā)展中國家，超聲成像現(xiàn)在可用于其主要是農(nóng)村人口的更大比例的人群。這些新的，更便攜式的低成本系統(tǒng)對全球醫(yī)療保健的影響是巨大的，并廣受歡迎。

開發(fā)這些緊湊型成像解決方案的道路并不容易。隨著制造商努力使這些系統(tǒng)更便攜，更便宜，性能更高，已經(jīng)存在并將繼續(xù)存在巨大的設(shè)計挑戰(zhàn)。本應(yīng)用筆記重點介紹了該設(shè)備設(shè)計人員面臨的一些更重要的設(shè)計挑戰(zhàn)。

高質(zhì)量成像和空間溢價

緊湊型超聲系統(tǒng)的設(shè)計人員必須適合將大量高質(zhì)量圖像發(fā)送到可用的小空間所需的超聲收發(fā)器。這不是簡單的任務(wù)。當(dāng)前最先進的系統(tǒng)通常擁有128個或更多這些收發(fā)器。典型的超聲收發(fā)器框圖如圖1所示。為了產(chǎn)生超聲圖像，收發(fā)器的高壓發(fā)射器會生成適當(dāng)?shù)亩〞r高壓脈沖，以激發(fā)超聲換能器元件并產(chǎn)生聚焦的聲波傳輸。來自該傳輸?shù)穆暷鼙换颊唧w內(nèi)的阻抗不連續(xù)性反射，被相同的元件接收，并被路由回收發(fā)器的接收器部分。

超聲波收發(fā)器框圖顯示了所需的各種功能。

接收器由發(fā)射/接收（T / R）開關(guān)，低噪聲放大器（LNA），可變增益放大器（VGA），抗混疊濾波器（AAF）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成（ADC）。每個換能器元件都通過T / R開關(guān)連接到LNA，該開關(guān)可保護LNA輸入免受高壓發(fā)射信號的影響。LNA本身提供初始固定增益，以優(yōu)化接收器的噪聲性能。VGA用于補償體內(nèi)超聲信號隨時間的衰減，從而降低了后續(xù)ADC的動態(tài)范圍要求。接收鏈中的AAF可以防止超出正常最大成像頻率的任何高頻噪聲被ADC映射到接收頻段。放大并數(shù)字化的信號在超聲系統(tǒng)的數(shù)字波束形成器中被延遲和求和，以生成聚焦的接收波束形成信號。所得的數(shù)字信號用于生成2D圖像以及脈沖模式多普勒信息。

接收器在LNA之后還有一條單獨的連續(xù)波多普勒（CWD）接收器/波束形成器路徑。在CWD模式下，接收機的動態(tài)范圍要求非常苛刻，超出了VGA / ADC信號路徑的范圍。通過將接收到的信號與適當(dāng)相位的本機振蕩器（LO）混合并相加所得的基帶信號，可以實現(xiàn)CWD波束成形。結(jié)果，CWD接收器模塊由高動態(tài)范圍模擬同相/正交（I / Q）混頻器和可編程LO發(fā)生器組成。

可以看到，典型的收發(fā)器具有重要的功能，將其中128或更多的功能集成到PC大小的設(shè)備中是一項設(shè)計挑戰(zhàn)。模擬IC制造商已通過更高度集成的解決方案來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)在很常見的是找到八進制接收器，包括最小10mm x 10mm的LNA，VGA，AAF和ADC。高壓脈沖發(fā)生器現(xiàn)在也提供4通道和8通道單封裝配置，尺寸小至10mm x 10mm。這些進步意義重大，并在使當(dāng)前的便攜式系統(tǒng)成為主流方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，展望未來，會有更多的整合機會。

MAX2082超聲收發(fā)器集成了完整的接收器，T / R開關(guān)，耦合電容器和3電平高壓脈沖發(fā)生器。

MAX2082八通道收發(fā)器（圖2）是高度集成的超聲解決方案最新進展的一個例子。它包括完整的接收器，T / R開關(guān)，耦合電容器和3級高壓脈沖發(fā)生器，并采用10mm x 23mm的單個封裝。該單個收發(fā)器節(jié)省了大量空間，減少了設(shè)計時間，并降低了整體系統(tǒng)成本。

發(fā)射/接收（T / R）開關(guān)具有九個分立組件。在128通道系統(tǒng)中，僅這些開關(guān)就有1000多個分立部件。

這種高度集成的收發(fā)器可以節(jié)省大量空間。僅集成的T / R開關(guān)即可節(jié)省大量資金。考慮一下大多數(shù)現(xiàn)有超聲系統(tǒng)中使用的典型離散T / R開關(guān)（圖3）。此T / R開關(guān)實現(xiàn)中有九個分立組件。在128通道系統(tǒng)中，僅T / R開關(guān)功能就代表1000多個分立部件！

收發(fā)器電源管理

電源也是這些高度集成設(shè)計中的主要關(guān)注點。這些超聲波系統(tǒng)中有許多是便攜式的，兩次充電之間必須用電池運行一個小時或更長時間。熱量管理也存在問題，因為組件密度非常高，并且PCB之間的距離非常近，幾乎沒有空氣流通的空間。超聲波收發(fā)器占整個系統(tǒng)功率預(yù)算的很大一部分，因此，需要引起大量設(shè)計關(guān)注。

在過去的10年中，超聲波接收器的功率已減少了一半。現(xiàn)在常見的IC接收器解決方案包括LNA，VGA，AAF和ADC，每個通道的功耗不到150mW。這些新一代接收器還具有更靈活的功率控制功能，允許用戶在功率與性能之間進行權(quán)衡，并在系統(tǒng)處于非成像模式時利用低功率，快速喚醒的“小睡”模式來節(jié)省功率。

未來還有更多的改進機會。例如，由于需要大量的偏置電流來降低二極管的導(dǎo)通阻抗，以滿足所需的噪聲性能，因此T / R開關(guān)本身每個通道的耗電量可能會超過80mW。這幾乎與接收器的其余部分一樣強大！像上面提到的MAX2082收發(fā)器這樣的產(chǎn)品中，較新的專有集成式T / R開關(guān)設(shè)計比這些分立設(shè)計具有更好的噪聲性能，每通道不到15mW。

編輯：hfy