前置放大器、VGA和高速ADC的多通道集成提供了更好的動(dòng)態(tài)范圍和更好的超聲圖像質(zhì)量。更低的功耗和更小的尺寸可以為低成本的便攜式設(shè)備帶來(lái)這些改進(jìn)。

在當(dāng)今的超聲市場(chǎng)中，便攜性和性能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的關(guān)鍵指標(biāo)。便攜性突破了系統(tǒng)的界限，以滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)“口袋”和便攜式復(fù)雜工具的需求，而性能需求決定了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。更高的動(dòng)態(tài)范圍或更低的噪聲可提供更高質(zhì)量的圖像，從而實(shí)現(xiàn)更好的診斷。為醫(yī)生和臨床醫(yī)生提供高性能的便攜式超聲機(jī)器對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)內(nèi)使用的組件提出了更高的要求。

本文將回顧提供基于性能的便攜式產(chǎn)品時(shí)必須解決的前期考慮因素，這些產(chǎn)品為超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了將新成像產(chǎn)品推向全球市場(chǎng)所需的靈活性。

系統(tǒng)權(quán)衡

超聲系統(tǒng)仍然很復(fù)雜，盡管多年的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)產(chǎn)生了重大的技術(shù)進(jìn)步。與其他復(fù)雜系統(tǒng)一樣，存在許多系統(tǒng)分區(qū)方法。

多年來(lái)，制造商通過(guò)設(shè)計(jì)自己的定制專(zhuān)用集成電路（ASIC）來(lái)實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的系統(tǒng)。該解決方案通常由兩個(gè)ASIC組成，它們實(shí)現(xiàn)了大部分時(shí)間增益壓縮（TGC）和接收/發(fā)送（Rx/Tx）路徑，如圖1所示。

圖1.超聲信號(hào)處理通道的ASIC方法。

在多通道壓控放大器（VGA）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）普及之前，這種方法很常見(jiàn)。定制電路允許設(shè)計(jì)人員集成低成本、靈活的功能，隨著時(shí)間的推移可以節(jié)省成本，因?yàn)閷⒋蟛糠中盘?hào)鏈集成到其中可以最大限度地減少外部元件的數(shù)量。

不幸的是，隨著時(shí)間的推移，通過(guò)這些平版印刷技術(shù)獲得的技術(shù)在規(guī)模和功耗方面都顯示出它的年齡。ASIC具有大量門(mén)，但其數(shù)字技術(shù)尚未經(jīng)過(guò)優(yōu)化，無(wú)法成功實(shí)現(xiàn)高性能ADC等模擬功能。由于供應(yīng)商數(shù)量有限，ASIC也限制了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員。

盡管使用這種分區(qū)方法可以實(shí)現(xiàn)高性能映像，但在便攜性、大小和功耗方面并不是最佳的。四通道和八通道TGC、ADC和DAC的出現(xiàn)使尺寸和功耗得以減小，但不影響性能，從而為這些市場(chǎng)帶來(lái)了新的系統(tǒng)方法和新的參與者。

多通道組件允許設(shè)計(jì)人員將器件更緊密地連接在一起，從而增加系統(tǒng)中的通道數(shù)量。它們還允許設(shè)計(jì)人員在兩個(gè)或多個(gè)電路板之間劃分敏感電路以完成系統(tǒng)。這允許在許多平臺(tái)開(kāi)發(fā)中有效地重用電子電路。

請(qǐng)注意，隨著通道數(shù)的增加，這會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍的改善。實(shí)際上，噪聲可以在系統(tǒng)中被視為不相關(guān)。通過(guò)將系統(tǒng)中的通道數(shù)加倍，噪聲減半，動(dòng)態(tài)范圍增加3 dB。因此，與 16 通道系統(tǒng)相比，64 通道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍可提高多達(dá) 12dB。但也存在缺點(diǎn)：通道數(shù)的增加會(huì)使印刷電路板（PCB）走線(xiàn)布線(xiàn)成為一場(chǎng)噩夢(mèng)，迫使設(shè)計(jì)人員在某些情況下使用較少的通道數(shù)器件。這也給機(jī)械設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了新的熱挑戰(zhàn)，增加了系統(tǒng)成本和風(fēng)扇噪音。

如今，IC制造商能夠集成完整的多通道TGC路徑，如圖2所示。多通道、多元件集成使設(shè)計(jì)方法更容易，在不犧牲性能的情況下減小了PCB尺寸和功耗。隨著更高級(jí)別的集成方案變得越來(lái)越占主導(dǎo)地位，成本、尺寸和功耗降低方面的優(yōu)勢(shì)再次隨之而來(lái)，從而減少系統(tǒng)中的熱量并延長(zhǎng)電池壽命。

圖2.多通道設(shè)計(jì)中常用的集成路徑。

ADI公司的AD9272/AD9273等超聲子系統(tǒng)集成了低噪聲放大器（LNA）、VGA、抗混疊濾波器（AAF）、ADC和交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)完整的時(shí)間增益壓縮路徑，這是超聲系統(tǒng)中最常見(jiàn)的接收器路徑。這兩款器件為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了以性能換取功耗的靈活性：高性能AD9272具有低噪聲（0.75nV/√Hz），而低功耗AD9273在40 MSPS時(shí)每個(gè)TGC通道的功耗僅為100 mW。由于引腳數(shù)量和外殼尺寸至關(guān)重要，因此引腳兼容器件采用串行I/O。與多芯片解決方案相比，緊湊的 14 mm × 14 mm × 1.2 mm 封裝可將每通道面積和功耗降低 33% 以上。

大多數(shù)超聲公司都承認(rèn)，他們的關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）在于探頭和波束成形技術(shù)。多通道IC正迅速成為商品器件，結(jié)束了高成本組件，以及完成系統(tǒng)并獲得額外性能或節(jié)省功耗所需的單個(gè)TGC路徑的無(wú)休止的調(diào)整和優(yōu)化。正在考慮進(jìn)一步整合超聲系統(tǒng)的其他部分;研究表明，如果前端電子器件離探頭更近，探頭損耗會(huì)更小，信號(hào)靈敏度會(huì)更高，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠放寬對(duì)前端組件（LNA/VGA）的要求。信號(hào)鏈這些部分的集成可能被證明是有益的。

超聲趨勢(shì)

由于如此多的應(yīng)用需要超聲技術(shù)，因此對(duì)性能和便攜性的要求很高。性能驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序（如心臟病學(xué)和 4-D 圖像處理）包含最多的通道、功能和選項(xiàng)。功率不是驅(qū)動(dòng)因素，因?yàn)檫@些系統(tǒng)用于患者的床邊、手術(shù)室套件或護(hù)士分診，但性能是關(guān)鍵，因?yàn)檫@些系統(tǒng)用于人類(lèi)診斷。

便攜式超聲提供了一系列不同的應(yīng)用機(jī)會(huì)，特別是在可靠電力稀缺或不存在的地方，例如偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村診所、緊急醫(yī)療服務(wù)、動(dòng)物養(yǎng)殖、橋梁和大型機(jī)械檢查。

超聲系統(tǒng)一般可分為三類(lèi)：高端、中端和低端。高端超聲系統(tǒng)處于最新技術(shù)和市場(chǎng)功能的最前沿，產(chǎn)生最好的圖像，并且價(jià)格更高。中端系統(tǒng)通常具有高端超聲系統(tǒng)提供的功能子集，而不會(huì)在圖像質(zhì)量上做出太多犧牲。低端系統(tǒng)進(jìn)一步縮小，在某些情況下，服務(wù)于特定的應(yīng)用，可以是臨床或其他應(yīng)用。技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的趨勢(shì)表明，低端系統(tǒng)開(kāi)始趕上中端系統(tǒng)的圖像質(zhì)量，使診斷變得精確、無(wú)創(chuàng)和及時(shí)。

超聲設(shè)計(jì)的新工具

超聲波涵蓋了各種不同的應(yīng)用，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須做出的權(quán)衡已經(jīng)增加。每種模式都有限制，這些限制通常由性能與功耗來(lái)定義。如今，這些挑戰(zhàn)已經(jīng)通過(guò)允許設(shè)計(jì)人員擴(kuò)展IC內(nèi)性能與功率比的組件來(lái)應(yīng)對(duì)，從而縮短上市時(shí)間。ADI公司的AD927x在IC內(nèi)提供大量可配置性，以調(diào)整輸入范圍、偏置、采樣速率和增益。根據(jù)所需的成像模式或探頭類(lèi)型，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以實(shí)時(shí)適當(dāng)?shù)貙?duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，以最小的功耗提供最大的性能。

在典型應(yīng)用中，系統(tǒng)需要從產(chǎn)生0.5 Vpp信號(hào)的5 MHz探頭采集圖像。如果LNA的噪聲為0.86 nV/√Hz，或整個(gè)通道為1.4 nV/√Hz，并且源端接為50歐姆，則系統(tǒng)的輸入動(dòng)態(tài)范圍將為92 dB，從而產(chǎn)生3.8 dB的噪聲系數(shù)（NF）。這意味著輸出動(dòng)態(tài)范圍為66.3 dB，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠保持最佳性能，同時(shí)在40 MSPS時(shí)僅消耗191 mW/通道。

如果系統(tǒng)性能超出預(yù)期，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能會(huì)決定在系統(tǒng)中將輸入動(dòng)態(tài)范圍降低2 dB是合理的。如果節(jié)省 50 mW 通道。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以試驗(yàn)增益、偏置、端接和其他參數(shù)，看看這是否可行，但在更改所有這些參數(shù)時(shí)，可能很難理解系統(tǒng)的權(quán)衡。

圖形配置工具（例如ADI公司為其AD927x系列提供的圖形配置工具圖4）使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠方便地評(píng)估性能。在該工具中，所有系統(tǒng)功能都已到位，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠快速做出這些權(quán)衡，并將系統(tǒng)擴(kuò)展直接推入IC級(jí)。因此，設(shè)計(jì)人員不再需要更改實(shí)際硬件，也不再需要進(jìn)行繁瑣的圖像處理測(cè)試來(lái)驗(yàn)證這些權(quán)衡。此外，配置工具會(huì)將優(yōu)化的配置參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字設(shè)置，并生成一個(gè)文件，該文件可以復(fù)制零件的最終系統(tǒng)配置設(shè)置。

圖4.AD9272/9273圖形配置工具

結(jié)論

如今，集成多通道設(shè)備的進(jìn)步進(jìn)一步推動(dòng)了系統(tǒng)的靈活性。毫無(wú)疑問(wèn)，新的創(chuàng)新產(chǎn)品和配置工具使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的生活更輕松。這為開(kāi)發(fā)多樣化的超聲產(chǎn)品提供了一種方法，這些產(chǎn)品在性能與功耗方面是可配置和可擴(kuò)展的，具體取決于成像模式。

審核編輯：郭婷