再塑超聲波成像系統設計

超聲波系統因其功能和性能而各異。例如，一些高端系統通常具有 3D、4D 和諧波成像模式，而一些低端系統可能只有 2D B 模式成像和頻譜多普勒成像模式。功能差異化主要取決于數字后端。高端超聲波系統則要求更多、更快的高端 DSP 計算資源調用，從而達到近乎實(shí)時(shí)的信號處理。很明顯，在高端和便攜式系統之間共用信號處理單元十分困難。但是，在忽略不同性能要求的情況下，超聲波系統一般都具有類(lèi)似的接收通道架構。

　　圖 1 超聲波系統結構圖

　　如圖所示，超聲波系統接收模擬前端由常用模塊組成，例如：低噪聲放大器 (LNA)、時(shí)間增益控制 (TGA) 放大器、壓控放大器 (VCA)、可編程增益放大器 (PGA)、低通濾波器以及模數轉換器 (ADC)。在任何情況下，AFE 的性能都會(huì )極大地影響整個(gè)系統的性能。因此，只要在引腳對引腳兼容封裝中存在滿(mǎn)足不同性能要求的 AFE 產(chǎn)品，那么 AFE 設計就可以被標準化，并在各種系統中得到重用。這種標準化可在中低端系統中輕松地實(shí)現，這類(lèi)系統無(wú)需特別的模擬信號調節。

　　然而，目前大多數的 AFE 產(chǎn)品都不能滿(mǎn)足超聲波產(chǎn)品廠(chǎng)商的這種需求。因此，必須選擇一些單獨的芯片來(lái)滿(mǎn)足袖珍型和臺式系統的各種性能要求。例如，臺式系統或許允許有較高的功耗，但必須要實(shí)現更低的噪聲，反之亦然，因此必須要進(jìn)行重新設計。

　　諸如 TI AFE5805 的一些新型 AFE 器件保持了相同的外引腳。其目標應用為從便攜式到臺式的各種超聲波系統。引腳對引腳兼容性將允許超聲波產(chǎn)品廠(chǎng)商能夠在極大節省成本和快速投放市場(chǎng)的情況下標準化 AFE 設計并設計出創(chuàng )新性產(chǎn)品。

　　模擬前端特性與系統性能的關(guān)系

　　要時(shí)刻謹記設計超聲波系統是一件復雜的事情，而 AFE 的每一個(gè)特性都會(huì )影響整個(gè)系統的性能。為每一種系統類(lèi)別平衡選擇各種參數的能力毫無(wú)疑問(wèn)是一種藝術(shù)。

　　就便攜式超聲波系統而言，功耗是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。低功耗意味著(zhù)更低的電池電量可提供更長(cháng)的運行時(shí)間。但是，其會(huì )影響其他參數，例如：輸入信號范圍、輸入等效噪聲、諧波失真等等，盡管這些性能降低通常對于便攜式(低端)系統而言是可以接受的。

　　除功耗以外，AFE 噪聲是超聲波系統設計人員需要考慮的第二個(gè)因素。超聲波變送器的接收信號量級可能會(huì )在 10uVPP 到 1VPP 之間變化[1]。能夠探測到的信號越小，系統的靈敏度也就越高。輸入等效電流和輸入等效電壓噪聲都會(huì )影響系統靈敏度。一般而言，0.7 nV/rt(Hz)~1.5 nV/rt(Hz) (RTI) 的噪聲參數用于從高端到低端的系統。一些現實(shí)系統應用證實(shí)這些噪聲參數足以產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。雖然可以使用一款更低噪聲的放大器，但是其對最終超聲波圖像質(zhì)量并無(wú)顯著(zhù)提高，因為需要考慮輸入等效電流噪聲和發(fā)射/接收 (T/R) 開(kāi)關(guān)的噪聲。除輸入等效電壓噪聲以外，閃爍噪聲(即 1/f 噪聲)也是成像應用中的一個(gè)重要因素。在存在混頻的連續波 (CW) 模式下，低頻噪聲頻譜移至載波頻率，從而降低了相關(guān)頻率的信噪比 (SNR)。具有白噪聲性能的放大器優(yōu)于其寬泛的工作頻率。

　　在一些超聲波應用中，增益控制范圍在達到圖像動(dòng)態(tài)范圍的過(guò)程中起著(zhù)重要的作用。當 VCA 具有更高的增益控制范圍時(shí)，最終圖像也就擁有一個(gè)更寬泛的動(dòng)態(tài)范圍，從而得到更高的圖像質(zhì)量。組合 ADC 的 SNR，系統的動(dòng)態(tài)范圍可由以下方程式計算得出：

　　動(dòng)態(tài)范圍=SNR+增益控制范圍(方程式 1)

　　例如，一個(gè)包含了 12 比特、70dB SNR 以及 40dB 增益控制范圍 VCA 的系統可以獲得 110dB 的動(dòng)態(tài)范圍。換句話(huà)就是說(shuō)，考慮到人體 0.7dB/cmMHz 的衰減系數、10cm 的成像深度以及 7.5MHz 的變送器，由 10*2*0.7*7.5 可以計算得到105dB 的動(dòng)態(tài)范圍。在目前的一些超聲波系統中，10~15MHz 的探針通常被用于對一些小范圍進(jìn)行成像。因此，通常會(huì )需要 100dB 以上的動(dòng)態(tài)范圍，從而得出這樣的結論：大增益控制范圍的 AFE 是首選。另外，更高總體增益的 AFE 是探測小信號和補償其他電路帶來(lái)的插入損耗(例如：無(wú)源高階濾波器的插入損耗)的一種輔助。

　　放大器飽和與過(guò)載恢復也是重要的系統參數。相比單獨進(jìn)行討論，將這兩個(gè)參數放在一起進(jìn)行評估和計算更為有價(jià)值?；旧蟻?lái)說(shuō)，放大器的理想輸入信號范圍受限于其線(xiàn)性輸出電壓(與電源電壓有關(guān))和增益。

　　因此，較低的增益和較高的電源電壓有益于該參數。但是，低增益會(huì )降低輸入等效電壓噪聲，而高電源電壓會(huì )增加總功耗，因此必須使用一種折中的方法。就一些便攜式及中端系統而言，通常會(huì )選用 200 - 400mVPP 的參數。超聲波放大器飽和通常是由高壓脈沖泄漏或近表面物體反射的大信號引起的，這些表面物體的聲阻抗差異性極大。此類(lèi)例子包括表皮組織或骨骼，而在表皮組織或骨骼中僅有少量的臨床信息。大多數情況下，這些區域的信息丟失可能不會(huì )影響臨床診斷。但是，如果放大器不能及時(shí)恢復的話(huà)，那么就會(huì )有大量的信息丟失。AFE 的快速過(guò)載恢復時(shí)間確保了超聲波系統能夠盡可能多地獲取有用信息。AFE 的過(guò)載恢復時(shí)間可以用　ADC 時(shí)鐘周期數量表示。一個(gè)時(shí)鐘周期的過(guò)載恢復時(shí)間較為理想。