高級模擬整合及低噪聲設計打造緊湊的醫用超聲方案

　　收發(fā)器電源管理

　　功耗也是這些高度集成設計的一項重要考慮因素。許多便攜式超聲系統，在用電池供電時(shí)只能工作一個(gè)小時(shí)或稍長(cháng)時(shí)間就必須充電。由于元件密度非常高，PCB布板局促，空氣流通的空間很小，使得熱管理也出現問(wèn)題。超聲收發(fā)器消耗系統的大部分功率，需要慎重考慮這部分電路的功率。

　　過(guò)去10年，超聲接收器功耗已經(jīng)下降了一半?，F在，包括LNA、VGA、AAF和ADC的IC接收方案所消耗的功率通常不到150mW/通道。新一代接收器具有更加靈活的電源管理功能，允許用戶(hù)綜合考慮功率和性能，當系統處于非成像模式時(shí)將其置于低功耗、可快速喚醒的“休眠”模式，以節約功耗。

　　還可以挖掘更多的改進(jìn)機會(huì )。例如，為了滿(mǎn)足噪聲指標的要求，需要降低TR開(kāi)關(guān)二極管的導通阻抗，從而二極管上存在很大的偏置電流，由此，TR開(kāi)關(guān)本身就消耗了很大功率，每通道超過(guò)80mW。這幾乎是接收器其它電路的功率總和!在上述MAX2082收發(fā)器等產(chǎn)品中，由于采用專(zhuān)有的集成TR開(kāi)關(guān)設計，其噪聲性能比這些分立設計更好，而功耗則降至每通道15mW以下。

　　平衡噪聲與小型化需求

　　顯而易見(jiàn)，高集成度與低功耗是便攜式超聲系統的設計挑戰。而與此類(lèi)設備小型化相關(guān)的一些性能問(wèn)題并不十分明顯。

　　帶內噪聲最小化

　　超聲系統對2MHz至15MHz范圍內的帶內輻射及傳導噪聲和干擾極其敏感，單通道輸入靈敏度可低至1nV/rtHz。對于一個(gè)128通道的典型系統，作用在所有輸入端的有害信號可能獲得高達21dB的系統增益，取決于通道間的波束成形延時(shí)。所以，即使輸入帶內噪聲低至0.09nv/rtHz，也能在最終成像中觀(guān)察到顯著(zhù)的噪聲，呈現為偽影。這些偽影發(fā)生得很頻繁，統稱(chēng)為“閃光”偽影;這些偽影類(lèi)似于相控陣圖像中心的光束，此時(shí)，系統對共模輸入信號的增益最高。系統中的輻射或傳導干擾源很容易產(chǎn)生如此小的信號。

　　超聲系統設計人員往往竭盡全力從物理上隔離、屏蔽多噪的數字電路和敏感的模擬電路，以及控制接地環(huán)路。不幸的是，便攜式超聲系統設計者沒(méi)有足夠的資源實(shí)現電路的物理隔離，由于空間有限、PCB熱密度大，屏蔽也有問(wèn)題。所以，這些設計產(chǎn)生帶內噪聲的現象極其普遍，尤其是在物理上靠近實(shí)現計算/顯示功能、嘈雜的PC主板時(shí)。在設計早期就考慮系統的接地和屏蔽尤其重要。如果隨后試圖在原型評估階段修改這些高度集成的設計，不但極其困難，而且非常耗費時(shí)間。

　　音頻噪聲最小化

　　許多情況下，低頻音頻噪聲也是棘手問(wèn)題，并且更難解決。超聲系統中，通過(guò)測量發(fā)射信號反射波的微小多普勒頻率偏移，檢測血流。發(fā)射信號或從靜止對象接收的信號的任何低頻調制都將產(chǎn)生噪聲邊帶，使得需要測量的多普勒信號模糊不清(圖5)，或在多普勒頻譜中產(chǎn)生“音頻”。在脈沖多普勒應用中，發(fā)射信號功率與1kHz噪聲之比要求大于140dBc/Hz。對于CWD應用，要求在155dBc/Hz，甚至更高。

　　類(lèi)似的低頻噪聲源有很多，但干擾最強、也是最常見(jiàn)噪聲是低頻電源噪聲，會(huì )引發(fā)許多多普勒問(wèn)題。低頻電源噪聲會(huì )造成敏感的數字發(fā)射/接收時(shí)鐘產(chǎn)生抖動(dòng)，進(jìn)而限制接收器的動(dòng)態(tài)范圍或產(chǎn)生有害的多普勒音頻。低頻電源噪聲也會(huì )在VGA增益控制信號上產(chǎn)生低頻噪聲，對靜態(tài)組織反射的強信號進(jìn)行調制，從而淹沒(méi)微弱的鄰近多普勒信號。

　　只有通過(guò)調整電源，才能有效降低音頻頻譜的電源噪聲。傳統設計中，安裝在手推車(chē)的超聲系統，可以在系統中布置大量效率低下的線(xiàn)性穩壓器，以有效控制噪聲源。而在便攜系統中，這種方案是無(wú)法接受的。

　　設計者必須利用分布式開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)提高效率。遺憾的是，這種開(kāi)關(guān)型穩壓器會(huì )引入大量的RF帶內傳導、輻射開(kāi)關(guān)噪聲，即使采用正確的電容旁路措施也難以控制。頻譜多普勒對于這類(lèi)噪聲尤其敏感，因為離散的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )在多普勒頻譜顯示中產(chǎn)生音頻噪音，這是此類(lèi)系統常見(jiàn)的偽影。為了消除這類(lèi)噪聲，主要措施之一是確保開(kāi)關(guān)穩壓器頻率與系統主控時(shí)鐘同步。這種方式下，相對容易將開(kāi)關(guān)噪聲排除到有用信號的多普勒頻帶之外，并可保證高效。在使用開(kāi)關(guān)穩壓器的過(guò)程中必須謹慎，保持低功率，以避免出現難以抑制的多普勒雜散。

　　未來(lái)發(fā)展趨勢

　　設計工程師一致認為設計便攜式超聲系統是一項艱巨任務(wù)。有限的空間、在狹窄空間內管理電源，以及越來(lái)越高的性能要求，都帶來(lái)了新的難題。設計者需要巧妙地使用高度集成的低功耗、滿(mǎn)足性能要求的模擬IC方案。還必須預先考慮系統設計的每個(gè)細節，以避免此類(lèi)緊湊設計中所固有的噪聲問(wèn)題。

　　超聲設備的便攜化進(jìn)展是一項造福于人類(lèi)的工程，它所帶來(lái)的好處遠遠超過(guò)所付出的設計風(fēng)險。我們已經(jīng)看到這些系統為全球醫療保健事業(yè)所帶來(lái)的積極影響。沒(méi)有任何理由懷疑這種發(fā)展趨勢——前提是有集成度更高的模擬IC方案支持此類(lèi)高密度醫療系統設計。