CTDS轉換技術(shù)在醫療超聲系統中的應用

至今，設計人員都面對ADC選擇的折衷考慮。流水線(xiàn)轉換器提供高分辨率和寬動(dòng)態(tài)范圍，但其功耗相當高。另一種方法，分立時(shí)間Δ∑轉換器幾乎不需要太大的功率，但嚴格受速度所限。

CTDS ADC

連續時(shí)間Δ∑(CTDS)技術(shù)可填補轉換器的空白。Xignal公司最近推出的產(chǎn)品可工作在40Msample/s(相當于流水線(xiàn)轉換器的50~60Msample/s)，具有12位或14位分辨率、高功能集成度(包含精確的片上時(shí)鐘源)，其功耗僅70mW。此產(chǎn)品也具有1個(gè)電阻輸入級，這很容易驅動(dòng)，而不用借助緩沖放大器。

圖1示出CTDS ADC 與流水線(xiàn)轉換器相對性能比較，此圖是根據IEEE認可的FOM(性能因數)測量。FOM是每次轉換的能量量測。FOM也示出工藝結構未來(lái)的標度，連續時(shí)間Δ∑器件將沿給出較高性能水平的路線(xiàn)圖發(fā)展。

圖2標出1個(gè)完整的模/數轉換系統。左手邊的圖示出1個(gè)完整的系統對于流水線(xiàn)轉換器需5個(gè)外部電路元件。它們是可編程增益放大器(通過(guò)分離的DA進(jìn)行增益控制)；去除噪聲的抗混淆濾波器；緩沖ADC本身容性輸入的輸入驅動(dòng)器；提供精確定時(shí)基準的高性能時(shí)鐘和鎖相環(huán)。與此相反，連續時(shí)間Δ∑實(shí)現方法去除了所需的抗混淆濾波和輸入驅動(dòng)器，而Xignal的實(shí)現方法把所有其他功能都集成在片上。

CTDS轉換技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：更快和更簡(jiǎn)單的系統設計，較低的功耗，對動(dòng)態(tài)范圍或速度不需折衷考慮。在多通道應用中，上述CTDC ADC的優(yōu)點(diǎn)能增值，而且能使設計人員采用新的和有益的系統結構，而這在以前是不可能的。此技術(shù)的應用范圍是廣泛的，包括電子業(yè)的所有領(lǐng)域，特別是來(lái)自各種傳感器的模擬信號需要轉換為數字信號的領(lǐng)域。

醫療超聲應用

在醫療超聲系統中，超聲換能器發(fā)射超聲波，超聲波被目標物反射并重新被換能器接收。為了掃描1個(gè)較大的區域并在一定的距離聚集在目標上，需要在目標小，需要在一維或二維陣列中配置多發(fā)送/接收元件以便形成波束。波束的聚焦和方向可以電控。

換能器通過(guò)靈活的纜線(xiàn)連接到處理數據的數據處理單元。每個(gè)換能元件通過(guò)自己的數據通道或多路轉換電路連接到處理單元。高端系統配量高達512個(gè)通道，中等性能系統可達256個(gè)通道，便攜系統可達128個(gè)通道。
根據目標到傳感器頭的距離和目標性質(zhì)，經(jīng)纜線(xiàn)接收和發(fā)送的模擬信號幅度是寬范圍的。因此，纜線(xiàn)是由若干低損耗同軸芯組成，這是超聲系統是昂貴的元件之一。盡管如此，纜線(xiàn)損耗和換能器接口上的損耗是高性能和相當昂貴接收器的要求。

信號完整性

若ADC做得緊靠換能器，則會(huì )改善信號完整性。模擬前端與ADC集成一起并把器件直接放置在換能器中將會(huì )降低對接收器性能的要求，而且數字傳輸與模擬信號處理單元相比更加可靠、成本更低。然而，CDTS技術(shù)開(kāi)發(fā)之前所用的模擬前端，其流水線(xiàn)ADC每個(gè)通道耗電高達0.5W。這對于1個(gè)中等系統(128個(gè)通道)其耗電達64W，所產(chǎn)生的熱會(huì )影響換能器頭的性能并對病人和醫生造成很大的不適。相反，在同樣系統中采用CTDS方案耗電只有8.75W，甚至耗電會(huì )更小(采用多通道ADC器件共享某些資源，如PLL跨接多通道)。用1個(gè)8通道12位ADC可以實(shí)現功耗40mW/通道或128通道耗電5.12W。

便攜系統要求縮小超聲掃描器的尺寸。在實(shí)現小型和低成本系統中，ADC功耗是重要的設計參量，這種小型系統轉換發(fā)生在換能器頭或處理單元中，系統要求最少的冷卻。新系統也可能是電池供電，所以使功耗最小是更關(guān)鍵的因素。

繼續研究

人們研究在連續波多普勒應用中用數字波束形成器替代模擬波束形成器而且經(jīng)過(guò)同樣的數字處理通路處理來(lái)自幾個(gè)超聲節點(diǎn)的所有數據。數字域所增加的功耗可以采用較低電源電壓1.2V或更低的先進(jìn)CMOS工藝來(lái)降低。用這樣的低電壓一般的ADC技術(shù)不可能達到所要求的性能。連續時(shí)間Δ∑技術(shù)用1.2V電源能提供所要求的性能并將隨著(zhù)CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展會(huì )進(jìn)一步降低功耗和減小尺寸。

在換能器頭中采用CTDS ADC的超聲系統簡(jiǎn)化結構示于圖3。除ADC外，有源換能器包含低功率可變增益放大器、串行器和數字接口，這能大大地降低用于互連主處理單元的纜線(xiàn)數量。

CDTS ADC 的優(yōu)點(diǎn)是在最低可能的功耗下提供所需的高速度、高分辨率。在汽車(chē)、醫療、工業(yè)和測試測量設備的與傳感器相關(guān)的應用中，此技術(shù)可以用于構成新的結構，使模/數轉換靠近傳感器。