超聲成像系統連續波多普勒設計挑戰

超聲系統中要求最苛刻的臨床診斷工具是連續波多普勒(CWD)接收器。對小尺寸、低成本的要求不得不犧牲CWD系統的靈敏度性能，通過(guò)分析當前使用的CWD接收器方案，設計人員開(kāi)發(fā)出了新一代解決方案，該方案采用了已經(jīng)投產(chǎn)的高集成度、低功耗雙極型放大器和CWD混頻器/波束成型芯片組。新方案能夠保證CWD接收機無(wú)需折衷診斷特性。

超聲系統中要求最苛刻的臨床診斷工具是連續波多普勒(CWD)接收器。對小尺寸、低成本的要求不得不犧牲CWD系統的靈敏度性能，通過(guò)分析當前使用的CWD接收器方案，設計人員開(kāi)發(fā)出了新一代解決方案，該方案采用了已經(jīng)投產(chǎn)的高集成度、低功耗雙極型放大器和CWD混頻器/波束成型芯片組。新方案能夠保證CWD接收機無(wú)需折衷診斷特性。

CWD基本概念

典型的相控陣CWD架構中，64至128個(gè)超聲傳感器在孔徑中心附近均分成兩部分，一半的傳感器單元用于發(fā)送器，聚焦超聲CWD發(fā)射波束，另一半用于接收器，聚焦接收波束。作用在發(fā)射單元的信號是方波信號，典型頻率為1.0MHz至7.5MHz多普勒頻率。將適當相位的信號作用到發(fā)射單元來(lái)聚焦發(fā)射波束。同樣，CWD接收信號通過(guò)對每個(gè)接收單元的信號進(jìn)行相位調整、求和進(jìn)行聚焦。

“波 束成型”CWD接收信號由固態(tài)組織反射的強信號(通常稱(chēng)其為雜波)以及流動(dòng)的血液反射回來(lái)的較弱的多普勒信號組成。每個(gè)相控陣接收通道輸入端的典型雜波可能高達200mVP-P，而接收機參考輸入的噪底會(huì )低至1nV/√Hz 。為了優(yōu)化接收性能，需要每通道的SNR達到大約157dBc/Hz。

對于一個(gè)64通道的CWD接收機，其SNR的要求非常極端。每個(gè)接收通道的噪聲不相關(guān)，結果對于64個(gè)通道的噪底，波束成型后的信號噪底可能比單個(gè)通道的噪底高出18dB。然而每個(gè)通道的CWD是相關(guān)的，波束成型后的CWD信號會(huì )比單個(gè)通道的CWD信號高出36dB?？紤]到“求和增益”的作用，波束成型后SNR的要求會(huì )比單個(gè)通道高出18dB，達到175dBc/Hz! 更加困難的是，感興趣的低速多普勒信號的頻率會(huì )在1kHz以?xún)然虻陀陔s波信號。由此可見(jiàn)超聲檢測設備面臨巨大的設計挑戰。

基于延時(shí)線(xiàn)的CWD波束成型

目前，超聲系統大多采用模擬延時(shí)線(xiàn)接收器實(shí)現CWD信號檢測(圖1)，來(lái)自超聲接收單元的輸入信號經(jīng)過(guò)緩沖、放大，LNA提供大約20dB的增益。LNA輸出被轉換成電流信號，隨后通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)和模擬延時(shí)線(xiàn)對RF頻率信號進(jìn)行波束成型。

圖1. 基于CWD延時(shí)線(xiàn)的接收機簡(jiǎn)化電路

這種架構很容易集成，因為它所需要的電壓-電流轉換器、模擬開(kāi)關(guān)、無(wú)源延時(shí)線(xiàn)以及單路I/Q混頻器很容易集成。通過(guò)配置交叉開(kāi)關(guān)求和，適當的延時(shí)線(xiàn)抽頭切換信號，達到每個(gè)接收器的延時(shí)要求。

波束成型后的RF CWD信號混頻后得到基帶I、Q音頻信號，這兩路信號經(jīng)過(guò)帶通濾波后由高分辨率ADC進(jìn)行數字轉換，用于數字頻譜分析。RF至基帶的混頻處理通常是接收鏈路保證SNR的瓶頸，這個(gè)處理過(guò)程對CWD的性能影響較大，以64通道設計為例，I/Q RF混頻器需要在處理波束成型信號時(shí)具有175dBc/Hz (1kHz頻偏)的動(dòng)態(tài)范圍。

很難找到或設計能夠達到這一指標的混頻器，此外，本振驅動(dòng)信號還必須保持極低的抖動(dòng)。遺憾的是很難從市場(chǎng)上獲得能夠達到這樣指標的邏輯器件。雖然CWD延時(shí)線(xiàn)波束成型器能夠滿(mǎn)足結構緊湊的超聲系統的最低要求，上述性能的局限性也是亟待解決的問(wèn)題。

基于混頻器的CWD波束成型

為了獲得更高性能，在CWD系統中引入一個(gè)CWD混頻器/波束成型器，簡(jiǎn)化框圖如圖2所示。該架構中，每個(gè)通道都具有一個(gè)I/Q混頻器，在基帶端(而非RF端)進(jìn)行波束成型求和；每路I/Q混頻器的LO相位可以調節在n (n = 8至16相)個(gè)相位的其中之 一。LO相位的變化將改變接收信號的相位，達到波束成型的目的。

圖2. 低功耗雙極型LNA和CWD混頻器/波束成型電路能夠簡(jiǎn)化高性能CWD接收機的設計

由于混頻器的實(shí)現基于每個(gè)通道，對每個(gè)通道混頻器的要求可以降低到157dBc/Hz (1kHz頻偏)。這一SNR指標雖然苛刻，但利用雙極型混頻器和標準邏輯器件可以實(shí)現?；祛l器輸出為電流，而且在聲波基帶進(jìn)行無(wú)源求和，可以滿(mǎn)足CWD波束成型的SNR要求。

基于混頻器的CWD波束成型方案

過(guò)去，由于缺乏適當的集成工藝，很難實(shí)現高性能的CWD波束成型架構。但目前這一問(wèn)題已經(jīng)得到解決，對于功耗不敏感的應用無(wú)需降低CWD和成像質(zhì)量，可以使用帶有可編程CWD混頻器/波束成型器的集成雙極型八通道VGA。圖3給出了接收鏈路的MAX2038 VGA原理圖。

圖3. 由MAX2038和MAX2034構成的超聲接收機的單通道簡(jiǎn)化框圖。MAX2038集成了八路VGA和CWD I/Q混頻器/波束成型器，MAX2034集成了四路LNA。

對于功耗和空間要求苛刻的高端應用，可以選擇圖4所示MAX2078新款、具有更高集成度、更低功耗的解決方案。該款完全集成的八通道接收器在單芯片雙極型IC中包含了：LNA、VGA、抗混疊濾波器以及完全可編程的CWD混頻器/波束成型器，這些器件使得各種超聲系統不再受早期延時(shí)線(xiàn)CWD架構的制約，能夠達到出色的CWD性能。

圖4. MAX2078超低功耗、八通道超聲接收器，帶有CWD波束成型器，器件內部集成了八個(gè)高性能、低功耗超聲接收通道，每個(gè)通道包括：LNA、VGA、抗混疊濾波器以及完全可編程的I/Q混頻器/波束成型器。

構建CWD接收器的另外一個(gè)潛在問(wèn)題是LNA放大器的SNR指標，為了降低功耗、減小尺寸，許多超聲設計人員選擇了CMOS LNA，這樣的器件可能適合某些能夠控制CWD性能的應用。利用幾何尺寸低于0.35μm的CMOS工藝制作放大器時(shí)需要特別注意這個(gè)問(wèn)題，在如此小尺寸的制造工藝中生產(chǎn)出的電路往往具有較大的1/f噪聲，1/f噪聲會(huì )引起LNA增益的低頻調制，這是一個(gè)極其負面的影響。

較強的RF CWD雜波通過(guò)這種LNA時(shí)將產(chǎn)生較大的低頻調制噪聲，從而降低SNR指標和CWD檢測靈敏度。因此，為了滿(mǎn)足高性能的應用需求，應選擇類(lèi)似于MAX2034 4通道超聲LNA的低功耗雙極型放大器。