結構緊湊的超聲成像系統連續波多普勒(CWD)設計的挑戰
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摘要：采用高度集成的低功耗、雙極型放大器和連續波多普勒(CWD)混頻器/波束成型電路能夠使下一代結構緊湊的超聲設備達到“高端”CWD的指標。
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/
。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。
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