高級模擬整合及低噪聲設(shè)計打造緊湊的醫(yī)用超聲方案

　　摘要：本文簡單列舉了緊湊醫(yī)用超聲設(shè)備的開發(fā)過程中，設(shè)備開發(fā)人員所面臨的設(shè)計難題，并提出了應(yīng)對措施。

　　高質(zhì)量成像和空間要求

　　便攜式超聲系統(tǒng)開發(fā)人員必須在局促的空間內(nèi)安裝了大量超聲收發(fā)器，以提供高質(zhì)量成像。這項任務(wù)并不簡單，目前市場上比較通用的系統(tǒng)通常處理128路或更多的收發(fā)器。

　　圖1所示為典型的超聲收發(fā)器方框圖，為了產(chǎn)生超聲影像，收發(fā)器的高壓發(fā)送器產(chǎn)生正確定時的高壓脈沖，激勵超聲傳感器元件并產(chǎn)生聚焦的聲波發(fā)射。所發(fā)射的聲能經(jīng)過病人體內(nèi)非連續(xù)阻抗反射，返回至收發(fā)器的接收器部分。

　　接收器包括發(fā)送/接收開關(guān)(TR開關(guān))、低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)、抗混疊濾波器(AAF)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。每個傳感器元件都通過TR開關(guān)連接至LNA，該開關(guān)保護LNA輸入不受高壓發(fā)射信號的損壞。LNA本身提供初始固定增益，以優(yōu)化接收器的噪聲性能。VGA用于補償體內(nèi)超聲信號隨時間的衰減，這降低了對后續(xù)ADC的動態(tài)范圍要求。接收鏈中的AAF避免超出正常最大成像頻率范圍的高頻噪聲映射到ADC接收頻帶。放大、量化后的信號經(jīng)過延遲，并在超聲系統(tǒng)的數(shù)字波束成形器內(nèi)求和，產(chǎn)生聚焦后的波束成形接收信號。所形成的數(shù)字信號用于產(chǎn)生2D影像，以及脈沖多普勒信息。

　　接收器在LNA之后還有一條獨立的連續(xù)波多普勒(CWD)接收/波束成形通路。CWD模式下，接收器的動態(tài)范圍要求非常嚴格，超出了VGA/ADC信號通路的范圍。通過將接收到的信號與適當(dāng)相位的LO混頻并求和，得到基帶信號，實現(xiàn)CWD波束成形。由此，CWD接收電路應(yīng)該由高動態(tài)范圍的模擬I/Q混頻器和可編程LO發(fā)生器組成。

　　如上所示，接收器部分包括大量的功能電路，需要把128路或更多通道的接收器整合到PC大小的設(shè)備中，這的確是一項重大挑戰(zhàn)。模擬IC制造商注意到了這一需求，并已開發(fā)出高度集成的方案來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。目前，在10mm x 10mm的微小封裝內(nèi)集成八路LNA、VGA、AAF和ADC收發(fā)器的產(chǎn)品已非常普遍;也可以看到10mm x 10mm封裝的4或8通道器件內(nèi)集成了高壓脈沖發(fā)生器的方案。這些進步意義重大，對現(xiàn)代便攜式系統(tǒng)的實施起著重要作用。當(dāng)然，我們也看到了進一步整合的機會。

　　MAX2082八通道收發(fā)器(圖2)是一款代表高集成度超聲方案最高水平的典范。該器件包括完整的接收器、TR開關(guān)、耦合電容以及三級高壓脈沖發(fā)生器，采用單片10mm x 23mm封裝。這種單芯片接收器架構(gòu)大大節(jié)省空間，幫助用戶縮短設(shè)計時間，降低總體系統(tǒng)成本。

　　這種高度集成的收發(fā)器能夠節(jié)省相當(dāng)可觀的空間，單是內(nèi)部TR開關(guān)就節(jié)省了大量空間。可以對比一下當(dāng)前最常見超聲系統(tǒng)所使用的典型分立TR開關(guān)(圖3)。此類TR開關(guān)方案包含9個分立式元件，這意味著在128通道系統(tǒng)中僅憑TR開關(guān)就需要超過1000個分立元件!

　　圖4所示，利用MAX2082實現(xiàn)128通道收發(fā)器配置的PCB布局。所需空間小于10平方英寸，相對于目前使用8路接收器IC、8路脈沖發(fā)生器IC和分立TR開關(guān)的方案，所占空間不到后者的一半。