高級(jí)模擬整合及低噪聲設(shè)計(jì)打造緊湊的醫(yī)用超聲方案

　　收發(fā)器電源管理

　　功耗也是這些高度集成設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要考慮因素。許多便攜式超聲系統(tǒng)，在用電池供電時(shí)只能工作一個(gè)小時(shí)或稍長(zhǎng)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(xiàn)問(wèn)題。超聲收發(fā)器消耗系統(tǒng)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(xiàn)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，允許用戶綜合考慮功率和性能，當(dāng)系統(tǒng)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(jié)約功耗。

　　還可以挖掘更多的改進(jìn)機(jī)會(huì)。例如，為了滿足噪聲指標(biāo)的要求，需要降低TR開關(guān)二極管的導(dǎo)通阻抗，從而二極管上存在很大的偏置電流，由此，TR開關(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，由于采用專有的集成TR開關(guān)設(shè)計(jì)，其噪聲性能比這些分立設(shè)計(jì)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，高集成度與低功耗是便攜式超聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。而與此類設(shè)備小型化相關(guān)的一些性能問(wèn)題并不十分明顯。

　　帶內(nèi)噪聲最小化

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

　　超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員往往竭盡全力從物理上隔離、屏蔽多噪的數(shù)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(tǒng)設(shè)計(jì)者沒(méi)有足夠的資源實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)產(chǎn)生帶內(nèi)噪聲的現(xiàn)象極其普遍，尤其是在物理上靠近實(shí)現(xiàn)計(jì)算/顯示功能、嘈雜的PC主板時(shí)。在設(shè)計(jì)早期就考慮系統(tǒng)的接地和屏蔽尤其重要。如果隨后試圖在原型評(píng)估階段修改這些高度集成的設(shè)計(jì)，不但極其困難，而且非常耗費(fèi)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(tǒng)中，通過(guò)測(cè)量發(fā)射信號(hào)反射波的微小多普勒頻率偏移，檢測(cè)血流。發(fā)射信號(hào)或從靜止對(duì)象接收的信號(hào)的任何低頻調(diào)制都將產(chǎn)生噪聲邊帶，使得需要測(cè)量的多普勒信號(hào)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(yīng)用中，發(fā)射信號(hào)功率與1kHz噪聲之比要求大于140dBc/Hz。對(duì)于CWD應(yīng)用，要求在155dBc/Hz，甚至更高。

　　類似的低頻噪聲源有很多，但干擾最強(qiáng)、也是最常見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(shù)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(hào)上產(chǎn)生低頻噪聲，對(duì)靜態(tài)組織反射的強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，從而淹沒(méi)微弱的鄰近多普勒信號(hào)。

　　只有通過(guò)調(diào)整電源，才能有效降低音頻頻譜的電源噪聲。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，安裝在手推車的超聲系統(tǒng)，可以在系統(tǒng)中布置大量效率低下的線性穩(wěn)壓器，以有效控制噪聲源。而在便攜系統(tǒng)中，這種方案是無(wú)法接受的。

　　設(shè)計(jì)者必須利用分布式開關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)提高效率。遺憾的是，這種開關(guān)型穩(wěn)壓器會(huì)引入大量的RF帶內(nèi)傳導(dǎo)、輻射開關(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(duì)于這類噪聲尤其敏感，因?yàn)殡x散的開關(guān)頻率會(huì)在多普勒頻譜顯示中產(chǎn)生音頻噪音，這是此類系統(tǒng)常見的偽影。為了消除這類噪聲，主要措施之一是確保開關(guān)穩(wěn)壓器頻率與系統(tǒng)主控時(shí)鐘同步。這種方式下，相對(duì)容易將開關(guān)噪聲排除到有用信號(hào)的多普勒頻帶之外，并可保證高效。在使用開關(guān)穩(wěn)壓器的過(guò)程中必須謹(jǐn)慎，保持低功率，以避免出現(xiàn)難以抑制的多普勒雜散。

　　未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

　　設(shè)計(jì)工程師一致認(rèn)為設(shè)計(jì)便攜式超聲系統(tǒng)是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。有限的空間、在狹窄空間內(nèi)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(shè)計(jì)者需要巧妙地使用高度集成的低功耗、滿足性能要求的模擬IC方案。還必須預(yù)先考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每個(gè)細(xì)節(jié)，以避免此類緊湊設(shè)計(jì)中所固有的噪聲問(wèn)題。

　　超聲設(shè)備的便攜化進(jìn)展是一項(xiàng)造福于人類的工程，它所帶來(lái)的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)所付出的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。我們已經(jīng)看到這些系統(tǒng)為全球醫(yī)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(shì)——前提是有集成度更高的模擬IC方案支持此類高密度醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)。