高級模擬整合及低噪聲設計打造緊湊的醫用超聲方案

摘要：本文簡單列舉了緊湊醫用超聲設備的開發過程中，設備開發人員所面臨的設計難題，并提出了應對措施。本文網絡版地址：http：//www. eepw.com.cn/article/197920.htm

關鍵詞：Maxim；醫療；超聲

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.016

高質量成像和空間要求

便攜式超聲系統開發人員必須在局促的空間內安裝了大量超聲收發器，以提供高質量成像。這項任務并不簡單，目前市場上比較通用的系統通常處理128路或更多的收發器。

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

接收器包括發送/接收開關（TR開關）、低噪聲放大器（LNA）、可變增益放大器（VGA）、抗混疊濾波器（AAF）和模/數轉換器（ADC）。每個傳感器元件都通過 TR開關連接至LNA，該開關保護LNA輸入不受高壓發射信號的損壞。LNA本身提供初始固定增益，以優化接收器的噪聲性能。VGA用于補償體內超聲信號隨時間的衰減，這降低了對后續ADC的動態范圍要求。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、量化后的信號經過延遲，并在超聲系統的數字波束成形器內求和，產生聚焦后的波束成形接收信號。所形成的數字信號用于產生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波多普勒（CWD）接收/波束成形通路。CWD模式下，接收器的動態范圍要求非常嚴格，超出了VGA/ADC信號通路的范圍。通過將接收到的信號與適當相位的LO混頻并求和，得到基帶信號，實現CWD波束成形。由此，CWD接收電路應該由高動態范圍的模擬I/Q混頻器和可編程LO發生器組成。

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大小的設備中，這的確是一項重大挑戰。模擬IC制造商注意到了這一需求，并已開發出高度集成的方案來應對這一挑戰。目前，在10mm x 10mm的微小封裝內集成八路LNA、VGA、AAF和ADC收發器的產品已非常普遍；也可以看到10mm x 10mm封裝的4或8通道器件內集成了高壓脈沖發生器的方案。這些進步意義重大，對現代便攜式系統的實施起著重要作用。當然，我們也看到了進一步整合的機會。

MAX2082八通道收發器（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、耦合電容以及三級高壓脈沖發生器，采用單片10mm x 23mm封裝。這種單芯片接收器架構大大節省空間，幫助用戶縮短設計時間，降低總體系統成本。

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

圖4所示，利用MAX2082實現128通道收發器配置的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路脈沖發生器IC和分立TR開關的方案，所占空間不到后者的一半。

收發器電源管理

功耗也是這些高度集成設計的一項重要考慮因素。許多便攜式超聲系統，在用電池供電時只能工作一個小時或稍長時間就必須充電。由于元件密度非常高，PCB布板局促，空氣流通的空間很小，使得熱管理也出現問題。超聲收發器消耗系統的大部分功率，需要慎重考慮這部分電路的功率。

過去10年，超聲接收器功耗已經下降了一半。現在，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，當系統處于非成像模式時將其置于低功耗、可快速喚醒的“休眠”模式，以節約功耗。

還可以挖掘更多的改進機會。例如，為了滿足噪聲指標的要求，需要降低TR開關二極管的導通阻抗，從而二極管上存在很大的偏置電流，由此，TR開關本身就消耗了很大功率，每通道超過80mW。這幾乎是接收器其它電路的功率總和！在上述MAX2082收發器等產品中，由于采用專有的集成TR開關設計，其噪聲性能比這些分立設計更好，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的設計挑戰。而與此類設備小型化相關的一些性能問題并不十分明顯。

帶內噪聲最小化

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

超聲系統設計人員往往竭盡全力從物理上隔離、屏蔽多噪的數字電路和敏感的模擬電路，以及控制接地環路。不幸的是，便攜式超聲系統設計者沒有足夠的資源實現電路的物理隔離，由于空間有限、PCB熱密度大，屏蔽也有問題。所以，這些設計產生帶內噪聲的現象極其普遍，尤其是在物理上靠近實現計算/顯示功能、嘈雜的PC主板時。在設計早期就考慮系統的接地和屏蔽尤其重要。如果隨后試圖在原型評估階段修改這些高度集成的設計，不但極其困難，而且非常耗費時間。

音頻噪聲最小化

許多情況下，低頻音頻噪聲也是棘手問題，并且更難解決。超聲系統中，通過測量發射信號反射波的微小多普勒頻率偏移，檢測血流。發射信號或從靜止對象接收的信號的任何低頻調制都將產生噪聲邊帶，使得需要測量的多普勒信號模糊不清（圖5），或在多普勒頻譜中產生“音頻”。在脈沖多普勒應用中，發射信號功率與1kHz噪聲之比要求小于140dBc/Hz。對于CWD應用，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、也是最常見噪聲是低頻電源噪聲，會引發許多多普勒問題。低頻電源噪聲會造成敏感的數字發射/接收時鐘產生抖動，進而限制接收器的動態范圍或產生有害的多普勒音頻。低頻電源噪聲也會在VGA增益控制信號上產生低頻噪聲，對靜態組織反射的強信號進行調制，從而淹沒微弱的鄰近多普勒信號。

只有通過調整電源，才能有效降低音頻頻譜的電源噪聲。傳統設計中，安裝在手推車的超聲系統，可以在系統中布置大量效率低下的線性穩壓器，以有效控制噪聲源。而在便攜系統中，這種方案是無法接受的。

設計者必須利用分布式開關穩壓器來提高效率。遺憾的是，這種開關型穩壓器會引入大量的RF帶內傳導、輻射開關噪聲，即使采用正確的電容旁路措施也難以控制。頻譜多普勒對于這類噪聲尤其敏感，因為離散的開關頻率會在多普勒頻譜顯示中產生音頻噪音，這是此類系統常見的偽影。為了消除這類噪聲，主要措施之一是確保開關穩壓器頻率與系統主控時鐘同步。這種方式下，相對容易將開關噪聲排除到有用信號的多普勒頻帶之外，并可保證高效。在使用開關穩壓器的過程中必須謹慎，保持低功率，以避免出現難以抑制的多普勒雜散。

未來發展趨勢

設計工程師一致認為設計便攜式超聲系統是一項艱巨任務。有限的空間、在狹窄空間內管理電源，以及越來越高的性能要求，都帶來了新的難題。設計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。還必須預先考慮系統設計的每個細節，以避免此類緊湊設計中所固有的噪聲問題。

超聲設備的便攜化進展是一項造福于人類的工程，它所帶來的好處遠遠超過所付出的設計風險。我們已經看到這些系統為全球醫療保健事業所帶來的積極影響。沒有任何理由懷疑這種發展趨勢——前提是有集成度更高的模擬IC方案支持此類高密度醫療系統設計。