高级模拟整合及低噪声设计打造紧凑的医用超声方案

　　摘要：本文简单列举了紧凑医用超声设备的开发过程中，设备开发人员所面临的设计难题，并提出了应对措施。

　　高质量成像和空间要求

　　便携式超声系统开发人员必须在局促的空间内安装了大量超声收发器，以提供高质量成像。这项任务并不简单，目前市场上比较通用的系统通常处理128路或更多的收发器。

　　图1所示为典型的超声收发器方框图，为了产生超声影像，收发器的高压发送器产生正确定时的高压脉冲，激励超声传感器元件并产生聚焦的声波发射。所发射的声能经过病人体内非连续阻抗反射，返回至收发器的接收器部分。

　　接收器包括发送/接收开关(TR开关)、低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、抗混叠滤波器(AAF)和模/数转换器(ADC)。每个传感器元件都通过TR开关连接至LNA，该开关保护LNA输入不受高压发射信号的损坏。LNA本身提供初始固定增益，以优化接收器的噪声性能。VGA用于补偿体内超声信号随时间的衰减，这降低了对后续ADC的动态范围要求。接收链中的AAF避免超出正常最大成像频率范围的高频噪声映射到ADC接收频带。放大、量化后的信号经过延迟，并在超声系统的数字波束成形器内求和，产生聚焦后的波束成形接收信号。所形成的数字信号用于产生2D影像，以及脉冲多普勒信息。

　　接收器在LNA之后还有一条独立的连续波多普勒(CWD)接收/波束成形通路。CWD模式下，接收器的动态范围要求非常严格，超出了VGA/ADC信号通路的范围。通过将接收到的信号与适当相位的LO混频并求和，得到基带信号，实现CWD波束成形。由此，CWD接收电路应该由高动态范围的模拟I/Q混频器和可编程LO发生器组成。

　　如上所示，接收器部分包括大量的功能电路，需要把128路或更多通道的接收器整合到PC大小的设备中，这的确是一项重大挑战。模拟IC制造商注意到了这一需求，并已开发出高度集成的方案来应对这一挑战。目前，在10mm x 10mm的微小封装内集成八路LNA、VGA、AAF和ADC收发器的产品已非常普遍；也可以看到10mm x 10mm封装的4或8通道器件内集成了高压脉冲发生器的方案。这些进步意义重大，对现代便携式系统的实施起着重要作用。当然，我们也看到了进一步整合的机会。

　　MAX2082八通道收发器(图2)是一款代表高集成度超声方案最高水平的典范。该器件包括完整的接收器、TR开关、耦合电容以及三级高压脉冲发生器，采用单片10mm x 23mm封装。这种单芯片接收器架构大大节省空间，帮助用户缩短设计时间，降低总体系统成本。

　　这种高度集成的收发器能够节省相当可观的空间，单是内部TR开关就节省了大量空间。可以对比一下当前最常见超声系统所使用的典型分立TR开关(图3)。此类TR开关方案包含9个分立式元件，这意味着在128通道系统中仅凭TR开关就需要超过1000个分立元件！

　　图4所示，利用MAX2082实现128通道收发器配置的PCB布局。所需空间小于10平方英寸，相对于目前使用8路接收器IC、8路脉冲发生器IC和分立TR开关的方案，所占空间不到后者的一半。

　　收发器电源管理

　　功耗也是这些高度集成设计的一项重要考虑因素。许多便携式超声系统，在用电池供电时只能工作一个小时或稍长时间就必须充电。由于元件密度非常高，PCB布板局促，空气流通的空间很小，使得热管理也出现问题。超声收发器消耗系统的大部分功率，需要慎重考虑这部分电路的功率。

　　过去10年，超声接收器功耗已经下降了一半。现在，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灵活的电源管理功能，允许用户综合考虑功率和性能，当系统处于非成像模式时将其置于低功耗、可快速唤醒的“休眠”模式，以节约功耗。

　　还可以挖掘更多的改进机会。例如，为了满足噪声指标的要求，需要降低TR开关二极管的导通阻抗，从而二极管上存在很大的偏置电流，由此，TR开关本身就消耗了很大功率，每通道超过80mW。这几乎是接收器其它电路的功率总和！在上述MAX2082收发器等产品中，由于采用专有的集成TR开关设计，其噪声性能比这些分立设计更好，而功耗则降至每通道15mW以下。

　　平衡噪声与小型化需求

　　显而易见，高集成度与低功耗是便携式超声系统的设计挑战。而与此类设备小型化相关的一些性能问题并不十分明显。

　　带内噪声最小化

　　超声系统对2MHz至15MHz范围内的带内辐射及传导噪声和干扰极其敏感，单通道输入灵敏度可低至1nV/rtHz。对于一个128通道的典型系统，作用在所有输入端的有害信号可能获得高达21dB的系统增益，取决于通道间的波束成形延时。所以，即使输入带内噪声低至0.09nv/rtHz，也能在最终成像中观察到显著的噪声，呈现为伪影。这些伪影发生得很频繁，统称为“闪光”伪影；这些伪影类似于相控阵图像中心的光束，此时，系统对共模输入信号的增益最高。系统中的辐射或传导干扰源很容易产生如此小的信号。

　　超声系统设计人员往往竭尽全力从物理上隔离、屏蔽多噪的数字电路和敏感的模拟电路，以及控制接地环路。不幸的是，便携式超声系统设计者没有足够的资源实现电路的物理隔离，由于空间有限、PCB热密度大，屏蔽也有问题。所以，这些设计产生带内噪声的现象极其普遍，尤其是在物理上靠近实现计算/显示功能、嘈杂的PC主板时。在设计早期就考虑系统的接地和屏蔽尤其重要。如果随后试图在原型评估阶段修改这些高度集成的设计，不但极其困难，而且非常耗费时间。

　　音频噪声最小化

　　许多情况下，低频音频噪声也是棘手问题，并且更难解决。超声系统中，通过测量发射信号反射波的微小多普勒频率偏移，检测血流。发射信号或从静止对象接收的信号的任何低频调制都将产生噪声边带，使得需要测量的多普勒信号模糊不清(图5)，或在多普勒频谱中产生“音频”。在脉冲多普勒应用中，发射信号功率与1kHz噪声之比要求小于140dBc/Hz。对于CWD应用，要求在155dBc/Hz，甚至更高。

　　类似的低频噪声源有很多，但干扰最强、也是最常见噪声是低频电源噪声，会引发许多多普勒问题。低频电源噪声会造成敏感的数字发射/接收时钟产生抖动，进而限制接收器的动态范围或产生有害的多普勒音频。低频电源噪声也会在VGA增益控制信号上产生低频噪声，对静态组织反射的强信号进行调制，从而淹没微弱的邻近多普勒信号。

　　只有通过调整电源，才能有效降低音频频谱的电源噪声。传统设计中，安装在手推车的超声系统，可以在系统中布置大量效率低下的线性稳压器，以有效控制噪声源。而在便携系统中，这种方案是无法接受的。

　　设计者必须利用分布式开关稳压器来提高效率。遗憾的是，这种开关型稳压器会引入大量的RF带内传导、辐射开关噪声，即使采用正确的电容旁路措施也难以控制。频谱多普勒对于这类噪声尤其敏感，因为离散的开关频率会在多普勒频谱显示中产生音频噪音，这是此类系统常见的伪影。为了消除这类噪声，主要措施之一是确保开关稳压器频率与系统主控时钟同步。这种方式下，相对容易将开关噪声排除到有用信号的多普勒频带之外，并可保证高效。在使用开关稳压器的过程中必须谨慎，保持低功率，以避免出现难以抑制的多普勒杂散。

　　未来发展趋势

　　设计工程师一致认为设计便携式超声系统是一项艰巨任务。有限的空间、在狭窄空间内管理电源，以及越来越高的性能要求，都带来了新的难题。设计者需要巧妙地使用高度集成的低功耗、满足性能要求的模拟IC方案。还必须预先考虑系统设计的每个细节，以避免此类紧凑设计中所固有的噪声问题。

　　超声设备的便携化进展是一项造福于人类的工程，它所带来的好处远远超过所付出的设计风险。我们已经看到这些系统为全球医疗保健事业所带来的积极影响。没有任何理由怀疑这种发展趋势——前提是有集成度更高的模拟IC方案支持此类高密度医疗系统设计。

　　John Scampini