決定超聲系統前端IC所需要的關鍵技術指標解析

超聲系統是目前廣泛使用的最精密複雜的信號處理儀器之一。 像任何復雜的儀器一樣，由於性能、物理和成本要求的原因，實現時要做出許多權衡。 掌握一些系統級的知識對於充分了解所要求前端IC的功能和性能水平是很必要的，尤其是低噪聲放大器（LNA）、時間增益補償放大器（TGC，一種可變增益放大器）和模數轉換 器（ADC）。 這些模擬信號處理IC是決定係統整體性能的關鍵因素。 前端IC的特性規定了系統性能的限度，一旦引入噪聲和失真，實際上不可能再去除它們。

在所有超聲系統中，在包含48到256芯微同軸電纜的相對較長電纜（大約2m）的末端都帶有一個多元傳感器陣列。 在一些陣列中使用高速（HV）多路復用器或多路分配器來減小發送和接收硬件的複雜性，但以使用靈活性為代價。 使用最靈活的系統是相控陣列數字波束形成器系統-它們也往往是成本最高的系統，因為需要實現所有通道的完全電子控制。 但是，像AD8332雙可變增益放大器（VGA）和AD8335四VGA以及AD9229 12位四模數轉換器這樣的前端IC都正在促使每通道的成本和功耗不斷降低，從而甚至使中低成本的系統 都可能實現所有通道的完全電子控制。

在發送（Tx）端，Tx波束形成器首先決定設置期望發送焦點的延遲模式，然後用驅動傳感器的高電壓發送放大器放大波束形成器的輸出。 在接收（Rx）端，有一個收發（T/R）開關，它通常是一個隔離高電壓Tx脈衝的二極管整流橋，它們後接一個LNA和一個或多個VGA。

圖1：DBF系統基本框圖

放大之後，就完成了模擬波束形成（ABF）或數字波束形成（DBF）。 除了連續波（CW）多普勒處理，其動態範圍太大以至於不能用成像通道處理，當前的系統中大部分都是DBF。 最後，處理Rx波束以顯示灰度圖像、二維彩色圖像和（或）彩色多普勒輸出。

超聲系統的目的第一是給出人體內部器官的精確圖像，第二是通過多普勒信號處理確定體內的血流運動狀況。 下面分析超聲系統在實現這些目的時，在信號衰減、功耗以及動態範圍等方面的技術挑戰以及前端IC的選擇考慮因素。

1 信號衰減問題

超聲系統有三種主要的獲取模式：B模式（灰度成像，二維）、F模式（Colorflow成像或多普勒成像，血流檢測）和D模式（光譜多普勒）。

醫用超聲波的工作頻率範圍為1MHz-40MHz，外部成像通常使用1MHz？ 15MHz頻率範圍，而靜脈儀使用的頻率高達40MHz。 對於給定滲透距離，組織衰減會衰減信號頻率。 信號經歷約為1dB/cm/MHz的衰減，即對於一個10MHz的信號和5cm的滲透深度，往返信號會衰減5& TI mes;2& TI mes;10=100dB。

這對大動態範圍的接收信號提出了一個嚴峻的挑戰：一個問題是接收電路必須同時具有很低的噪聲和大信號處理能力，另一個重要問題是要求快速過載恢復能力。 即使T/R開關也應該防止接收機接收大脈衝，這些脈衝中仍有小部分從開關洩漏並足以使接收機過載。 低劣的過載恢復將使接收機處於“盲”狀態直到它恢復，這會對所生成圖像離皮膚表面的距離產生直接影響。

2 ABF和DBF系統

在模擬ABF和DBF超聲系統中，首先為各通道延時或存儲沿波束從特定焦點反射的接收脈衝，然後按時間排列，並且對其相干性求和-這就提供了空間處理增益，因為通道 間噪聲不相關，而信號是相關的；這樣產生10*log（N）的理論處理增益，其中N為通道數。 圖像可以按照兩種方法形成：一種方法是利用模擬延遲線延遲的模擬序列值，對它們求和並且在求和之後轉換成數字值（ABF）；另一種方法是通過對盡可能接近傳感器 陣列單元的模擬值進行數字化採樣，把它們存入存儲器（FIFO），然後對它們數字化求和（DBF）。

如圖給出一個DBF系統的基本框圖，在ABF系統中用可變延時線代替ADC和FIFO。 這兩種系統都要求極好的通道間匹配。 應當注意的是這兩種系統的實現都需要VGA，同時ABF系統只需要一個高分辨率並且相當低速的ADC（在求和之後對信號進行下變頻），但DBF系統需要許多高速、高分辨率 的ADC，因為它要對射頻（RF）帶通信號進行採樣。