【導讀】在1990年代早期，尺寸與現代筆記本電腦接近的“便攜式”電話(有時也稱為“背包電話”)廣為使用。此后，不出二十年，口袋大小的手機已經可以收發郵件和文字消息、拍照、查詢股票、預約，當然還能給世界上任何地方的人打電話。與此類似，在醫療領域，早期所謂的“便攜式”超聲系統是推車式的，且在功耗較高、成本昂貴。幸運的是，超聲系統近年來也得益于芯片集成和功耗調整技術的突破。
這些技術突破催生了更便攜、更高效的超聲系統，具有更佳的成像性能和更多的功能。更高的動態范圍、更低的功耗以及更緊湊的系統級IC提供了高質量的圖像，可更好地進行診斷。未來的超聲系統可能是手持式的，并成為醫師的第二個“聽診器”。
超聲信號鏈
圖1顯示了一個超聲系統信號鏈的簡化框圖。所有超聲系統都在相對較長電纜的末端使用換能器，電纜長度一般為兩米。此電纜至少包含8個——最多可達256個——微型同軸電纜，是系統中最昂貴的部件之一。在幾乎所有系統中，換能器基元都直接驅動電纜。電纜電容成為換能器基元的負載，引起很大的信號衰減。它需要一個高度靈敏的接收器來保持動態范圍和實現最佳系統性能。
圖1. 典型超聲信號鏈
在發射端(Tx路徑)，波束成形器決定針對所需焦點而設定的脈沖序列延遲模式。然后，波束成形器的輸出由高壓發射放大器放大，以驅動換能器。這些放大器由數模轉換器(DAC)或者高壓FET開關陣列控制，將發射脈沖整形，以便更好地向換能器基元傳輸能量。在接收端，發射/接收(T/R)開關(通常是一個二極管電橋)阻擋高壓Tx脈沖。某些陣列會使用高壓(HV)多路復用器/解復用器來降低發射和接收硬件復雜度，但這樣會犧牲靈活性。
時間增益控制(TGC)接收路徑由低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)和模數轉換器(ADC)構成。VGA通常提供線性dB增益控制，與超聲信號反射衰減匹配。在操作人員的控制下，TGC路徑用于在掃描過程中保持圖像的均勻性。低噪聲LNA對于盡可能降低隨后的VGA噪聲分配極為關鍵。在需要輸入阻抗匹配應用中，有源阻抗控制使噪聲性能最佳。
通過VGA將寬動態范圍的輸入信號壓縮，以滿足ADC的輸入范圍要求。LNA的折合到輸入端的噪聲限制了可分辨的最小輸入信號，而折合到輸出端的噪聲主要取決于VGA，它限制了特定增益控制電壓下可以處理的最大瞬時動態范圍。該限制是根據量化本底噪聲設定的，而量化本底噪聲由ADC的分辨率決定。早期的超聲系統基于10位ADC，但多數現代系統使用12或14位ADC。
抗混疊濾波器(AAF)限制了信號帶寬，同時也抑制了ADC之前TGC路徑中的無用噪聲。
醫用超聲的波束成形是指信號的相位對準和求和，這些信號由共同的信號源生成，但是由多基元超聲換能器在不同的時間點接收。在連續波多普勒(CWD)路徑中，對接收器通道進行移相和求和，以提取相干信息。波束形成有兩個功能： 一個是為換能器定向，以提高其增益，另一個是定義人體內的焦點，由該焦點得到回波的位置。
波束成形可以采用兩種不同的方法實現：模擬波束成形(ABF)和數字波束成形(DBF)。ABF和DBF系統之間的主要區別在于完成波束成形的方式；這兩種方法都需要良好的通道間匹配。ABF使用模擬延遲線和求和，僅需要一個精密高分辨率、高速ADC。DBF系統是目前最受歡迎的方法，它使用“很多”高速、高分辨率ADC。DBF系統中的信號應盡可能靠近換能器基元進行信號采樣，然后將信號延遲并對其進行數字求和。DBF架構的簡化框圖如圖2所示。
圖2. 數字波束成形(DBF)系統簡化框圖
集成和分割策略
超聲系統具有如此多的通道和元器件，雖然技術已經有了極大的進步，仍屬于目前最復雜的系統。就像其他復雜系統那樣，有很多方法可以進行系統分割。本節將回顧一些超聲分割策略。
早期的超聲系統采用模擬波束成形技術，需要使用大量的模擬元器件。TGC和Rx/Tx路徑上的數字處理通過定制ASIC來實現。在多通道VGA、ADC和DAC廣泛使用之前，這種方法很常見。ASIC具有大量柵極，其數字技術未針對模擬功能(比如放大器和ADC)優化。使用ASIC的系統很大程度上必須依賴于供應商產品的可靠性。
ASIC、FPGA和DBF技術與分立式IC ADC和VGA結合使用是實現便攜性的第一步，但使用多通道(四通道和八通道)
TGC、ADC以及DAC讓尺寸與功耗得到大幅下降。這些多通道元器件可讓設計人員從數字電路中將敏感模擬電路分割到獨立電路板上。這樣可以縮減系統尺寸，并且有利于在多個平臺上重復利用電子電路。
然而，以高引腳數互連四通道和八通道VGA與ADC會讓PCB走線路由變得困難，某些情況下會迫使設計人員使用通道數較少的器件，比如從八通道ADC轉而使用四通道ADC。將大量多通道元器件放置在小面積內還會導致散熱問題。進行最佳分割可能會變得很有挑戰性。
完整TGC路徑采用多通道、多器件的進一步集成使設計變得更加容易，因為PCB尺寸和功耗要求得以進一步降低。隨著更高級集成方案的廣泛使用，成本、尺寸和功耗進一步減小，便攜式系統的電池壽命更長。
這類架構可以采用超聲子系統構建(比如AD9271)，它包含LNA、VGA、可編程抗混疊濾波器、12位ADC和八個TGC
通道的串行LVDS輸出。
最終的超聲解決方案可在探頭里集成更多的電子功能，并盡可能靠近換能器基元。記住，探頭基元的電纜會限制動態范圍，且成本高昂。如果前端電子元件更靠近探頭，那么電纜損耗的影響就會更小，降低LNA要求并進而降低功耗。一種方法是將LNA移至探頭電子器件中。另一種方法是分割探頭和PCB電子器件的VGA控制。最終，系統尺寸更小，足夠裝進超小型封裝中。這樣做的不足之處是設計人員又回到了原點，需要定制探頭。換言之，探頭/電子器件定制將使現代設計人員面臨以前使用數字ASIC的設計人員所面臨的同樣問題。
使用現代IC調節電源/性能
超聲涵蓋了范圍廣闊的各種應用，因此系統設計人員所需要做的權衡取舍也更多。每一種診斷成像模式都有不足之處，通常是性能與功耗的權衡。現在，這些難題由可讓設計人員在IC內部調節性能與功耗比的元器件所解決，從而縮短了產品上市時間。同樣，我們希望超聲子系統可以在IC內部提供一系列選項，以便調節輸入范圍、偏置電流、采樣速率和增益。根據所要求的成像模式或探針類型，系統設計人員幾乎可以實時對設計的適用性進行系統調節，并以最低的功耗提供最高的性能。
設計人員還可針對這些器件使用配置設計工具，從而可對各種單獨的探頭和圖像模式性能進行評估，如圖3所示。系統設計人員可以快速做出這些權衡取舍，并直接在IC級別調節系統設計。如此，便無需更改硬件并執行復雜的圖像處理測試來驗證這些權衡取舍。
圖3. 超聲子系統配置工具圖形用戶界面
此外，配置工具還可將最優配置參數轉換為數字設置，并生成一個文件，將該器件的最終配置復制到系統中。
結論
在醫療和工業應用中，超聲系統正在不斷向便攜性和低功耗發展。所有這類系統都具有相似的要求，并在近年來實現了集成和功耗調節創新。
集成式多通道器件的進步體現在進一步降低了功耗、尺寸和成本。無疑，最新的創新產品與配置工具可讓系統設計人員更輕松。這便為根據具體成像模式開發可配置和可進行性能與功耗調節的多樣化超聲產品提供了途徑。
大多數超聲設備制造商的知識產權(IP)都集中在探頭和波束成形技術上。多通道集成的常用器件包括四通道和八通道ADC，它們可以最大程度減少高成本模擬元器件的使用，并降低費時費力的TGC通道校準要求。超聲系統的其他部分還可進一步集成。對更多的信號鏈部分進行集成將進一步降低功耗、尺寸和成本，同時提升處理能力。
參考文獻
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本文轉載自亞德諾半導體。
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