超聲波設備的發送器

圖2 ±100V電源時典型的超聲波發送器輸出，以及流入100Ω和300pF并行負載的相應瞬時電流

諧波失真
超聲波發送器的理想輸出是一種正弦信號，其滿足了最高電壓振幅和工作頻率要求。您可以生成一個矩形脈沖，而非創建這種難以生成的模擬信號。受限于變送器的低通濾波特性以后，這種脈沖被降低至僅其諧波的前幾個。其余偶次諧波中，第二個諧波一般為罪魁禍首。因此，第二諧波的抑制量成為超聲波發送器的主要品質因數。

脈沖對稱性和歸零
我們可以直觀地理解超聲波發送器輸出的對稱性要求。然而，這里需要深入理解的是輸出信號不必為一個長脈沖群。它可能包括一個單正極和負極脈沖對，脈沖對的前后均為0V。同樣，信號歸至0V的質量變得至關重要。有時，它被稱為“阻尼”函數（見圖3），并對一些超聲波模式產生巨大的影響，例如，人體非線性為主要信息源的諧波成像等。

圖3 快速歸零（阻尼）函數

因此，由正脈沖歸至0V與由負脈沖歸至0V的對稱性以及它們發生速度的快慢成為決定輸出信號線性質量的因素。

導通電阻
導通狀態下輸出晶體管的電阻對超聲波發送器的運行至關重要。首先，導通電阻與負載一起決定了輸出信號的升降時間，其設定可達到的輸出頻率。其次，它直接影響功耗。根據前面提到的電壓和電流范圍，在超聲波發送事件期間，會出現大量的功耗。這種功耗的程度取決于 B 模式顯示或諧波成像等情況的高壓和低占空比與CW多普勒型成像模式的低壓和持續工作之間的相互作用。

超聲波發送器系統的其他重要性能參數還包括輸出信號抖動和相位噪聲，以及通道之間的延遲匹配。

半導體的出現
過去幾十年，半導體技術一直都是通信和計算機行業進步的基礎。現在，它們即將給醫療技術帶來類似的突破，特別是在成像應用中。超聲波也不例外，它見證了從習慣使用的分立系統轉至完全集成的半導體芯片型解決方案這樣一場正在進行的運動。由于其固有的高速、低功耗和小體積等優勢，半導體IC可以幫助醫學成像廠商縮短其產品上市時間、實現終端設備的便攜性、提高產品可靠性和性能，同時保持成本的可控性。

現在，可以通過單片IC解決方案來實現收/發以及收/發開關功能。目前可用的一些IC發送器均能夠產生高達8V/ns轉換速率的±100V輸出電壓，以及低于40dBc的第二諧波失真。通過有源阻尼架構，可以實現脈沖對稱性和快速歸零。例如，TI的TX734是一款±90V、±2A、3級、4通道、具有有源阻尼功能的集成發送器。該集成超聲波脈沖發生器與AFE5851（一款16通道模擬前端芯片）和TX810（一款8通道收/發開關）均為超聲波系統IC解決方案的例子。

結論
過去幾十年，醫學成像領域取得了許多重大進步。超聲波技術在這些進步中扮演一種特別的角色，經證明其為諸多應用的一種通用診斷工具。這些應用范圍廣泛，從產科學到血管成像，到一些程序中的針頭引導，甚至包括某些良性和惡性腫瘤的治療。半導體IC技術正以一種越來越快的步伐支持這種發展。由于各種IC的出現，實現了超聲波系統的所有主要功能，從而讓廣大臨床醫生和其他用戶都能夠享受到便攜性、高圖像分辨率和高產品可靠性等重要技術進步。