適用于多種系統的超聲波成像模擬前端設計

超聲波成像是一種應用廣泛的醫療成像方法。傳統超聲波成像系統使用2～15MHz的頻率，精度水平為毫米，已廣泛應用于監控胎兒，以及診斷內臟疾病等。在過去的20多年里，傳統臺式超聲波系統主導了醫療超聲波應用，這是由于超聲波系統的通道數量巨大和信號處理量大所致。人口老齡化、不斷攀升的保健費用和新興經濟的需求，都使得對創新醫療解決方案的需求日益增長。

小尺寸、低功耗且高性能的超聲波模擬前端(AFE)和DSP都是超聲波產品廠商所需要的。更重要的是，超聲波產品廠商想要一種能夠通用于各種系統的設計，從而可以最短化他們的開發周期并加速產品上市進程。

超聲波系統結構
超聲波系統因其功能和性能而各異。例如，一些高端系統通常具有3D、4D和諧波成像模式，而一些低端系統可能只有2D B模式成像和頻譜多普勒成像模式。功能差異化主要取決于數字后端。高端超聲波系統則要求更多、更快的高端DSP計算資源調用，從而達到近乎實時的信號處理。很明顯，在高端和便攜式系統之間共用信號處理單元十分困難。但是，在忽略不同性能要求的情況下，超聲波系統一般都具有類似的接收通道架構。

如圖1所示，超聲波系統接收模擬前端由常用模塊組成，例如：低噪聲放大器(LNA)、時間增益控制(TGA)放大器、壓控放大器(VCA)、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器以及模數轉換器(ADC)。在任何情況下，AFE的性能都會極大地影響整個系統的性能。因此，只要在引腳對引腳兼容封裝中存在滿足不同性能要求的AFE產品，那么AFE設計就可以被標準化，并在各種系統中得到重用。這種標準化可在中低端系統中輕松地實現，這類系統無須特別的模擬信號調節。

圖1 超聲波系統結構圖

然而，目前大多數的AFE產品都不能滿足超聲波產品廠商的這種需求。因此，必須選擇一些單獨的芯片來滿足袖珍型和臺式系統的各種性能要求。例如，臺式系統或許允許有較高的功耗，但必須要實現更低的噪聲，反之亦然，因此必須進行重新設計。

諸如TI AFE5805的一些新型AFE器件保持了相同的外引腳。其目標應用為便攜式和臺式的各種超聲波系統。引腳對引腳兼容性將允許超聲波產品廠商能夠在極大節省成本和快速投放市場的情況下標準化AFE設計并設計出創新性產品。

模擬前端特性與系統性能的關系
要時刻謹記設計超聲波系統是一件復雜的事情，而AFE的每一個特性都會影響整個系統的性能。為每一種系統類別平衡選擇各種參數的能力毫無疑問是一種藝術。

就便攜式超聲波系統而言，功耗是一個關鍵的考慮因素。低功耗意味著更低的電池電量可提供更長的運行時間。但是，其會影響其他參數，例如，輸入信號范圍、輸入等效噪聲、諧波失真等，盡管這些性能降低通常對于便攜式（低端）系統而言是可以接受的。

除功耗以外，AFE噪聲是超聲波系統設計人員需要考慮的第二個因素。超聲波變送器的接收信號量級可能會在10μVPP～1VPP之間變化。能夠探測到的信號越小，系統的靈敏度也就越高。輸入等效電流和輸入等效電壓噪聲都會影響系統靈敏度。一般而言，0.7～1.5nV/rt(Hz)(RTI)的噪聲參數用于從高端到低端的系統。

一些具體系統應用證實這些噪聲參數足以產生高質量的圖像。雖然可以使用一款更低噪聲的放大器，但是其對最終超聲波圖像質量并無顯著提高，因為需要考慮輸入等效電流噪聲和發射/接收(T/R)開關的噪聲。除輸入等效電壓噪聲以外，閃爍噪聲（即1/f噪聲）也是成像應用中的一個重要因素。在存在混頻的連續波(CW)模式下，低頻噪聲頻譜移至載波頻率，從而降低了相關頻率的信噪比(SNR)。具有白噪聲性能的放大器優于其寬泛的工作頻率。