醫學成像：不斷縮小外形尺寸、提高性能

與所有非常依賴科技進步的行業一樣，醫學成像設備廠商不得不持續改進他們的產品——主要是改進系統的成像質量。無論是超聲波反射聲波、核磁共振成像 （MRI） 磁場擾動還是正電子發射斷層成像 （PET） 的正電子發射，大多數醫學成像技術均需要患者信號接收傳感器陣列。提高成像質量的最直接方法就是擴大傳感器陣列規模。但是由于為設備添加了更多的傳感器，因此將信號傳輸至處理引擎的信號鏈就必須增加電子器件。

與此同時，廠商還必須縮小其系統尺寸、降低功耗并提高性能。系統某一方面的性能增強也許會給其他方面帶來挑戰。僅僅增加傳感器和信號鏈就可能會引發包括系統尺寸及功耗增大在內的不利影響。但是，用于醫學成像系統的最新一代信號鏈組件使醫療系統設計人員既能改善信號鏈密度和功耗，同時又不影響動態性能——即系統同時實現更高的成像質量、更低的功耗以及更小的尺寸。

圖 1 超低功耗 VGA 的功能結構圖

醫學成像接收機的組成元件

對于大多數典型醫學成像應用來說，傳感器陣列的每個元件都需要其自己的信號鏈將傳感器的小信號響應傳送并轉換成一個匹配的小信號響應以進行數字信號處理。因為成像應用傳感器的信號響應性質不盡相同，因此信號轉換過程中通常離不開三個主要有源組件。首先是低噪聲放大器 （LNA），其主要功能是將模擬系統的噪聲系數 （NF） 盡可能地固定在一個盡可能低的水平。第二個放大器通常是在 LNA 之后，以最佳匹配模數轉換器 （ADC） 末級輸入擺幅的信號。

圖 2 噪聲系數與所選VGA 性能的對比關系

諸如 MRI 的應用（其通常在信號振幅方面擺幅不大）可以使用固定增益級。但是，如果系統在信號強度（如超聲波）方面存在很大差異，那么該系統則需要可變增益放大器 （VGA），并且需要在 ADC 之前使用可編程增益放大器 （PGA）。經過 ADC 以后，模擬信號將被轉換成數字信號并準備發送至系統的數字信號處理器 （DSP），該過程一般通過現場可編程門陣列 （FPGA） 完成進入末級的信號處理和轉換。對于 MRI 而言，在 LNA 和放大器之間也可能有一系列混頻級，以將磁體射頻 （RF） 能量轉換成為低頻能量。因為每個元件都需要三個或更多器件，傳感器每增加一倍，僅接收信號鏈的模擬組件數量就可能需要增加到原來的 6 至 10 倍！另外，功耗要求的增加就更不用說了。難怪系統設計人員總是不斷要求組件供應商對其新型集成電路 （IC） 設計進行創新，以解決尺寸相關的問題。

高集成度：更多的信號鏈、更小的空間以及更低的功耗

一個主要的改進方面就是將越來越多的模擬器件集成在一個芯片上，進而減少系統所需的 IC 數量。就一個典型的超聲波接收鏈而言，每個傳感器可能都需要四個器件，其中三個為放大器。憑借現代設計與工藝，IC 供應商現在可提供將 LNA、VCA 以及 PGA 集成在一個可變增益放大器的器件，最終將芯片數量減少了三分之一。另外，當前的設計通常在每個芯片中都包括多個信號鏈通道，采用 64 引腳 QFN 封裝的一個 IC 封裝就包含了多達 8 個 VGA 通道。這就允許了 VGA 輸出直接進入 ADC 的輸入端，而無需外部無源或有源組件，從而節約了更多的板級空間。在圖 1 中，其他功能模塊（如連續波距陣開關和鉗位電路，特別是對醫學成像系統而言）也被集成到了該器件中。

在一個器件中集成多個通道除了外形尺寸優勢以外還有其他諸多優勢。通常，第一個組件都是設計旨在作為一個獨立的實體實現功耗與性能的平衡。雖然設計用于協同工作，但每個組件的性能看起來都要優于系統所需的性能。因此當各個組件協同工作時，每個組件都會向著過性能方向歪曲功耗與性能平衡，從而帶來比期望功耗更高的功耗。

但是在多級 IC 中，設計人員可以對電源進行分配，以最大程度地滿足設計要求，從而在不需要電能的模塊上幾乎不浪費什么電能。較新的 VGA 就是一個不錯的例子。由于低噪聲對超聲波成像系統至關重要，因此 LNA 功能對 VGA 設計而言也很重要。其輸入噪聲設置了系統可實現的最低噪聲系數，而其增益又會直接影響后級噪聲的數量，該后級會影響最終的噪聲系數。通過平衡 LNA 級中功耗與性能，我們在提高 VGA 性能的同時便可實現較低功耗設計（請參見圖 2）。 以前的多通道 VGA 借助一條趨勢線在功耗與輸入等效噪聲之間權衡。可以使用每通道僅消耗 75 mW的設計來實現1.2 輸入等效噪聲，或實現 0.7 輸入等效噪聲（如果每通道 150 mW 的功耗不過載功耗預算的話）。但是由于有了非常高效的低噪聲雙極結晶體管 （BJT），當今的 VGA 可以對前端進行優化，從而在每通道僅為 63 mW 的情況下便可實現 0.8 的輸入等效噪聲。這就使得高性能成像系統在越來越小且更加便攜的同時功消耗更低的電能。

降低功耗

圖 3 隨采樣速率變化的功耗調節示例

ADC 也歷經了類似的集成。許多現代設計都具有與 8 通道 VGA 相匹配的 8 個高速 ADC 通道，通常精度在 10～14 位之間，采樣速率在 40～-65 MSPS 之間。通過整合輸出標準（如雙倍數據速率低壓差分信號 （LVDS）），八通道 ADC 減少了每個 ADC 的輸出引腳數量，從而實現了更小的封裝尺寸。這還減少了 ADC 和數字處理引擎之間 I/O 線跡的數量，從而簡化了布局。 例如，8 個12 位 ADC 將需要96 個引腳和線跡來以并行 CMOS 格式輸出其數據。但是在每個 ADC 都使用了一個串行化的 LVDS 對以后，只需要 20 個引腳和線跡就足夠了（ADC 具有 8 個 LVDS 對，每個幀和位時鐘使用一個 LVDS 對）。

ADC 雖然大幅降低了功耗，但是不會影響它們在典型醫學成像應用中運行包絡的性能。由于醫學成像應用的噪聲和線性度的約束，高效放大器級通常為諸如鍺-硅之類的內置工藝以充分利用低噪聲 BJT。這些工藝使典型響應頻率（從 DC 至 20 MHz）達到了最佳平衡——低噪聲、低功耗以及高線性度。相反，具有醫學成像所需典型采樣速率的高速 ADC 通常使用 CMOS 工藝進行構建，因為該技術針對 10-14 位精度采樣速率高達 65 MSPS 或以上的轉換器在功耗與性能方面做了很好的權衡。