高级模拟整合及低噪声设计打造紧凑的医用超声方案

　　摘要：本文简单列举了紧凑医用超声设备的开发过程中，设备开发人员所面临的设计难题，并提出了应对措施。

　　高质量成像和空间要求

　　便携式超声系统开发人员必须在局促的空间内安装了大量超声收发器，以提供高质量成像。这项任务并不简单，目前市场上比较通用的系统通常处理128路或更多的收发器。

　　图1所示为典型的超声收发器方框图，为了产生超声影像，收发器的高压发送器产生正确定时的高压脉冲，激励超声传感器元件并产生聚焦的声波发射。所发射的声能经过病人体内非连续阻抗反射，返回至收发器的接收器部分。

　　接收器包括发送/接收开关(TR开关)、低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、抗混叠滤波器(AAF)和模/数转换器(ADC)。每个传感器元件都通过TR开关连接至LNA，该开关保护LNA输入不受高压发射信号的损坏。LNA本身提供初始固定增益，以优化接收器的噪声性能。VGA用于补偿体内超声信号随时间的衰减，这降低了对后续ADC的动态范围要求。接收链中的AAF避免超出正常最大成像频率范围的高频噪声映射到ADC接收频带。放大、量化后的信号经过延迟，并在超声系统的数字波束成形器内求和，产生聚焦后的波束成形接收信号。所形成的数字信号用于产生2D影像，以及脉冲多普勒信息。

　　接收器在LNA之后还有一条独立的连续波多普勒(CWD)接收/波束成形通路。CWD模式下，接收器的动态范围要求非常严格，超出了VGA/ADC信号通路的范围。通过将接收到的信号与适当相位的LO混频并求和，得到基带信号，实现CWD波束成形。由此，CWD接收电路应该由高动态范围的模拟I/Q混频器和可编程LO发生器组成。

　　如上所示，接收器部分包括大量的功能电路，需要把128路或更多通道的接收器整合到PC大小的设备中，这的确是一项重大挑战。模拟IC制造商注意到了这一需求，并已开发出高度集成的方案来应对这一挑战。目前，在10mm x 10mm的微小封装内集成八路LNA、VGA、AAF和ADC收发器的产品已非常普遍;也可以看到10mm x 10mm封装的4或8通道器件内集成了高压脉冲发生器的方案。这些进步意义重大，对现代便携式系统的实施起着重要作用。当然，我们也看到了进一步整合的机会。

　　MAX2082八通道收发器(图2)是一款代表高集成度超声方案最高水平的典范。该器件包括完整的接收器、TR开关、耦合电容以及三级高压脉冲发生器，采用单片10mm x 23mm封装。这种单芯片接收器架构大大节省空间，帮助用户缩短设计时间，降低总体系统成本。

　　这种高度集成的收发器能够节省相当可观的空间，单是内部TR开关就节省了大量空间。可以对比一下当前最常见超声系统所使用的典型分立TR开关(图3)。此类TR开关方案包含9个分立式元件，这意味着在128通道系统中仅凭TR开关就需要超过1000个分立元件!

　　图4所示，利用MAX2082实现128通道收发器配置的PCB布局。所需空间小于10平方英寸，相对于目前使用8路接收器IC、8路脉冲发生器IC和分立TR开关的方案，所占空间不到后者的一半。