医疗成像系统快速样机制造指南

一旦 Diagnostic Sonar 公司决定利用使用 NI FlexRIO 的现成模块化 FPGA 构架来制造其系统样机，下一步便是定义系统的 I/O。NI FlexRIO 平台拥有各种模拟和数字适配器组件，可以满足许多应用需求，但是它也允许系统开发人员设计其自己的定制 I/O，使用适配器组件开发工具包 (MDK) 连接至 FPGA。Diagnostic Sonar 公司已经具备了设计超声波前端的经验。但是，他们意识到要想达到最佳系统性能的通道密度要求，他们必需使用专门为超声波应用设计的全集成 AFE。

利用集成 AFE 开发更高性能系统

超声波系统性能会受到其模拟电路的极大影响。因此，AFE 的每一个特性对所有超声波系统设计都至关重要。

超声波系统的 AFE 由一个低噪放大器 (LNA)、压控衰减器 (VCA)、可编程增益放大器 (PGA)、图形保真滤波器 (AAF) 和模数转换器 (ADC) 组成。LNA 提供获得良好灵敏度所需的低噪放大。VCA 和 PGA 是时间增益控制 (TGC) 模块的组成部分，可改善系统的动态范围。另外，它们还允许增益随时间而增加，目的是在信号通过人体时对增大的信号衰减进行补偿。之后，对经过放大处理的信号进行滤波，以改善其信噪比 (SNR)。然后，通过一个 ADC 将所得到的信号转换成数字格式，并利用接收波束生成器对其进行处理。AFE 的性能极大地推动着超声波系统特性的演变，让它的体积更小、重量更轻、电池寿命更长和图像质量更高。

在开始 IC 设计以前，工艺选择是半导体制造厂商的一个关键考虑因素。工艺选择必须平衡性能、功耗、成本和升级可行性等方面。

不管设计的对象是高端汽车还是一个手持便携式系统，AFE 通道整合都很重要。便携式系统开发人员必须尽可能多地节省其电路板空间，并且高端系统必须针对高通道数目进行优化。过去五年，AFE 迅猛发展。2004 年，使用离散方法设计一个 16 通道的 AFE 需要超过 40 个组件。现在，只需要 2 个！

半导体工艺技术的发展让我们能够缩小尺寸、降低功耗和提高总性能。今天的一些AFE，例如：TI 的 AFE5808，性能提高了一倍，电路板空间减小了 94%，功耗降低了 67%。AFE　器件中更高的通道集成度让尺寸大大减小，更少的组件数目节省了成本，而其布局也更加简单—所有这些，最终让系统拥有更高成本效益和更短产品上市时间成为现实。

图 3 过去几年面向具体应用的模拟前端极大地提高了集成度和性能