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提高超声成像质量以及降低功耗的方案

作者:时间:2017-06-07来源:网络

超声平台的成像质量与系统,向来是此消彼长的“零和游戏”,对于便携设备尤甚。早在2007年4月,推出了全球第一款集成八通道的芯片——AD9271,但一年半过去了,对于一些比较高端的应用,该芯片似乎在上显得“心有余而力不足”了。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/350312.htm

这个时候应运而生更高性能、更低的芯片也就成了必然。“业界一直在盼着这两款芯片,”大中国区资深业务经理周文胜这样对电子工程世界说。

究竟,这是两款什么样的芯片?

真正的“单芯”

谈及最新推出的两款八通道超声接收器AD9272、AD9273,周文胜更愿意将其形容为真正的“单芯”解决方案。与此前的AD9271一道,AD927x产品利用集成了八个通道的单芯片取代了以往的分立解决方案,每个通道中都包含一个低噪声放大器(LNA)、一个可变增益放大器(VGA)、一个抗混叠滤波器(AAF) 和一个12-bit模数转换器(ADC)。

“与数字技术相比,模拟技术更多地是靠积累,”周文胜感慨。从以往的分立方案到“单芯”方案,从AD9271到如今的AD9273、AD9273,看似模拟产品的功能只前进的一小步,实际上在其后蕴含着相当多的工艺背景。其中,最宝贵的,恰恰是拥有这样一些有积累的老工程师:在公司成立时他们就在ADI工作,现在已经六、七十岁,仍然在为ADI工作,他们甚者可以拍拍CEO的肩膀随意地聊天。同时随着产品平台化的转移,越来越多的公司走向方案提供,因而ADI也增加了很多系统集成工程师,人员也就成了ADI市场份额的核心力量。

与ADI在2007年财年的销售额24.3亿美元相比,医疗电子的份额约为5%,与传统的优势终端市场工业与仪器仪表、消费类产品、无线基础设施相比并不算大。但平均每年18%左右的增长仍然使人不得小觑。同时,医疗电子也被众多商家视为继PC、手机之后下一轮的竞争之地。

传统意义上的医疗电子领域,可以分为5部分——成像、病人监护、仪器仪表、消费类及植入器械。其中医学成像包括CT、超声波、数字X射线机、MRI,目前全球范围内最热门的是超声波和数字X光机(2000年以前基本是模拟X光机,这块数字化比较快)。而目前国内生产CT的厂商比较少,耳熟能详的是GE、东软。同时MRI在国内也不是非常成熟。而ADI的大部分医疗业务都来源于医学成像系统。

病人监护的类别更多的是指心电图机、脉搏血氧仪、呼吸机和自动外部除颤器。比如高危病人需要随身携带的脉搏血氧仪带GPS功能,可以卫星定位病人的位置,如果发生问题,可以通过最近的救护中心抢救病人。

仪器仪表主要就是分析。如血液分析、尿液分析等。

剩余的两个部分消费类和植入式器材,ADI现在做的比较少,但也非常关注。在过去的十到二十年间,消费类产品在欧美比较流行,葡萄糖监控仪、耳温计和血压与心率监控仪都属于此类产品。植入性器材一般都是集成的小系统,它可以检测到你血糖的浓度,当这个浓度大于一定程度的时候需要释放药物,这个药品已经植入你的体内,这时候它就会刺激释放这个药物,这种技术在国内还没有,但是在国外已经非常热门。

性能与功耗的平衡

而此次新产品的推出,ADI依然瞄准了其主要业务来源——成像,即AD9272和AD9273,这两款芯片拥有更大的灵活性,客户拥有更多的选择。其中AD9272具有业界最低的终端噪声,适合需要获得卓越图像质量的高、中端推车式超声设备;而AD9273在同类产品中,能提供最高的电源效率,满足便携式超声系统的需求。与AD9271不同,AD9272、AD9273是ADI的第二代芯片。AD9271是全球第一颗全集成的芯片AD9272的动态范围比AD9271大,但功耗差不多;而AD9273信号噪声等与AD9271类似,但功耗可以做到很低。

在现实环境下工作时,AD9272在5MHz下具有低噪声和最佳的动态范围,折合到输入端噪声仅为0.75 nV/rtHz,其输入动态范围也比同类器件高出6 dB/rtHz。对于便携式超声设备而言,AD9273重点强调低功耗,在12-bit、40 MSPS时,每通道功耗低于100 mW,有助于延长超声设备的电池寿命。

AD9272与AD9273具有高达42 dB的可变增益范围,可选的抗混叠滤波器,并与ADI同系列的其它产品引脚兼容。AD9272内置ADC的转换速率高达80 MSPS;AD9273内置ADC的转换速率高达50 MSPS。AD9271的可变增益范围为30 dB,内置ADC的转换速率高达50 MSPS。

通过对芯片性能的提升, AD9272、AD9273为超声系统带来了更多的改进:首先它可以改变成像的分辨率,获得更深的透视,这个是由动态范围确定。动态范围的增大本身可以检测到更微弱的信号,同时也加大了很小信号和很大信号之间的动态范围,从而可以到很浅的表皮也可以得到很深的组织内的图像,同时由于前端的低噪放功能的改进,也使得其对组织和血液流动观察会更清晰。

更小的外形和更低的成本,便携式的超声设备无疑是救护车、野战医院、病床边的首选。同时也得到了更长的电池寿命和更高的可靠性,这个是由一致性带来的好处,原来的系统方案设计的是八个通道,每个通道是由几个芯片工作,芯片之间难免出现不协调,而在一颗芯片内一致性是非常好。

完全可编程——SPI接口

“我们每次跟超声研发工程师谈研发,他们都会觉得头痛,”周文胜说。因为数据手册里有一大堆的集成器,不知道怎么设置。

因为两年前,国内生产的超声系统大多是黑白超,以32通道为主,甚至有24通道的。而64通道以上是彩超,现在最集中的一块是128通道,现在250个通道确实有不少人在做产品研发,但仍以128通道为主。每一条通道有很多芯片在里面,所以如果打开超声看一下,可以看到有密密麻麻的模拟前端。

而此时设计工程师可以通过SPI调整集成器优化架构,实现所需的最佳噪声的动态范围和电池寿命。这是一个可编程的SPI接口的软件,但是有很多参数在其内部,而且这些参数都是经过测试所得,该软件完全免费。也是完全免费的。

而现在选择芯片后,比如端接、频接阻抗、输入电压、频率、低噪放、衰减、PGA、截止频率等等全部可以设置的,当这些全部设置完以后就运行一下出来很多结果,这个结果是什么?这个结果是你期望拿到的值,如果不是所期望的,还可以再调整,直到符合设计需求。之后将其输出,形成一个文本文件,直接贴到程序里面即可。“这个我们认为是非常非常有创意的,”周文胜这样评价。

据悉,AD9272与AD9273是专为与AD8339进行接口而设计的,AD8339是一款带移相器的四通道可编程I/Q解调器,非常适合连续波多普勒超声系统。AD9272与AD9273还可以和ADI公司以下产品配合使用:AD8021低噪声高速放大器;AD7980 16-bit,1 MSPS PulSAR?模数转换器;ADR433 5.0 V超低噪声基准电压源。这些产品代表着当今医学成像与超声领域应用最广泛的产品系列。现可提供AD9272与AD9273样片,均采用100引脚 TQFP封装。AD9272的千片订量报价为54美元/片,AD9273的千片订量报价为51美元/片。



关键词: 超声成像 ADI 功耗

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