结构紧凑的超声成像系统连续波多普勒(CWD)设计的挑战
摘要：采用高度集成的低功耗、双极型放大器和连续波多普勒(CWD)混频器/波束成型电路能够使下一代结构紧凑的超声设备达到“高端”CWD的指标。
超声系统中要求最苛刻的临床诊断工具是连续波多普勒(CWD)接收器。对小尺寸、低成本的要求不得不牺牲CWD系统的灵敏度性能，通过分析当前使用的CWD接收器方案，设计人员开发出了新一代解决方案，该方案采用了已经投产的高集成度、低功耗双极型放大器和CWD混频器/波束成型芯片组。新方案能够保证CWD接收机无需折衷诊断特性。
CWD基本概念
典型的相控阵CWD架构中，64至128个超声传感器在孔径中心附近均分成两部分，一半的传感器单元用于发送器，聚焦超声CWD发射波束，另一半用于接收器，聚焦接收波束。作用在发射单元的信号是方波信号，典型频率为1.0MHz至7.5MHz多普勒频率。将适当相位的信号作用到发射单元来聚焦发射波束。同样，CWD接收信号通过对每个接收单元的信号进行相位调整、求和进行聚焦。“波束成型”CWD接收信号由固态组织反射的强信号(通常称其为杂波)以及流动的血液反射回来的较弱的多普勒信号组成。每个相控阵接收通道输入端的典型杂波可能高达200mVP-P，而接收机参考输入的噪底会低至1nV/
。为了优化接收性能，需要每通道的SNR达到大约157dBc/Hz。对于一个64通道的CWD接收机，其SNR的要求非常极端。每个接收通道的噪声不相关，结果对于64个通道的噪底，波束成型后的信号噪底可能比单个通道的噪底高出18dB。然而每个通道的CWD是相关的，波束成型后的CWD信号会比单个通道的CWD信号高出36dB。考虑到“求和增益”的作用，波束成型后SNR的要求会比单个通道高出18dB，达到175dBc/Hz! 更加困难的是，感兴趣的低速多普勒信号的频率会在1kHz以内或低于杂波信号。由此可见超声检测设备面临巨大的设计挑战。
基于延时线的CWD波束成型
目前，超声系统大多采用模拟延时线接收器实现CWD信号检测(图1)，来自超声接收单元的输入信号经过缓冲、放大，LNA提供大约20dB的增益。LNA输出被转换成电流信号，随后通过交叉开关和模拟延时线对RF频率信号进行波束成型。
评论