超声成像系统的设计考虑

　　成像通道接收机

　　超声成像通道的接收机用于检测二维(2D)信号以及彩超流体成像所需的脉冲多普勒(PWD)信号和频谱PWD。接收机包括发送/接收开关、低噪声放大器、可变增益放大器、抗混叠滤波器和模/数转换器(ADC)。

　　TX/RX开关

　　TX/RX开关可以保护低噪声放大器免受高压发射脉冲的影响，同时在接收间歇期间隔离低噪声放大器输入和发射机。该开关一般采用一组正确偏置的二极管阵列实现，当有高压发射脉冲出现时，它们会自动闭合或断开。TX/RX开关必须具备很快的恢复时间，以保证接收机在发射一个脉冲后能够立刻开启。这些快速恢复时间对于浅埋成像和提供低导通电阻确保接收灵敏度至关重要。

　　低噪声放大器(LNA)

　　接收机中的LNA必须具有出色的噪声性能和足够增益。对于设计合理的接收机，LNA将决定整个接收机的噪声性能。传感器单元通过同轴电缆连接到相应的低阻抗LAN的输入端。如果没有适当的电缆终端匹配，电缆电容和传感器单元的源阻抗将大大制约从宽带传感器接收信号的带宽。传感器电缆匹配至低阻，有助于降低这一滤波的影响，有效提高图像质量。不幸的是，这种端接也降低了LNA的输入信号，因而降低接收灵敏度。由此可见，为LNA提供有源输入端接非常重要，可以在上述条件下提供必要的低输入阻抗端接和出色的噪声性能。MAX2034是Maxim针对超声成像系统推出的4通道、低功耗、超低噪声前置放大器，每个低噪声放大器都具有单端输入、差分输出、高精度19dB固定增益和70MHz的-3dB带宽。放大器的高增益精度可实现优异的通道间增益匹配，这是高性能超声成像应用所必需的。MAX2034还包括片上可编程输入电阻，允许器件匹配至50Ω至1kΩ范围内的多种常见源阻抗。每个放大器的输入阻抗使用反馈拓扑以实现动态阻抗匹配。当信号源和输入阻抗为200Ω时，动态输入阻抗匹配可获得2.2dB的超低噪声系数。

　　可变增益放大器(VGA)

　　VGA，有时也称为时间增益控制(TGC)放大器，能够在整个接收周期内提供足够的动态范围。超声信号在体内大约每秒传输1540米，往返衰减率为1.4dB/cm-MHz。发射一个超声脉冲后，可立即在LNA输入看到高达的0.5VP-P回波，该信号会快速跌落到传感器单元的热噪声基底。 接收该信号所要求的动态范围为100dB至110dB，超出了实际ADC的输入量程。因此，需要利用VGA 将信号转换成与ADC量程相当的信号幅度。典型应用中采用12位ADC，要求VGA能够提供30dB至40dB的增益。增益随时间调整(“时间增益控制”)，实现所要求的动态范围。

　　超声接收机的瞬态动态范围也很关键，它会影响2D图像的质量和系统检测多普勒偏移(血液或组织的运动)的能力，尤其是在二次谐波成像系统中，感兴趣的二次谐波信号明显低于发射信号的基波。对于小的多普勒信号同样如此，多普勒信号频率可能在1kHz以内，幅度远远低于组织或血管壁的反射信号。因此，需要特别关注可变增益放大器的带宽和近载波SNR，这些参数通常是制约接收机性能的关键。

　　抗混叠滤波器(AAF)和ADC

　　抗混叠滤波器AAF置于接收通道，用于滤除高频噪声和超出正常成像频率范围但又通过ADC转换的混叠信号。设计中大多采用可调节的AAF，为了抑制混叠并保证信号的时域响应，滤波器需要对第一奈奎斯特频率以外的信号进行衰减。因此，常常使用巴特沃斯滤波器或更高阶的贝塞尔滤波器。典型应用中采用12位ADC，采样频率通常在40Msps至60Msps之间。ADC提供必要的动态响应范围，同时具有适当的成本和功耗。在设计得当的接收通道，ADC会限制接收通道的瞬态SNR。如上所述，性能差的VGA会限制整个接收通道的SNR指标。