超声系统课件

超声系统是目前广泛使用的最精密复杂的信号处理仪器之一。像任何复杂的仪器一样，由于性能、物理和成本要求的原因，实现时要做出许多权衡。掌握一些系统级的知识对于充分了解所要求前端IC的功能和性能水平是很必要的，尤其是低噪声放大器(LNA)、时间增益补偿放大器(TGC，一种可变增益放大器)和模数转换器(ADC)。这些模拟信号处理IC是决定系统整体性能的关键因素。前端IC的特性规定了系统性能的限度，一旦引入噪声和失真，实际上不可能再去除它们。在所有超声系统中，在包含48到256芯微同轴电缆的相对较长电缆(大约2m)的末端都带有一个多元传感器阵列。在一些阵列中使用高速(HV)多路复用器或多路分配器来减小发送和接收硬件的复杂性，但以使用灵活性为代价。在发送(Tx)端，Tx波束形成器首先决定设置期望发送焦点的延迟模式，然后用驱动传感器的高电压发送放大器放大波束形成器的输出。在接收(Rx)端，有一个收发(T/R)开关，它通常是一个隔离高电压Tx脉冲的二极管整流桥，它们后接一个LNA和一个或多个VGA。放大之后，就完成了模拟波束形成(ABF)或数字波束形成(DBF)。除了连续波(CW)多普勒处理，其动态范围太大以至于不能用成像通道处理，当前的系统中大部分都是DBF。最后，处理Rx波束以显示灰度图像、二维彩色图像和(或)彩色多普勒输出。超声系统的目的第一是给出人体内部器官的精确图像，第二是通过多普勒信号处理确定体内的血流运动状况。下面分析超声系统在实现这些目的时，在信号衰减、功耗以及动态范围等方面的技术挑战以及前端IC的选择考虑因素医用超声波的工作频率范围为1MHz-40MHz，外部成像通常使用1MHz-15MHz频率范围，而静脉仪使用的频率高达40MHz。对于给定渗透距离，组织衰减会衰减信号频率。信号经历约为1dB/cm/MHz的衰减，即对于一个10MHz的信号和5cm的渗透深度，往返信号会衰减5×2×10=100dB。ABF和DBF系统

在模拟ABF和DBF超声系统中，首先为各通道延时或存储沿波束从特定焦点反射的接收脉冲，然后按时间排列，并且对其相干性求和-这就提供了空间处理增益，因为通道间噪声不相关，而信号是相关的；这样产生10*log(N)的理论处理增益，其中N为通道数。图像可以按照两种方法形成：一种方法是利用模拟延迟线延迟的模拟序列值，对它们求和并且在求和之后转换成数字值(ABF)；另一种方法是通过对尽可能接近传感器阵列单元的模拟值进行数字化采样，把它们存入存储器(FIFO)，然后对它们数字化求和(DBF)。动态范围

LNA的基底噪声决定可以接收多弱的信号。但是同时LNA也必须能够处理非常大的信号，尤其是连续波(CW)多普勒信号处理过程中。因此，要求LNA具有最大的动态范围是极其重要的(一般来讲，由于噪声和信号失真限制，在LNA之前进行任何滤波都是不可能的)。CW多普勒信号具有超声系统中所有信号最大的动态范围。在CW信号处理期间，一半传感器阵列连续发送正弦波，而另一半传感器阵列接收该信号。Tx信号很可能泄漏到Rx端。因为多普勒信号非常弱，所以在解调之前不容易对大的泄漏信号进行滤波，因此处理CW信号的任何IC都需要具有非常大的动态范围。根据当前的技术发展水平，不能处理来自DBF系统中主要的B模式和F模式通道的CW多普勒信号。由于这个原因，为了处理如图所示的CW多普勒信号需要一个ABF。当然，DBF超声系统中的“圣杯”(HolyGrail)可以通过DBF链路以现实的成本和功耗处理所有模式。功耗考量

因为超声系统需要许多通道，所以所有IC低功耗是至关重要的。为了最终实现把所有超声模式都集成到一个波束形成器，人们总是追求增大前端的动态范围；满足使超声系统减小体积和便携式的相应需求导致与功耗需求的矛盾。数字电路的功耗通常随着电源电压降低而减小，但对于模拟信号或混合信号电路而言则未必。减小模拟电路的“电压余量”会减小动态范围，所以对于一个期望动态范围，电源电压能够达到多低是有限度的。本文结论

本文试图给出决定超声系统前端IC所需要的关键技术指标的技术背景。最重要的是：大动态范围、优良的过载恢复能力