超聲波設(shè)備的發(fā)送器

醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域正極大地受益于應(yīng)用物理和電子學(xué)的研究和發(fā)展，特別是在諸如儀表設(shè)備、影像采集和建模等領(lǐng)域。由于具有完全無(wú)創(chuàng)傷性，超聲波在各種成像模式中占有特別的位置，其為內(nèi)臟器官研究提供了一種可靠的方法。超聲波技術(shù)用于醫(yī)療目的已有半個(gè)多世紀(jì)。然而，這種必需的設(shè)備體積龐大且價(jià)格昂貴，直到最近才專門(mén)使用一些分立器件來(lái)制造。

由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，這種趨勢(shì)正在發(fā)生變化?，F(xiàn)在，可以完全使用半導(dǎo)體IC來(lái)制造超聲波收發(fā)器。更低電壓的IC技術(shù)現(xiàn)在讓具有顯著高增益和低噪聲性能的超聲波接收機(jī)芯片成為現(xiàn)實(shí)。同樣地，在更高電壓端，人們?nèi)找骊P(guān)注驅(qū)動(dòng)超聲波變送器的發(fā)送器IC的制造。本文概述了超聲波發(fā)送器芯片設(shè)計(jì)的一些進(jìn)展及其存在的諸多挑戰(zhàn)。

超聲波系統(tǒng)概述：發(fā)送和接收功能
簡(jiǎn)而言之，超聲波系統(tǒng)的工作原理是產(chǎn)生用于患者身上的聲波，然后接收并處理反射信號(hào)來(lái)形成患者身體的影像。發(fā)送至身體內(nèi)的原始聲波由一個(gè)變送器產(chǎn)生，其一般由發(fā)送器產(chǎn)生的電脈沖激發(fā)。類似地，反射聲波由變送器接收，然后轉(zhuǎn)換回電形式，最后對(duì)得到的信號(hào)進(jìn)行處理，以確定相關(guān)身體部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1顯示了一個(gè)完整醫(yī)療超聲波系統(tǒng)的典型構(gòu)造。發(fā)送路徑的實(shí)現(xiàn)可以有幾種不同的方法。該路徑可能由一個(gè)波束形成器以及許多電平轉(zhuǎn)換器、柵極驅(qū)動(dòng)器和高壓開(kāi)關(guān)組成，其輸出被發(fā)送給超聲波變送器。一般而言，變送器由壓電材料制造，其將高壓電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波，即系統(tǒng)的最終輸出。

圖1完整醫(yī)療超聲波系統(tǒng)的典型構(gòu)造圖

一些系統(tǒng)中，在通過(guò)數(shù)字邏輯驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)的發(fā)送路徑中，從始至終都得到保持信號(hào)的數(shù)字屬性。然而，您也可以以一種模擬方式創(chuàng)建并發(fā)送信號(hào)到變送器。其涉及一個(gè)將波束形成器輸出轉(zhuǎn)換為模擬格式的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。然后，在將其發(fā)送到變送器以前，模擬放大被用于產(chǎn)生的信號(hào)。

超聲波系統(tǒng)的接收路徑方面，使用了一種模擬方法。因?yàn)榻邮招盘?hào)的振幅遠(yuǎn)低于發(fā)送信號(hào)，因此前端包括一個(gè)低噪聲放大器，其后為某種增益控制模塊。濾出非相關(guān)高頻部分以后，得到的信號(hào)通過(guò)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，而該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出則由波束形成器來(lái)處理。

超聲波收發(fā)器系統(tǒng)的其他重要部分包括一個(gè)對(duì)多個(gè)通道活動(dòng)進(jìn)行交互的多路復(fù)用器，以及一個(gè)控制變送器和收發(fā)器電子元件之間信號(hào)流量的收/發(fā)開(kāi)關(guān)。收/發(fā)開(kāi)關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵功能是在發(fā)送事件期間保護(hù)接收機(jī)，因?yàn)榘l(fā)送事件涉及過(guò)高的發(fā)送線路電壓，其遠(yuǎn)高出接收機(jī)模塊的承受能力。

超聲波系統(tǒng)要求：發(fā)送路徑挑戰(zhàn)電壓范圍和工作頻率
到目前為止所描述的超聲波系統(tǒng)可以產(chǎn)生各種信號(hào)圖像來(lái)滿足不同成像模式的要求。在極端范圍下，您可以獲得B型顯示和諧波成像應(yīng)用要求的高壓(60～100V)、低占空比(0.5～2.0%)信號(hào)。在另一種極端情況下，可以獲得連續(xù)波(CW)多普勒型成像模式要求的低壓(3～10V)、100%占空比信號(hào)。

這就是說(shuō)，在1～20MHz基頻范圍時(shí)，相應(yīng)占空比條件下，要求超聲波系統(tǒng)的發(fā)送器電路產(chǎn)生±3V±100V的輸出電壓。

很明顯，發(fā)送器輸出的±100V需要一些高壓開(kāi)關(guān)。當(dāng)發(fā)送器包括一個(gè)IC時(shí)，這種要求轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏壕w管，并對(duì)其優(yōu)化以承受大電場(chǎng)。同樣，它們?cè)诘蛪?10V)下表現(xiàn)不佳，而這種低壓一般用于CW運(yùn)行。設(shè)計(jì)一個(gè)發(fā)送器來(lái)滿足電壓范圍極遠(yuǎn)端的產(chǎn)品規(guī)范仍然，存在一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

輸出電壓的寬范圍并非是制造超聲波發(fā)送器器件方面的唯一難題，還有更多的挑戰(zhàn)。