超聲波設(shè)備的發(fā)送器

圖2 ±100V電源時(shí)典型的超聲波發(fā)送器輸出，以及流入100Ω和300pF并行負(fù)載的相應(yīng)瞬時(shí)電流

諧波失真
超聲波發(fā)送器的理想輸出是一種正弦信號(hào)，其滿足了最高電壓振幅和工作頻率要求。您可以生成一個(gè)矩形脈沖，而非創(chuàng)建這種難以生成的模擬信號(hào)。受限于變送器的低通濾波特性以后，這種脈沖被降低至僅其諧波的前幾個(gè)。其余偶次諧波中，第二個(gè)諧波一般為罪魁禍?zhǔn)?。因此，第二諧波的抑制量成為超聲波發(fā)送器的主要品質(zhì)因數(shù)。

脈沖對(duì)稱性和歸零
我們可以直觀地理解超聲波發(fā)送器輸出的對(duì)稱性要求。然而，這里需要深入理解的是輸出信號(hào)不必為一個(gè)長脈沖群。它可能包括一個(gè)單正極和負(fù)極脈沖對(duì)，脈沖對(duì)的前后均為0V。同樣，信號(hào)歸至0V的質(zhì)量變得至關(guān)重要。有時(shí)，它被稱為“阻尼”函數(shù)（見圖3），并對(duì)一些超聲波模式產(chǎn)生巨大的影響，例如，人體非線性為主要信息源的諧波成像等。

圖3 快速歸零（阻尼）函數(shù)

因此，由正脈沖歸至0V與由負(fù)脈沖歸至0V的對(duì)稱性以及它們發(fā)生速度的快慢成為決定輸出信號(hào)線性質(zhì)量的因素。

導(dǎo)通電阻
導(dǎo)通狀態(tài)下輸出晶體管的電阻對(duì)超聲波發(fā)送器的運(yùn)行至關(guān)重要。首先，導(dǎo)通電阻與負(fù)載一起決定了輸出信號(hào)的升降時(shí)間，其設(shè)定可達(dá)到的輸出頻率。其次，它直接影響功耗。根據(jù)前面提到的電壓和電流范圍，在超聲波發(fā)送事件期間，會(huì)出現(xiàn)大量的功耗。這種功耗的程度取決于 B 模式顯示或諧波成像等情況的高壓和低占空比與CW多普勒型成像模式的低壓和持續(xù)工作之間的相互作用。

超聲波發(fā)送器系統(tǒng)的其他重要性能參數(shù)還包括輸出信號(hào)抖動(dòng)和相位噪聲，以及通道之間的延遲匹配。

半導(dǎo)體的出現(xiàn)
過去幾十年，半導(dǎo)體技術(shù)一直都是通信和計(jì)算機(jī)行業(yè)進(jìn)步的基礎(chǔ)。現(xiàn)在，它們即將給醫(yī)療技術(shù)帶來類似的突破，特別是在成像應(yīng)用中。超聲波也不例外，它見證了從習(xí)慣使用的分立系統(tǒng)轉(zhuǎn)至完全集成的半導(dǎo)體芯片型解決方案這樣一場(chǎng)正在進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。由于其固有的高速、低功耗和小體積等優(yōu)勢(shì)，半導(dǎo)體IC可以幫助醫(yī)學(xué)成像廠商縮短其產(chǎn)品上市時(shí)間、實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的便攜性、提高產(chǎn)品可靠性和性能，同時(shí)保持成本的可控性。

現(xiàn)在，可以通過單片IC解決方案來實(shí)現(xiàn)收/發(fā)以及收/發(fā)開關(guān)功能。目前可用的一些IC發(fā)送器均能夠產(chǎn)生高達(dá)8V/ns轉(zhuǎn)換速率的±100V輸出電壓，以及低于40dBc的第二諧波失真。通過有源阻尼架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)脈沖對(duì)稱性和快速歸零。例如，TI的TX734是一款±90V、±2A、3級(jí)、4通道、具有有源阻尼功能的集成發(fā)送器。該集成超聲波脈沖發(fā)生器與AFE5851（一款16通道模擬前端芯片）和TX810（一款8通道收/發(fā)開關(guān)）均為超聲波系統(tǒng)IC解決方案的例子。

結(jié)論
過去幾十年，醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域取得了許多重大進(jìn)步。超聲波技術(shù)在這些進(jìn)步中扮演一種特別的角色，經(jīng)證明其為諸多應(yīng)用的一種通用診斷工具。這些應(yīng)用范圍廣泛，從產(chǎn)科學(xué)到血管成像，到一些程序中的針頭引導(dǎo)，甚至包括某些良性和惡性腫瘤的治療。半導(dǎo)體IC技術(shù)正以一種越來越快的步伐支持這種發(fā)展。由于各種IC的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了超聲波系統(tǒng)的所有主要功能，從而讓廣大臨床醫(yī)生和其他用戶都能夠享受到便攜性、高圖像分辨率和高產(chǎn)品可靠性等重要技術(shù)進(jìn)步。