適用于多種系統(tǒng)的超聲波成像模擬前端設(shè)計
超聲波成像是一種應(yīng)用廣泛的醫(yī)療成像方法。傳統(tǒng)超聲波成像系統(tǒng)使用2~15MHz的頻率,精度水平為毫米,已廣泛應(yīng)用于監(jiān)控胎兒,以及診斷內(nèi)臟疾病等。在過去的20多年里,傳統(tǒng)臺式超聲波系統(tǒng)主導(dǎo)了醫(yī)療超聲波應(yīng)用,這是由于超聲波系統(tǒng)的通道數(shù)量巨大和信號處理量大所致。人口老齡化、不斷攀升的保健費用和新興經(jīng)濟的需求,都使得對創(chuàng)新醫(yī)療解決方案的需求日益增長。
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小尺寸、低功耗且高性能的超聲波模擬前端(AFE)和DSP都是超聲波產(chǎn)品廠商所需要的。更重要的是,超聲波產(chǎn)品廠商想要一種能夠通用于各種系統(tǒng)的設(shè)計,從而可以最短化他們的開發(fā)周期并加速產(chǎn)品上市進程。
超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
超聲波系統(tǒng)因其功能和性能而各異。例如,一些高端系統(tǒng)通常具有3D、4D和諧波成像模式,而一些低端系統(tǒng)可能只有2D B模式成像和頻譜多普勒成像模式。功能差異化主要取決于數(shù)字后端。高端超聲波系統(tǒng)則要求更多、更快的高端DSP計算資源調(diào)用,從而達到近乎實時的信號處理。很明顯,在高端和便攜式系統(tǒng)之間共用信號處理單元十分困難。但是,在忽略不同性能要求的情況下,超聲波系統(tǒng)一般都具有類似的接收通道架構(gòu)。
如圖1所示,超聲波系統(tǒng)接收模擬前端由常用模塊組成,例如:低噪聲放大器(LNA)、時間增益控制(TGA)放大器、壓控放大器(VCA)、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。在任何情況下,AFE的性能都會極大地影響整個系統(tǒng)的性能。因此,只要在引腳對引腳兼容封裝中存在滿足不同性能要求的AFE產(chǎn)品,那么AFE設(shè)計就可以被標準化,并在各種系統(tǒng)中得到重用。這種標準化可在中低端系統(tǒng)中輕松地實現(xiàn),這類系統(tǒng)無須特別的模擬信號調(diào)節(jié)。
圖1 超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
然而,目前大多數(shù)的AFE產(chǎn)品都不能滿足超聲波產(chǎn)品廠商的這種需求。因此,必須選擇一些單獨的芯片來滿足袖珍型和臺式系統(tǒng)的各種性能要求。例如,臺式系統(tǒng)或許允許有較高的功耗,但必須要實現(xiàn)更低的噪聲,反之亦然,因此必須進行重新設(shè)計。
諸如TI AFE5805的一些新型AFE器件保持了相同的外引腳。其目標應(yīng)用為便攜式和臺式的各種超聲波系統(tǒng)。引腳對引腳兼容性將允許超聲波產(chǎn)品廠商能夠在極大節(jié)省成本和快速投放市場的情況下標準化AFE設(shè)計并設(shè)計出創(chuàng)新性產(chǎn)品。
模擬前端特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系
要時刻謹記設(shè)計超聲波系統(tǒng)是一件復(fù)雜的事情,而AFE的每一個特性都會影響整個系統(tǒng)的性能。為每一種系統(tǒng)類別平衡選擇各種參數(shù)的能力毫無疑問是一種藝術(shù)。
就便攜式超聲波系統(tǒng)而言,功耗是一個關(guān)鍵的考慮因素。低功耗意味著更低的電池電量可提供更長的運行時間。但是,其會影響其他參數(shù),例如,輸入信號范圍、輸入等效噪聲、諧波失真等,盡管這些性能降低通常對于便攜式(低端)系統(tǒng)而言是可以接受的。
除功耗以外,AFE噪聲是超聲波系統(tǒng)設(shè)計人員需要考慮的第二個因素。超聲波變送器的接收信號量級可能會在10μVPP~1VPP之間變化。能夠探測到的信號越小,系統(tǒng)的靈敏度也就越高。輸入等效電流和輸入等效電壓噪聲都會影響系統(tǒng)靈敏度。一般而言,0.7~1.5nV/rt(Hz)(RTI)的噪聲參數(shù)用于從高端到低端的系統(tǒng)。
一些具體系統(tǒng)應(yīng)用證實這些噪聲參數(shù)足以產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。雖然可以使用一款更低噪聲的放大器,但是其對最終超聲波圖像質(zhì)量并無顯著提高,因為需要考慮輸入等效電流噪聲和發(fā)射/接收(T/R)開關(guān)的噪聲。除輸入等效電壓噪聲以外,閃爍噪聲(即1/f噪聲)也是成像應(yīng)用中的一個重要因素。在存在混頻的連續(xù)波(CW)模式下,低頻噪聲頻譜移至載波頻率,從而降低了相關(guān)頻率的信噪比(SNR)。具有白噪聲性能的放大器優(yōu)于其寬泛的工作頻率。
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