超聲波發(fā)送器芯片設計方案

醫(yī)學成像領域正極大地受益于應用物理和電子學的研究和發(fā)展，特別是在諸如儀表設備、影像采集和建模等領域。由于具有完全無創(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。超聲波技術用于醫(yī)療目的已有半個多世紀。然而，這種必需的設備體積龐大且價格昂貴，直到最近才專門使用一些分立器件來制造。

由于半導體工藝技術的進步，這種趨勢正在發(fā)生變化。現(xiàn)在，可以完全使用半導體IC來制造超聲波收發(fā)器。更低電壓的IC技術現(xiàn)在讓具有顯著高增益和低噪聲性能的超聲波接收機芯片成為現(xiàn)實。同樣地，在更高電壓端，人們?nèi)找骊P注驅動超聲波變送器的發(fā)送器IC的制造。本文概述了超聲波發(fā)送器芯片設計的一些進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來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，然后轉換回電形式，最后對得到的信號進行處理，以確定相關身體部位的內(nèi)部結構。

圖1顯示了一個完整醫(yī)療超聲波系統(tǒng)的典型構造。發(fā)送路徑的實現(xiàn)可以有幾種不同的方法。該路徑可能由一個波束形成器以及許多電平轉換器、柵極驅動器和高壓開關組成，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，其將高壓電信號轉換為聲波，即系統(tǒng)的最終輸出。

圖1完整醫(yī)療超聲波系統(tǒng)的典型構造圖

一些系統(tǒng)中，在通過數(shù)字邏輯驅動輸出級的發(fā)送路徑中，從始至終都得到保持信號的數(shù)字屬性。然而，您也可以以一種模擬方式創(chuàng)建并發(fā)送信號到變送器。其涉及一個將波束形成器輸出轉換為模擬格式的數(shù)模轉換器（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。

超聲波系統(tǒng)的接收路徑方面，使用了一種模擬方法。因為接收信號的振幅遠低于發(fā)送信號，因此前端包括一個低噪聲放大器，其后為某種增益控制模塊。濾出非相關高頻部分以后，得到的信號通過一個模數(shù)轉換器（ADC）轉換為數(shù)字形式，而該模數(shù)轉換器的輸出則由波束形成器來處理。

超聲波收發(fā)器系統(tǒng)的其他重要部分包括一個對多個通道活動進行交互的多路復用器，以及一個控制變送器和收發(fā)器電子元件之間信號流量的收/發(fā)開關。收/發(fā)開關的一個關鍵功能是在發(fā)送事件期間保護接收機，因為發(fā)送事件涉及過高的發(fā)送線路電壓，其遠高出接收機模塊的承受能力。

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)生各種信號圖像來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用要求的高壓（60～100V）、低占空比（0.5～2.0%）信號。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。

這就是說，在1～20MHz基頻范圍時，相應占空比條件下，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需要一些高壓開關。當發(fā)送器包括一個IC時，這種要求轉變?yōu)楦邏壕w管，并對其優(yōu)化以承受大電場。同樣，它們在低壓（＜10V）下表現(xiàn)不佳，而這種低壓一般用于CW運行。設計一個發(fā)送器來滿足電壓范圍極遠端的產(chǎn)品規(guī)范仍然，存在一個嚴峻的挑戰(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)。

轉換速率

根據(jù)先前提及的電壓擺幅和工作頻率范圍，發(fā)送器可能必須產(chǎn)生高達8V/ns的轉換速率。結合代表變送器的100Ω和300pF典型并行負載，可知發(fā)送器在最為苛刻的情況下會提供接近3A的瞬態(tài)電流（見圖2）。

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

諧波失真

超聲波發(fā)送器的理想輸出是一種正弦信號，其滿足了最高電壓振幅和工作頻率要求。您可以生成一個矩形脈沖，而非創(chuàng)建這種難以生成的模擬信號。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。其余偶次諧波中，第二個諧波一般為罪魁禍首。因此，第二諧波的抑制量成為超聲波發(fā)送器的主要品質因數(shù)。

脈沖對稱性和歸零

我們可以直觀地理解超聲波發(fā)送器輸出的對稱性要求。然而，這里需要深入理解的是輸出信號不必為一個長脈沖群。它可能包括一個單正極和負極脈沖對，脈沖對的前后均為0V。同樣，信號歸至0V的質量變得至關重要。有時，它被稱為“阻尼”函數(shù)（見圖3），并對一些超聲波模式產(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與由負脈沖歸至0V的對稱性以及它們發(fā)生速度的快慢成為決定輸出信號線性質量的因素。

導通電阻

導通狀態(tài)下輸出晶體管的電阻對超聲波發(fā)送器的運行至關重要。首先，導通電阻與負載一起決定了輸出信號的升降時間，其設定可達到的輸出頻率。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)還包括輸出信號抖動和相位噪聲，以及通道之間的延遲匹配。

半導體的出現(xiàn)

過去幾十年，半導體技術一直都是通信和計算機行業(yè)進步的基礎。現(xiàn)在，它們即將給醫(yī)療技術帶來類似的突破，特別是在成像應用中。超聲波也不例外，它見證了從習慣使用的分立系統(tǒng)轉至完全集成的半導體芯片型解決方案這樣一場正在進行的運動。由于其固有的高速、低功耗和小體積等優(yōu)勢，半導體IC可以幫助醫(yī)學成像廠商縮短其產(chǎn)品上市時間、實現(xiàn)終端設備的便攜性、提高產(chǎn)品可靠性和性能，同時保持成本的可控性。

現(xiàn)在，可以通過單片IC解決方案來實現(xiàn)收/發(fā)以及收/發(fā)開關功能。目前可用的一些IC發(fā)送器均能夠產(chǎn)生高達8V/ns轉換速率的±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，可以實現(xiàn)脈沖對稱性和快速歸零。例如，TI的TX734是一款±90V、±2A、3級、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）均為超聲波系統(tǒng)IC解決方案的例子。

結論

過去幾十年，醫(yī)學成像領域取得了許多重大進步。超聲波技術在這些進步中扮演一種特別的角色，經(jīng)證明其為諸多應用的一種通用診斷工具。這些應用范圍廣泛，從產(chǎn)科學到血管成像，到一些程序中的針頭引導，甚至包括某些良性和惡性腫瘤的治療。半導體IC技術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進步。