- 超聲波系統概述
- 超聲波系統發送路徑挑戰電壓范圍和工作頻率
- 超聲波發送器的理想輸出是一種正弦信號
- 發送器必須產生高達8V/ns的轉換速率
- 輸出晶體管的電阻對超聲波發送器的運行至關重要
醫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。由于具有完全無創傷性，超聲波在各種成像模式中占有特別的位置，其為內臟器官研究提供了一種可靠的方法。超聲波技術用于醫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，這種趨勢正在發生變化。現在，可以完全使用半導體IC來制造超聲波收發器。更低電壓的IC技術現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實。同樣地，在更高電壓端，人們日益關注驅動超聲波變送器的發送器IC的制造。本文概述了超聲波發送器芯片設計的一些進展及其存在的諸多挑戰。
超聲波系統概述：發送和接收功能
簡而言之，超聲波系統的工作原理是產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。發送至身體內的原始聲波由一個變送器產生，其一般由發送器產生的電脈沖激發。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部結構。
圖1顯示了一個完整醫療超聲波系統的典型構造。發送路徑的實現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，即系統的最終輸出。
圖1完整醫療超聲波系統的典型構造圖
一些系統中，在通過數字邏輯驅動輸出級的發送路徑中，從始至終都得到保持信號的數字屬性。然而，您也可以以一種模擬方式創建并發送信號到變送器。其涉及一個將波束形成器輸出轉換為模擬格式的數模轉換器(DAC)。然后，在將其發送到變送器以前，模擬放大被用于產生的信號。
超聲波系統的接收路徑方面，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轉換器(ADC)轉換為數字形式，而該模數轉換器的輸出則由波束形成器來處理。
超聲波收發器系統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器電子元件之間信號流量的收/發開關。收/發開關的一個關鍵功能是在發送事件期間保護接收機，因為發送事件涉及過高的發送線路電壓，其遠高出接收機模塊的承受能力。
超聲波系統要求：發送路徑挑戰電壓范圍和工作頻率
到目前為止所描述的超聲波系統可以產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，要求超聲波系統的發送器電路產生±3V?±100V的輸出電壓。
很明顯，發送器輸出的±100V需要一些高壓開關。當發送器包括一個IC時，這種要求轉變為高壓晶體管，并對其優化以承受大電場。同樣，它們在低壓(<10V)下表現不佳，而這種低壓一般用于CW運行。設計一個發送器來滿足電壓范圍極遠端的產品規范仍然，存在一個嚴峻的挑戰。
輸出電壓的寬范圍并非是制造超聲波發送器器件方面的唯一難題，還有更多的挑戰。
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轉換速率
根據先前提及的電壓擺幅和工作頻率范圍，發送器可能必須產生高達8V/ns的轉換速率。結合代表變送器的100Ω和300pF典型并行負載，可知發送器在最為苛刻的情況下會提供接近3A的瞬態電流（見圖2）。
圖2±100V電源時典型的超聲波發送器輸出，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送器的主要品質因數。
脈沖對稱性和歸零
我們可以直觀地理解超聲波發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（見圖3），并對一些超聲波模式產生巨大的影響，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
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
導通狀態下輸出晶體管的電阻對超聲波發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。根據前面提到的電壓和電流范圍，在超聲波發送事件期間，會出現大量的功耗。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工作之間的相互作用。
超聲波發送器系統的其他重要性能參數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
過去幾十年，半導體技術一直都是通信和計算機行業進步的基礎。現在，它們即將給醫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勢，半導體IC可以幫助醫學成像廠商縮短其產品上市時間、實現終端設備的便攜性、提高產品可靠性和性能，同時保持成本的可控性。
現在，可以通過單片IC解決方案來實現收/發以及收/發開關功能。目前可用的一些IC發送器均能夠產生高達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送器。該集成超聲波脈沖發生器與AFE5851（一款16通道模擬前端芯片）和TX810（一款8通道收/發開關）均為超聲波系統IC解決方案的例子。
過去幾十年，醫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展。由于各種IC的出現，實現了超聲波系統的所有主要功能，從而讓廣大臨床醫生和其他用戶都能夠享受到便攜性、高圖像分辨率和高產品可靠性等重要技術進步。
