中心議題：

• 超聲波係統概述
• 超聲波係統發送路徑挑戰電壓範圍和工作頻率

解決方案：

• 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於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(ying)像(xiang)采(cai)集(ji)和(he)建(jian)模(mo)等(deng)領(ling)域(yu)。由(you)於(yu)具(ju)有(you)完(wan)全(quan)無(wu)創(chuang)傷(shang)性(xing)
，超(chao)聲(sheng)波(bo)在(zai)各(ge)種(zhong)成(cheng)像(xiang)模(mo)式(shi)中(zhong)占(zhan)有(you)特(te)別(bie)的(de)位(wei)置(zhi)，其(qi)為(wei)內(nei)髒(zang)器(qi)官(guan)研(yan)究(jiu)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)可(ke)靠(kao)的(de)方(fang)法(fa)。超(chao)聲(sheng)波(bo)技(ji)術(shu)用(yong)於(yu)醫(yi)療(liao)目(mu)的(de)已(yi)有(you)半(ban)個(ge)多(duo)世(shi)紀(ji)。然(ran)而(er)，這(zhe)種(zhong)必(bi)需(xu)的(de)設(she)備(bei)體(ti)積(ji)龐(pang)大(da)且(qie)價(jia)格(ge)昂(ang)貴(gui)
，直(zhi)到(dao)最(zui)近(jin)才(cai)專(zhuan)門(men)使(shi)用(yong)一(yi)些(xie)分(fen)立(li)器(qi)件(jian)來(lai)製(zhi)造(zao)。

由於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來製造超聲波收發器。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的製造。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。

超聲波係統概述：發送和接收功能

jianeryanzhi

，chaoshengboxitongdegongzuoyuanlishichanshengyongyuhuanzheshenshangdeshengbo，ranhoujieshoubingchulifanshexinhaolaixingchenghuanzheshentideyingxiang。fasongzhishentineideyuanshishengboyouyigebiansongqichansheng，qiyibanyoufasongqichanshengdedianmaichongjifa。leisidi，fansheshengboyoubiansongqijieshou
，ranhouzhuanhuanhuidianxingshi，zuihouduidedaodexinhaojinxingchuli，yiquedingxiangguanshentibuweideneibujiegou。

圖1xianshileyigewanzhengyiliaochaoshengboxitongdedianxinggouzao。fasonglujingdeshixiankeyiyoujizhongbutongdefangfa。gailujingkenengyouyigeboshuxingchengqiyijixuduodianpingzhuanhuanqi
、柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)和(he)高(gao)壓(ya)開(kai)關(guan)組(zu)成(cheng)，其(qi)輸(shu)出(chu)被(bei)發(fa)送(song)給(gei)超(chao)聲(sheng)波(bo)變(bian)送(song)器(qi)。一(yi)般(ban)而(er)言(yan)
，變(bian)送(song)器(qi)由(you)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)製(zhi)造(zao)，其(qi)將(jiang)高(gao)壓(ya)電(dian)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)聲(sheng)波(bo)

，即(ji)係(xi)統(tong)的(de)最(zui)終(zhong)輸(shu)出(chu)。


圖1完整醫療超聲波係統的典型構造圖

一(yi)些(xie)係(xi)統(tong)中(zhong)，在(zai)通(tong)過(guo)數(shu)字(zi)邏(luo)輯(ji)驅(qu)動(dong)輸(shu)出(chu)級(ji)的(de)發(fa)送(song)路(lu)徑(jing)中(zhong)
，從(cong)始(shi)至(zhi)終(zhong)都(dou)得(de)到(dao)保(bao)持(chi)信(xin)號(hao)的(de)數(shu)字(zi)屬(shu)性(xing)。然(ran)而(er)，您(nin)也(ye)可(ke)以(yi)以(yi)一(yi)種(zhong)模(mo)擬(ni)方(fang)式(shi)創(chuang)建(jian)並(bing)發(fa)送(song)信(xin)號(hao)到(dao)變(bian)送(song)器(qi)。其(qi)涉(she)及(ji)一(yi)個(ge)將(jiang)波(bo)束(shu)形(xing)成(cheng)器(qi)輸(shu)出(chu)轉(zhuan)換(huan)為(wei)模(mo)擬(ni)格(ge)式(shi)的(de)數(shu)模(mo)轉(zhuan)換(huan)器(qi)(DAC)。然後，在將其發送到變送器以前，模擬放大被用於產生的信號。

超(chao)聲(sheng)波(bo)係(xi)統(tong)的(de)接(jie)收(shou)路(lu)徑(jing)方(fang)麵(mian)，使(shi)用(yong)了(le)一(yi)種(zhong)模(mo)擬(ni)方(fang)法(fa)。因(yin)為(wei)接(jie)收(shou)信(xin)號(hao)的(de)振(zhen)幅(fu)遠(yuan)低(di)於(yu)發(fa)送(song)信(xin)號(hao)
，因(yin)此(ci)前(qian)端(duan)包(bao)括(kuo)一(yi)個(ge)低(di)噪(zao)聲(sheng)放(fang)大(da)器(qi)，其(qi)後(hou)為(wei)某(mou)種(zhong)增(zeng)益(yi)控(kong)製(zhi)模(mo)塊(kuai)。濾(lv)出(chu)非(fei)相(xiang)關(guan)高(gao)頻(pin)部(bu)分(fen)以(yi)後(hou)，得(de)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)(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(chao)聲(sheng)波(bo)收(shou)發(fa)器(qi)係(xi)統(tong)的(de)其(qi)他(ta)重(zhong)要(yao)部(bu)分(fen)包(bao)括(kuo)一(yi)個(ge)對(dui)多(duo)個(ge)通(tong)道(dao)活(huo)動(dong)進(jin)行(xing)交(jiao)互(hu)的(de)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)器(qi)，以(yi)及(ji)一(yi)個(ge)控(kong)製(zhi)變(bian)送(song)器(qi)和(he)收(shou)發(fa)器(qi)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)之(zhi)間(jian)信(xin)號(hao)流(liu)量(liang)的(de)收(shou)/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。

超聲波係統要求：發送路徑挑戰電壓範圍和工作頻率

到目前為止所描述的超聲波係統可以產生各種信號圖像來滿足不同成像模式的要求。在極端範圍下
，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基頻範圍時
，相應占空比條件下，要求超聲波係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，並對其優化以承受大電場。同樣
，它們在低壓(<10V)下表現不佳，而這種低壓一般用於CW運行。設計一個發送器來滿足電壓範圍極遠端的產品規範仍然，存在一個嚴峻的挑戰。

輸出電壓的寬範圍並非是製造超聲波發送器器件方麵的唯一難題，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範圍，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典型並行負載，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並行負載的相應瞬時電流

諧波失真

超chao聲sheng波bo發fa送song器qi的de理li想xiang輸shu出chu是shi一yi種zhong正zheng弦xian信xin號hao，其qi滿man足zu了le最zui高gao電dian壓ya振zhen幅fu和he工gong作zuo頻pin率lv要yao求qiu。您nin可ke以yi生sheng成cheng一yi個ge矩ju形xing脈mai衝chong，而er非fei創chuang建jian這zhe種zhong難nan以yi生sheng成cheng的de模mo擬ni信xin號hao。受shou限xian於yu變bian送song器qi的de低di通tong濾lv波bo特te性xing以yi後hou
，這zhe種zhong脈mai衝chong被bei降jiang低di至zhi僅jin其qi諧xie波bo的de前qian幾ji個ge。其qi餘yu偶ou次ci諧xie波bo中zhong，第di二er個ge諧xie波bo一yi般ban為wei罪zui魁kui禍huo首shou。因yin此ci
，第di二er諧xie波bo的de抑yi製zhi量liang成cheng為wei超chao聲sheng波bo發fa送song器qi的de主zhu要yao品pin質zhi因yin數shu。

脈衝對稱性和歸零

womenkeyizhiguandilijiechaoshengbofasongqishuchudeduichengxingyaoqiu。raner
，zhelixuyaoshenrulijiedeshishuchuxinhaobubiweiyigechangmaichongqun。takenengbaokuoyigedanzhengjihefujimaichongdui，maichongduideqianhoujunwei0V。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），並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
，由正脈衝歸至0V與由負脈衝歸至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(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)下(xia)輸(shu)出(chu)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)電(dian)阻(zu)對(dui)超(chao)聲(sheng)波(bo)發(fa)送(song)器(qi)的(de)運(yun)行(xing)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。首(shou)先(xian)
，導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)與(yu)負(fu)載(zai)一(yi)起(qi)決(jue)定(ding)了(le)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)升(sheng)降(jiang)時(shi)間(jian)，其(qi)設(she)定(ding)可(ke)達(da)到(dao)的(de)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)。其(qi)次(ci)，它(ta)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)功(gong)耗(hao)。根(gen)據(ju)前(qian)麵(mian)提(ti)到(dao)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)範(fan)圍(wei)，在(zai)超(chao)聲(sheng)波(bo)發(fa)送(song)事(shi)件(jian)期(qi)間(jian)，會(hui)出(chu)現(xian)大(da)量(liang)的(de)功(gong)耗(hao)。這(zhe)種(zhong)功(gong)耗(hao)的(de)程(cheng)度(du)取(qu)決(jue)於(yu)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。

超聲波發送器係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(guo)去(qu)幾(ji)十(shi)年(nian)，半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)一(yi)直(zhi)都(dou)是(shi)通(tong)信(xin)和(he)計(ji)算(suan)機(ji)行(xing)業(ye)進(jin)步(bu)的(de)基(ji)礎(chu)。現(xian)在(zai)
，它(ta)們(men)即(ji)將(jiang)給(gei)醫(yi)療(liao)技(ji)術(shu)帶(dai)來(lai)類(lei)似(si)的(de)突(tu)破(po)，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)成(cheng)像(xiang)應(ying)用(yong)中(zhong)。超(chao)聲(sheng)波(bo)也(ye)不(bu)例(li)外(wai)
，它(ta)見(jian)證(zheng)了(le)從(cong)習(xi)慣(guan)使(shi)用(yong)的(de)分(fen)立(li)係(xi)統(tong)轉(zhuan)至(zhi)完(wan)全(quan)集(ji)成(cheng)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)芯(xin)片(pian)型(xing)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)這(zhe)樣(yang)一(yi)場(chang)正(zheng)在(zai)進(jin)行(xing)的(de)運(yun)動(dong)。由(you)於(yu)其(qi)固(gu)有(you)的(de)高(gao)速(su)
、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
，以及低於40dBc的第二諧波失真。通過有源阻尼架構，可以實現脈衝對稱性和快速歸零。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。該集成超聲波脈衝發生器與AFE5851（一款16通道模擬前端芯片）和TX810（一款8通道收/發開關）均為超聲波係統IC解決方案的例子。

過guo去qu幾ji十shi年nian，醫yi學xue成cheng像xiang領ling域yu取qu得de了le許xu多duo重zhong大da進jin步bu。超chao聲sheng波bo技ji術shu在zai這zhe些xie進jin步bu中zhong扮ban演yan一yi種zhong特te別bie的de角jiao色se

，經jing證zheng明ming其qi為wei諸zhu多duo應ying用yong的de一yi種zhong通tong用yong診zhen斷duan工gong具ju。這zhe些xie應ying用yong範fan圍wei廣guang泛fan，從cong產chan科ke學xue到dao血xue管guan成cheng像xiang
，到dao一yi些xie程cheng序xu中zhong的de針zhen頭tou引yin導dao，甚shen至zhi包bao括kuo某mou些xie良liang性xing和he惡e性xing腫zhong瘤liu的de治zhi療liao。半ban導dao體tiIC技術正以一種越來越快的步伐支持這種發展。由於各種IC的出現
，實現了超聲波係統的所有主要功能，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。