中心議題：

• 超聲波係統結構
• 模擬前端特性與係統性能
• 超聲波的模擬前端

解決方案：

• TI 的 AFE5805超聲波 AFE解決方案

引言

由於其安全性、低成本和實時性能
，超聲波成像堪稱是一種重要的醫療成像方法。傳統的超聲波成像係統使用 2～15MHz 的頻率

，精度可精確到毫米。它們被廣泛地運用於對胎兒進行監測，以及對諸如心髒
、肝髒、膽囊、脾髒
、胰髒、腎髒以及膀胱等人體內部器官的疾病進行診斷。

由於超聲波係統的大通道數量和大信號處理要求
，傳統的控製台型超聲波係統在過去的 20 多年裏主導了 醫療超聲波應用。老年人口
、日益增長的醫療保健成本和新興經濟的需求導致了對創新型醫療解決方案需求的急劇增長。

具有更高性能以及更低價格的成熟的半導體技術（例如：數字信號處理器 （DSP））不(bu)但(dan)大(da)大(da)地(di)推(tui)動(dong)了(le)醫(yi)療(liao)成(cheng)像(xiang)設(she)備(bei)的(de)發(fa)展(zhan)，而(er)且(qie)還(hai)促(cu)進(jin)了(le)醫(yi)療(liao)超(chao)聲(sheng)波(bo)成(cheng)像(xiang)係(xi)統(tong)的(de)小(xiao)型(xing)化(hua)。另(ling)外(wai)，縮(suo)小(xiao)係(xi)統(tong)尺(chi)寸(cun)並(bing)不(bu)意(yi)味(wei)著(zhe)性(xing)能(neng)的(de)降(jiang)低(di)。小(xiao)型(xing)化(hua)的(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)係(xi)統(tong)（即便攜式超聲波係統）可以實現和傳統控製台型超聲波係統一樣的性能。目前的便攜式超聲波係統可提供較好的成像質量，以幫助醫生們進行準確


、及時的診斷。

因yin此ci

，便bian攜xie式shi係xi統tong在zai諸zhu如ru及ji時shi創chuang傷shang診zhen斷duan和he急ji診zhen及ji治zhi療liao等deng應ying用yong中zhong發fa揮hui著zhe越yue來lai越yue重zhong要yao的de作zuo用yong。由you於yu越yue來lai越yue多duo的de超chao聲sheng波bo設she備bei廠chang商shang致zhi力li於yu開kai發fa便bian攜xie式shi超chao聲sheng波bo係xi統tong，因yin而er隻zhi有you那na些xie能neng夠gou更geng為wei迅xun速su地di推tui出chu產chan品pin的de廠chang商shang才cai能neng獲huo得de更geng多duo的de市shi場chang份fen額e。超chao聲sheng波bo模mo擬ni前qian端duan （AFE） 和小尺寸
、高性能 DSP 都dou是shi超chao聲sheng波bo設she備bei廠chang商shang所suo需xu要yao的de。更geng為wei重zhong要yao是shi，超chao聲sheng波bo設she備bei廠chang商shang們men正zheng迫po切qie需xu要yao一yi種zhong可ke以yi和he各ge種zhong係xi統tong共gong享xiang的de設she計ji，以yi最zui短duan化hua它ta們men的de開kai發fa周zhou期qi時shi間jian並bing加jia速su產chan品pin上shang市shi進jin程cheng。

超聲波係統結構

超聲波係統因其功能和性能不同而各異。例如，3D、4D 和諧波成像模式通常被用於高端係統，而隻有 2D B-模mo式shi成cheng像xiang和he頻pin譜pu多duo普pu勒le可ke能neng被bei用yong於yu一yi些xie低di端duan係xi統tong。功gong能neng差cha異yi主zhu要yao取qu決jue於yu數shu字zi後hou端duan。高gao端duan超chao聲sheng波bo係xi統tong要yao求qiu更geng多duo和he更geng快kuai的de計ji算suan能neng力li，其qi需xu要yao具ju有you接jie近jin實shi時shi信xin號hao處chu理li的de高gao端duan DSP。

henmingxian
，zaigaoduanbianxieshixitongzhijianshixiangongxiangxinhaochulidanyuanshifeichangkunnande。danshi，zaibukaolvbutongxingnengyaoqiudeqingkuangxia
，chaoshengboxitongtongchangyongyouxiangsidejieshoutongdaojiagou。

如圖 1 所示，超聲波係統的接收模擬前端由一些通用模塊組成，如：低噪聲放大器 （LNA）、時間增益控製 （TGC） 放大器、電壓控製放大器 （VCA）


、可編程增益放大器 （PGA）、低通濾波器以及模數 轉換器 （ADC）。
 

圖 1 超聲波係統結構圖

無論是哪種情況，AFE 的性能都會極大地影響整個係統的性能。因此，隻要有能夠在一個引腳對引腳兼容的封裝中滿足不同性能要求的 AFE 產品

，那麼 AFE 設計就可以被標準化 bingzaigezhongxitongzhongdedaozhongfushiyong。zhezhongbiaozhunhuakeyizaizhongdiduanxitonghenrongyididedaoshixian，zhexiexitongzhongbuxuyaotebiedemonixinhaotiaojie。danshi，muqiandaduoshude AFE 產品都無法滿足超聲波廠商的這種需求。

因yin此ci，我wo們men必bi須xu選xuan擇ze一yi些xie單dan獨du的de芯xin片pian來lai滿man足zu袖xiu珍zhen式shi和he控kong製zhi台tai式shi係xi統tong的de不bu同tong性xing能neng要yao求qiu。例li如ru
，雖sui然ran可ke以yi容rong忍ren控kong製zhi台tai式shi係xi統tong的de高gao功gong耗hao，但dan是shi必bi須xu要yao實shi現xian更geng低di的de噪zao聲sheng，反fan之zhi亦yi然ran，從cong而er必bi須xu進jin行xing重zhong新xin設she計ji。現xian在zai，市shi場chang上shang出chu現xian了le一yi些xie新xin型xing的de AFE 器件，例如：TI 推出的 AFE5805，其允許超聲波廠商標準 AFE 設she計ji。這zhe些xie具ju有you相xiang同tong外wai引yin腳jiao的de器qi件jian主zhu要yao用yong於yu從cong便bian攜xie式shi到dao控kong製zhi台tai式shi的de各ge種zhong超chao聲sheng波bo係xi統tong。引yin腳jiao對dui引yin腳jiao兼jian容rong意yi味wei著zhe，超chao聲sheng波bo設she備bei廠chang商shang不bu但dan可ke以yi設she計ji出chu創chuang新xin的de產chan品pin，同tong時shi能neng夠gou極ji大da地di節jie約yue成cheng本ben並bing加jia速su產chan品pin上shang市shi進jin程cheng。
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模擬前端特性與係統性能

設計超聲波係統是一項複雜的工作
，且 AFE 的de每mei一yi種zhong特te性xing都dou能neng影ying響xiang到dao整zheng個ge係xi統tong的de性xing能neng。針zhen對dui每mei一yi種zhong係xi統tong類lei別bie平ping衡heng各ge種zhong參can數shu的de能neng力li無wu疑yi是shi一yi種zhong藝yi術shu。就jiu便bian攜xie式shi超chao聲sheng波bo係xi統tong而er言yan
，功gong耗hao是shi一yi個ge至zhi關guan重zhong要yao的de考kao慮lv因yin素su。低di功gong耗hao就jiu是shi說shuo利li用yong有you限xian的de電dian池chi電dian源yuan可ke獲huo得de更geng長chang的de工gong作zuo時shi間jian。雖sui然ran這zhe些xie性xing能neng的de降jiang低di通tong常chang是shi在zai便bian攜xie式shi（低端）係統可接受的範圍內，但是其會影響到其他參數，如：輸入信號範圍、輸入等效噪聲、諧波失真等。

除了功耗以外，AFE 噪聲是超聲波係統設計人員需要考慮的第二個問題。來自超聲波變送器接收信號的振幅可能會為介於 10uVPP 到 1VPP [1] 不(bu)等(deng)。能(neng)夠(gou)被(bei)探(tan)測(ce)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)越(yue)小(xiao)
，係(xi)統(tong)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)就(jiu)越(yue)高(gao)。輸(shu)入(ru)等(deng)效(xiao)電(dian)流(liu)和(he)輸(shu)入(ru)等(deng)效(xiao)電(dian)壓(ya)噪(zao)聲(sheng)都(dou)會(hui)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)靈(ling)敏(min)度(du)。通(tong)常(chang)，我(wo)們(men)為(wei)高(gao)端(duan)到(dao)低(di)端(duan)的(de)係(xi)統(tong)選(xuan)擇(ze) 0.7 nV/rt（Hz）~1.5 nV/rt（Hz） （RTI）的噪聲參數。經在現實係統中證實，這些噪聲參數足以產生高質量的圖像。

鑒於輸入等效電流噪聲以及來自發送/接收 （T/R） 開(kai)關(guan)的(de)噪(zao)聲(sheng)
，我(wo)們(men)甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)更(geng)低(di)噪(zao)聲(sheng)的(de)放(fang)大(da)器(qi)，但(dan)是(shi)我(wo)們(men)不(bu)會(hui)看(kan)到(dao)最(zui)終(zhong)超(chao)聲(sheng)波(bo)圖(tu)像(xiang)的(de)質(zhi)量(liang)有(you)較(jiao)大(da)提(ti)高(gao)。除(chu)了(le)輸(shu)入(ru)等(deng)效(xiao)電(dian)壓(ya)噪(zao)聲(sheng)以(yi)外(wai)，閃(shan)爍(shuo)噪(zao)聲(sheng)（即 1/f 噪聲）也是成像應用中一個非常重要的考慮因素。在存在混頻的連續波 （CW） 模式中
，低頻噪聲頻譜移至載波頻率，從而降低了相關頻率時的信噪比 （SNR）。由於其寬泛的 工作頻率，我們將首選具有白噪聲性能的放大器。

在一些超聲波應用中
，增益控製範圍在獲得圖像的動態範圍中發揮了重要的作用。當 VCA 擁有一個更高的增益控製範圍時，最終圖像就擁有一個更寬的動態範圍，從而實現更佳的圖像質量。 結合 ADC 的 SNR，該係統的動態範圍可以由下式計算得出：

動態範圍=SNR+增益控製範圍 （公式 1）

例如，一個包含了 12-位、70dB SNR 和 40dB 增益控製範圍 VCA 的係統可以獲得 110dB 的動態範圍。換句話就是說
，鑒於人體中 0.7dB/cmMHz 的衰減係數、10cm 的成像深度以及 7.5MHz 的傳 感器，所以 105dB 的動態範圍的計算公式為 10*2*0.7*7.5。在現有超聲波係統中，10~15MHz 的探針常常被用於對身體的較小部位進行成像。因此
，我們通常會需要 100dB 以上的動態範圍。

從係統設計的角度來看，一個具有較大增益控製範圍的 AFE 是首選的解決方案。另外，一個具有更高總體增益的 AFE 是探測小信號和對由其他電路引起的插入損耗（例如：無源高階濾波器的插入損耗） jinxingbuchangdeyizhongfujiaxuyao。fangdaqibaoheyuguozaihuifuyeshizhongyaodexitongcanshu。duizheliangzhongcanshuyiqipingguhecedingyaobidangejinxinggengyoujiazhi。jibenshanglaishuo

，yigefangdaqidelixiangshuruxinhaofanweishouqixianxingshuchudianya（即電源電壓）及增益的限製：

因yin此ci，較jiao低di的de增zeng益yi和he較jiao高gao的de電dian源yuan電dian壓ya對dui該gai參can數shu非fei常chang有you益yi。但dan是shi

，較jiao低di的de增zeng益yi會hui降jiang低di輸shu入ru等deng效xiao電dian壓ya噪zao聲sheng，同tong時shi較jiao高gao的de電dian源yuan電dian壓ya會hui增zeng加jia總zong功gong耗hao
，因yin此ci必bi須xu采cai取qu一yi種zhong折zhe中zhong的de方fang法fa。我wo們men常chang常chang為wei一yi些xie便bian攜xie式shi和he中zhong端duan係xi統tong選xuan擇ze 200～400mVPP decanshu。chaoshengbofangdaqibaohetongchangshiyougaoyamaichongxielouhuoshengzukangbianhuajidadejinbiaomianwutifanshedaxinhaoyinqide。jutidelizibaokuocunzaijiaoshaolinchuangxinxidebiaomianzuzhihuozheguge。

在大多數情況下，這些區域的信息丟失可能不會影響到臨床診斷。但是，如果放大器不能及時地恢複
，那麼重要的信息便會丟失。AFE 的快速過載恢複確保了超聲波係統能夠盡可能多地捕獲 有價值的信息。可以用 ADC 的時鍾周期數來確定 AFE 的過載恢複時間
，一個時鍾周期負載恢複時間為理想的時間。

放大器飽和的另一個影響是會引起諧波失真的增加。由於普通造影劑的使用，越來越多的係統（甚至是便攜式係統）在整個係統中都要求較低的二次諧波失真
，以確保成功的諧波成像。通常，根據造影劑的聲屬性、發送器電壓以及組織特點的不同組合
，變送器接收到的諧波信號可高達 40dB，比基礎信號要低。因此，放大器的 HD2 應該低於 40dBc。這就使得係統能夠獲得滿意的諧波圖 像。

另外
，由於高 HD2，kenenghuichuxianrenweiduopuleyidongpinlv。zaiyixielinchuangzhong，zhezhongrenweixianxianghuiyingxiangzhunquedezhenduan。zaizuizhongdeduopuletuxiangzhong
，renweiduopuleyidongpinlvyouzhuyuxitongdedingxiangfenli。yixiewenxian [請參 見參考書目 2 和 3] 表明
，對 CW 和 PW 多普勒係統而言，45~50dB 的定向分離已經足夠了。考慮到上述因素
，當 HD2 低於 40dBc 時，我們應該規定 AFE 的線性輸入範圍。

影響圖像精確度的幹擾是超聲波係統的另外一個需要考慮的參數。根據變送器件間距
、頻率、設計、材料等的不同
，超聲波係統的主要是由以 –30 ~–35dBc 順序排列的陣列變送器引起的。一般 而言，IC 和 PCB 的幹擾大大低於 –35dBc。因此，電路的幹擾並不會降低係統的性能。

超聲波的模擬前端

為了滿足上述標準，我們需要一個超聲波 AFE（例如 TI 的 AFE5805）。最為先進的 BiCMOS 和 CMOS 技術用於對功耗和噪聲性能進行優化。由於其低功耗、小芯片尺寸以及較低的閃爍噪聲， BiCMOS 工藝是 AFE5805 VCA 部分的理想之選。CMOS 工藝非常適用於模數轉換器。與同類解決方案相比，這些綜合的創新使尺寸縮小了 50%，功耗降低了 20%，噪聲減少了 40%。

圖 2 所示的恒定噪聲性能涵蓋了整個工作頻率範圍。因此，我們設計的便攜式超聲波係統
，可以實現卓越的圖像質量以及最低的功耗。
 

圖 2 卓越的噪聲性能

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小結

未來幾年

，全球各地區對於便攜式、低(di)成(cheng)本(ben)超(chao)聲(sheng)波(bo)設(she)備(bei)的(de)需(xu)求(qiu)有(you)望(wang)快(kuai)速(su)增(zeng)長(chang)。對(dui)於(yu)那(na)些(xie)超(chao)聲(sheng)波(bo)設(she)備(bei)廠(chang)商(shang)來(lai)說(shuo)，機(ji)遇(yu)和(he)挑(tiao)戰(zhan)並(bing)存(cun)。新(xin)型(xing)超(chao)聲(sheng)波(bo)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)的(de)先(xian)進(jin)技(ji)術(shu)

，允(yun)許(xu)超(chao)聲(sheng)波(bo)設(she)備(bei)廠(chang)商(shang)對(dui)性(xing)能(neng)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)，以(yi)適(shi)用(yong)於(yu)各(ge)種(zhong)係(xi)統(tong)尺(chi)寸(cun)。

基於單個設計，廠商便可發布多款產品，極大地節省了便攜式設備和高通道密度中端超聲波係統的開發成本和時間。