【導讀】噪聲是醫療和其他超聲係統性能的限製因素。當然，“噪聲”這zhe個ge簡jian單dan的de術shu語yu代dai表biao了le許xu多duo不bu同tong的de噪zao聲sheng，其qi中zhong一yi些xie是shi在zai醫yi療liao和he病bing人ren情qing形xing下xia的de固gu有you噪zao聲sheng
，而er另ling一yi些xie則ze是shi指zhi電dian子zi噪zao聲sheng。由you病bing人ren導dao致zhi的de主zhu要yao噪zao聲sheng稱cheng為wei“斑點噪聲”
，很大程度上是由於病人的組織和器官的非均勻性（非均質性）造成的。電路設計者對於病人自身引起的噪聲幾乎無能為力
，但對於減少由於電子器件形成或導致的各種噪聲源、噪聲類型來說
，還是大有作為的。

噪聲是醫療和其他超聲係統性能的限製因素。當然，“噪聲”這zhe個ge簡jian單dan的de術shu語yu代dai表biao了le許xu多duo不bu同tong的de噪zao聲sheng，其qi中zhong一yi些xie是shi在zai醫yi療liao和he病bing人ren情qing形xing下xia的de固gu有you噪zao聲sheng，而er另ling一yi些xie則ze是shi指zhi電dian子zi噪zao聲sheng。由you病bing人ren導dao致zhi的de主zhu要yao噪zao聲sheng稱cheng為wei“斑點噪聲”，很大程度上是由於病人的組織和器官的非均勻性（非均質性）造成的。電路設計者對於病人自身引起的噪聲幾乎無能為力，但對於減少由於電子器件形成或導致的各種噪聲源
、噪聲類型來說

，還是大有作為的。

在這些潛在的噪聲源中，就包括了 DC/DC 穩壓器。為了將噪聲降至最低
，設計者可以使用效率不斷提高的小型靜音低壓差 (LDO) 穩壓器。即使是這種 LDO
，也存在能耗浪費，造成發熱問題。LDO 的有效替代品是開關穩壓器，但開關穩壓器因其開關性質而具有高噪聲。如果設計者要充分利用這些設備

，就需要減少噪聲。

最zui近jin在zai電dian源yuan轉zhuan換huan拓tuo撲pu結jie構gou設she計ji方fang麵mian的de創chuang新xin能neng夠gou減jian少shao這zhe種zhong噪zao聲sheng，使shi得de在zai噪zao聲sheng和he效xiao率lv之zhi間jian進jin行xing權quan衡heng時shi發fa生sheng了le變bian化hua。例li如ru，大da功gong率lv單dan片pian開kai關guan穩wen壓ya器qi可ke以yi有you效xiao地di為wei數shu字zi IC 供電
，這種穩壓器具有低噪聲直流電源軌、高效率和最小空間要求。

本文簡要討論超聲方麵的挑戰。然後介紹 Analog Devices 的微型 Silent Switcher IC 係列，並重點以 LT8625S 為例
，說明這種創新型開關穩壓器如何滿足高性能超聲成像所需的個位數電壓、10 A 以下範圍內的多個負載目標要求。此外，還以其他靜音開關 IC 為例說明該係列的廣泛性。

超聲波有獨特的信號路徑問題

超聲波成像的工作原理很簡單，但開發高性能成像係統需要相當多的設計專業知識、許多特殊組件，以及對微妙細節的關注（圖 1）。

圖 1：超聲成像係統的高級框圖說明了基於簡單物理原理實現係統的複雜性。（圖片來源：Analog Devices）

成像係統使用壓電傳感器陣列，通過脈衝產生聲學波前。許多新係統有多達 256 個此類傳感器元件，而且每個元件都必須獨立控製。發射頻率從 2 MHz 到 20 MHz 不等。

通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)可(ke)變(bian)延(yan)遲(chi)來(lai)調(tiao)節(jie)陣(zhen)列(lie)中(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)相(xiang)對(dui)時(shi)間(jian)，可(ke)使(shi)發(fa)射(she)的(de)脈(mai)衝(chong)形(xing)成(cheng)波(bo)束(shu)並(bing)瞄(miao)準(zhun)特(te)定(ding)位(wei)置(zhi)。較(jiao)高(gao)的(de)頻(pin)率(lv)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)空(kong)間(jian)分(fen)辨(bian)率(lv)
，但(dan)穿(chuan)透(tou)能(neng)力(li)相(xiang)對(dui)較(jiao)弱(ruo)，導(dao)致(zhi)圖(tu)像(xiang)質(zhi)量(liang)下(xia)降(jiang)。作(zuo)為(wei)最(zui)優(you)折(zhe)中(zhong)方(fang)案(an)
，大(da)多(duo)數(shu)係(xi)統(tong)的(de)頻(pin)率(lv)是(shi) 5 MHz。

脈(mai)衝(chong)一(yi)經(jing)發(fa)射(she)
，係(xi)統(tong)就(jiu)會(hui)切(qie)換(huan)到(dao)接(jie)收(shou)模(mo)式(shi)並(bing)捕(bu)捉(zhuo)聲(sheng)波(bo)脈(mai)衝(chong)的(de)回(hui)聲(sheng)，隻(zhi)要(yao)聲(sheng)波(bo)能(neng)量(liang)遇(yu)到(dao)阻(zu)抗(kang)屏(ping)障(zhang)
，如(ru)不(bu)同(tong)組(zu)織(zhi)或(huo)器(qi)官(guan)之(zhi)間(jian)的(de)邊(bian)界(jie)，就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)回(hui)聲(sheng)。回(hui)波(bo)的(de)返(fan)回(hui)時(shi)間(jian)相(xiang)對(dui)於(yu)其(qi)發(fa)送(song)時(shi)間(jian)的(de)延(yan)遲(chi)提(ti)供(gong)了(le)成(cheng)像(xiang)信(xin)息(xi)。

由(you)於(yu)超(chao)聲(sheng)信(xin)號(hao)在(zai)兩(liang)次(ci)通(tong)過(guo)組(zu)織(zhi)時(shi)不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)地(di)發(fa)生(sheng)衰(shuai)減(jian)
，一(yi)次(ci)是(shi)前(qian)向(xiang)路(lu)徑(jing)
，一(yi)次(ci)是(shi)返(fan)回(hui)的(de)回(hui)波(bo)，因(yin)此(ci)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)水(shui)平(ping)跨(kua)越(yue)了(le)一(yi)個(ge)較(jiao)寬(kuan)的(de)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)。這(zhe)種(zhong)信(xin)號(hao)水(shui)平(ping)可(ke)以(yi)從(cong)高(gao)達(da) 1 伏，到低至數微伏，也就是大約 120 dB 的範圍。

請注意

，對於 10 MHz 的超聲信號和 5 cm 的穿透深度
，往返信號會衰減 100dB。因此，要在任何位置處理約 60 dB 的瞬時動態範圍，所需的動態範圍將是 160 dB（電壓動態範圍為 1 億比 1）。

增大發射傳感器的功率似乎是處理寬動態範圍、低電平信號和信噪比 (SNR) 不足的最簡單的解決方案。然而
，除了明顯的功率要求外，對於接觸病人皮膚的超聲探頭的溫度也有嚴格限製。按照 IEC 標準 60601-2-37（2007 年修訂版）的規定
，當傳感器向空氣中傳輸時，傳感器表麵的最高允許溫度為 50°C
；向合適的人體模型傳輸時，最高允許溫度為 43°C。

後一個限製值意味著皮膚（通常為 33℃）最多可以被加熱 10℃。因此，不僅必須限製聲功率
，而且還必須最大限度地減少相關電子設備（包括 DC/DC 穩壓器）的熱耗散。

為了保持相對穩定的信號水平並最大限度地提高 SNR，使用了一種特殊的自動增益控製 (AGC) 方式，稱為時間增益補償 (TGC)。TGC 放大器通過使用指數因子放大信號來補償指數信號衰減，該係數是由接收器等待返回脈衝的時間決定的。

請注意，如圖 2 所示，超聲成像模式有多種：

· 灰度 產生一個基本的黑白圖像。這種圖像可以解決小至 1 mm 的偽影。
· 多普勒模式 通(tong)過(guo)跟(gen)蹤(zong)返(fan)回(hui)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)率(lv)偏(pian)移(yi)並(bing)以(yi)假(jia)彩(cai)色(se)顯(xian)示(shi)來(lai)檢(jian)測(ce)運(yun)動(dong)物(wu)體(ti)的(de)速(su)度(du)。這(zhe)種(zhong)模(mo)式(shi)用(yong)於(yu)檢(jian)查(zha)血(xue)液(ye)或(huo)其(qi)他(ta)在(zai)體(ti)內(nei)流(liu)動(dong)的(de)液(ye)體(ti)。多(duo)普(pu)勒(le)模(mo)式(shi)需(xu)要(yao)向(xiang)人(ren)體(ti)發(fa)射(she)連(lian)續(xu)波(bo)，並(bing)產(chan)生(sheng)返(fan)回(hui)信(xin)號(hao)的(de)快(kuai)速(su)傅(fu)裏(li)葉(ye)變(bian)換(huan) (FFT)。

圖 2：顱外頸動脈在頸動脈分叉處的灰度 (A) 和彩色多普勒 (B) 的外觀。請注意，ECA 的分支（星號，每張圖像的左下方）在彩色多普勒成像中最容易看到。（CCA：頸總動脈；ICA：頸內動脈；ECA：頸外動脈）。（圖片來源：Radiologic Clinics of North America）

· 靜脈和動脈模式 使用多普勒與灰度模式相結合。這兩種模式用來詳細顯示動脈和靜脈血流。

簡化框圖遺漏了一些關鍵部件，而更詳細的圖則能顯示更多的功能（圖 3）。

圖 3：框圖越詳細使得現代超聲係統看起來約複雜，並能顯示出設計中嵌入的許多數字功能。（圖片來源：Analog Devices）

首先是電源功能。無論係統是通過交流線路還是電池供電，都需要通過多個 DC/DC 穩壓器來開發各種電源軌電壓。這些電壓範圍從某些功能的幾伏，到更高的壓電傳感器電壓。

此外，由於現代超聲係統除了發射和接收路徑的模擬前端外
，其餘部分基本上都是數字的


；現代超聲係統包括用於實現數字控製波束形成和其他功能所需的 FPGA。這些 FPGA 需要相對較大的電流，其範圍高達 10 A。

噪聲限製了性能

與yu大da多duo數shu數shu據ju采cai集ji係xi統tong一yi樣yang，噪zao聲sheng也ye是shi限xian製zhi醫yi用yong超chao聲sheng係xi統tong性xing能neng的de因yin素su之zhi一yi。除chu了le病bing人ren引yin起qi的de斑ban點dian噪zao聲sheng外wai，還hai有you各ge種zhong不bu同tong的de的de電dian子zi電dian路lu噪zao聲sheng、元器件噪聲：

· 高斯噪聲是統計學上的隨機“白”噪聲或者是有源和無源元器件產生的電子電路噪聲。其中，白噪聲主要由於熱波動造成。
· 散粒（泊鬆）噪聲是由於電荷的離散性造成的。
· 脈mai衝chong噪zao聲sheng有you時shi稱cheng為wei椒jiao鹽yan噪zao聲sheng
，有you時shi會hui在zai數shu字zi圖tu像xiang上shang看kan到dao。椒jiao鹽yan噪zao聲sheng可ke由you圖tu像xiang信xin號hao中zhong突tu然ran出chu現xian的de尖jian銳rui幹gan擾rao引yin起qi，被bei看kan做zuo是shi稀xi疏shu出chu現xian的de黑hei白bai像xiang素su，因yin此ci有you了le這zhe個ge俗su稱cheng。

這(zhe)些(xie)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)影(ying)響(xiang)圖(tu)像(xiang)的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)和(he)質(zhi)量(liang)。通(tong)過(guo)選(xuan)擇(ze)諸(zhu)如(ru)低(di)噪(zao)聲(sheng)放(fang)大(da)器(qi)和(he)電(dian)阻(zu)器(qi)等(deng)適(shi)當(dang)的(de)電(dian)子(zi)元(yuan)器(qi)件(jian)以(yi)及(ji)適(shi)當(dang)的(de)模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)濾(lv)波(bo)器(qi)
，可(ke)以(yi)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)降(jiang)低(di)這(zhe)些(xie)噪(zao)聲(sheng)。此(ci)外(wai)，通(tong)過(guo)複(fu)雜(za)的(de)圖(tu)像(xiang)和(he)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)算(suan)法(fa)可(ke)以(yi)在(zai)後(hou)期(qi)處(chu)理(li)時(shi)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)小(xiao)一(yi)些(xie)噪(zao)聲(sheng)。

穩壓器噪聲：一個關鍵因素

還有一個與噪聲有關的問題必須解決：來自降壓 DC/DC 穩壓器的開關噪聲。這種穩壓器主要向如 FPGA 和 ASIC 等數字 IC 供電。問題是，這些噪聲還通過電磁 (EM) 輻射，以及通過電源軌和其他導體的傳導
，影響敏感的模擬信號處理電路。

設計人員嚐試通過鐵氧體磁珠、jingxindebujuhedianyuanguilvbolaijinkenengjianshaozhezhongzaosheng
，danzheyangzuodedaijiashizengjiayuanqijianshuliangheyinshuadianlubandemianji
，erqiewangwangzhinenghuodebufenchenggong。

傳統上，對於盡可能地減少 DC/DC 穩壓器噪聲設計者來說，可以選擇 LDO。這種器件提供低噪聲輸出，但效率相對較差，約為 50%。另一種方法是，使用效率約為 90% 或更高的開關穩壓器。但由於開關時鍾的原因，會輸出毫伏級脈衝噪聲。

與大多數工程決策不同的是
，DC/DC 穩壓器的情況需要二選一：要麼低效率
、低噪聲，要麼高效率、高噪聲。這種矛盾無法調和，例如接受 LDO 中 20% 的高噪聲以適當地提高其效率。

LDO 的固有低噪聲可能會受到另一個因素的影響。由於相對較大的體積適用於較高的電流水平——主要是出於散熱考慮，這種器件通常必須安裝在離其負載較遠的位置。這使得 LDO 輸出軌有可能接收來自係統中數字器件的輻射噪聲，從而破壞了敏感模擬電路的潔淨電源軌。

由於熱管理問題
，LDO 的安裝解決方案是隻使用一個穩壓器，位於 PC 板的側麵或拐角處。這樣做有助於管理 LDO 的耗散問題，並可能簡化 DC/DC 的係統級架構。然而，這種聽起來簡單的解決方案卻存在很多問題：

· 由於距離和高電流水平、穩壓器和負載之間不可避免的存在 IR下降（ΔV 下降 = 負載電流 (I) × 印製線電阻 (R) ），意味著負載電壓不是 LDO 的標稱輸出，甚至每個負載的電壓都有所不同。可通過增加 PC 板的印製線寬度或厚度，或使用直立母線來最大限度地減小這種壓降，但代價是占用寶貴的電路板空間並增大材料清單 (BOM)。
· 可以使用遙測方法來檢測負載電壓，但這種方法隻對單點、非分散負載有良好的效果。此外
，遙測引線可能會導致直流電路振蕩，因為較長的電源軌和檢測導線的電感會影響穩壓器的瞬態性能。
· 最後
，也是通常難以解決的問題，較長的電源軌也會受到更多的電磁幹擾 (EMI) 或射頻幹擾 (RFI) 噪聲拾取的影響。

要消除 EMI/RFI 問題
，通常從增加旁路電容、直列式鐵氧體磁珠和其他措施開始。不過，這往往是個很頑固的問題。而且，這種噪聲會加大滿足各種噪聲排放法規要求時帶來的挑戰（具體取決於噪聲幅度和頻率）。

Silent Switcher 穩壓器解決了這一權衡難題

另一種通常更好的解決辦法是
，在盡可能靠近負載 IC 的位置使用一個 DC/DC 穩壓器。這樣可以最大限度減小 IR 壓降
、PC 板基底麵以及電源軌噪聲拾取和輻射。不過，為使這種方法可行
，就必須采用可以放置於負載旁


，但仍能滿足所有電流要求的小巧、高效的低噪聲穩壓器。

這就是為什麼 Analog Devices 的許多 Silent Switcher 穩壓器能夠解決問題。這種穩壓器不僅能在數個安培到 10 A 的電流水平下提供個位數的電壓輸出，而且噪聲極低。這是通過多種設計創新完成的創舉。

采用這種穩壓器不是一種“折中”方法
，也不是在 LDO 低噪聲屬性和開關穩壓器效率之間進行取舍。相反，這種穩壓器的創新設計使工程師們能夠以非常低和接近 LDO 的噪聲水平擁有開關器件的全部效率優勢。實際上，設計人員能夠在低噪聲與高效率這兩種屬性之間做到魚與熊掌兼得。

這種穩壓器改變了人們對 LDO 與開關穩壓器之間差距的傳統認知。這種穩壓器可用於Silent Switcher 1（第一代）
、Silent Switcher 2（第二代）和 Silent Switcher 3（第三代）器件。這些器件的設計者確定了各種噪聲源，並設計了削弱每個噪聲源的方法

，並對隨後的每一代都進行了進一步改進（圖 4）。

圖 4：Silent Switcher DC/DC 穩壓器已發展到第三代，每一代產品都以前代產品為基礎，進一步擴展了前一代的性能。（圖片來源：Analog Devices）

Silent Switcher 1 器件的優點包括低 EMI、高效率和高開關頻率，後者可將許多殘餘噪聲移出會幹擾係統運行或產生監管問題的頻譜部分。Silent Switcher 2 則在 Silent Switcher 1 技術的所有特性之外增加了一些優點，如集成式精密電容器、更小的基底麵，以及消除了對 PC 板布局的敏感性。最後，Silent Switcher 3 係列在 10 Hz 至 100 kHz 的低頻段具有超低噪聲特性
，這對超聲波應用尤其關鍵。

由於這些開關式器件隻有幾毫米見方的微小外形
，在加上其固有效率，可將其置於離負載 FPGA 或 ASIC 非常近的位置。這將最大限度地提高性能，並消除數據表性能和實際使用情況之間的差異。

圖 5 所示為 Silent Switcher 器件的噪聲和熱屬性總結。

圖 5：這些穩壓器的用戶從 Silent Switchers 設計中獲得了切實的噪聲和散熱優勢。（圖片來源：Analog Devices）

Silent Switcher 矩陣的許多選擇

Silent Switcher 穩壓器包括許多分組、版本和型號，具有不同的額定電壓和電流，以滿足係統設計的具體要求。此外，這些穩壓器還提供各種微小的封裝（圖 6）。

圖 6：使用 Silent Switcher 技術的許多設備實現了許多電壓
、電流、噪聲和其他屬性的排列組合。（圖片來源：Analog Devices）

第一代和第二代器件包括但不限於具有 3 A、4 A、6 A 和 10 A 輸出的 5 V 裝置，如：

· LTC3307：5 V、3 A 同步降壓 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
· LTC3308A：5 V、4 A 同步降壓 Silent Switcher
，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
· LTC3309A：5 V、6 A 同步降壓 Silent Switcher
，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
· LTC3310：采用 3 mm × 3 mm LQFN 封裝的 5 V、10 A 同步降壓型 Silent Switcher 2

其中每款器件都有多個版本。例如，LTC3310 有四個基礎版本，包括一些通過 AEC-Q100 汽車級標準鑒定的版本。請注意，第一代 (SS1) 器件 LTC3310 和 LTC3310-1 以及第二代 (SS2) 器件 LTC3310S 和 LTC3310S-1 均可用作可調作輸出或固定輸出的輸出器件。

請仔細觀察第三代器件 LT8625S，它突出了 Silent Switcher 3 的設計特點。這款 2.7 V - 18 V 輸入
、8 A 輸出的器件實現了出色的低噪聲性能（圖 7）。

圖 7：LT8625S 隻需要一些標準的外部器件（所示為與其相同的 4 A 版本 LTC8624S）。（圖片來源：Analog Devices）

LT8625S 的特性如下：

· 采用了高增益誤差放大器，因此具有超快的瞬態響應
· 快速的最小開關時間，隻有 15 ns
· 具有 ±0.8% 溫度漂移的精密基準
· 多相工作
，支持多達 12 相，可實現更高的總電流輸出
· 可調節、可同步：300 kHz 至 4 MHz
· 可編程電源良好指示器
· 采用 20 引線 4 mm × 3 mm （LT8625SP）或 24 引線 4 mm × 4 mm LQFN（LT8625SP-1）封裝

具有特別適合超聲應用的噪聲性能規格（圖 8）：

· 超低均方根 (RMS) 噪聲 （10 Hz 至 100 kHz）：4 μVRMS
· 超低斑點噪聲：10 kHz 時，4 nV/√Hz
· 在任何 PC 板上都具有超低 EMI 排放
· 內部旁路電容器可減少輻射式 EMI

圖 8：本圖說明了 LT8625S 的低頻（左）和寬帶（右）噪聲譜密度都很小。（圖片來源：Analog Devices）

這種低噪聲性能是在整個負載範圍內，在高效率
、低功率損耗下實現的（圖 9）。

圖 9：LT8625S 的高工作效率、低熱影響讓係統設計無後顧之憂。（圖片來源：Analog Devices）

隨著配套的 DC3219A 演示電路/評估板（圖 10）的推出
，加快了 20 引線 LT8625S 的設計導入。該板的默認設置為 1.0 V

，最大直流輸出為 8 A。用戶可以根據需要改變電壓設置。

圖 10：為便於探索和加塊設計導入，DC3291A 評估板支持 LT8625S。（圖片來源：Analog Devices）

結束語

超聲波成像係統是一種不可或缺的無風險醫療診斷工具。為了達到規定的圖像清晰度、分fen辨bian率lv和he其qi他ta性xing能neng指zhi標biao，關guan鍵jian是shi要yao認ren識shi到dao所suo接jie收shou到dao的de信xin號hao可ke能neng處chu於yu極ji低di水shui平ping且qie具ju有you很hen寬kuan的de動dong態tai範fan圍wei。這zhe就jiu要yao求qiu工gong程cheng師shi選xuan擇ze低di噪zao聲sheng器qi件jian，采cai用yong謹jin慎shen的de設she計ji技ji術shu，並bing確que保bao直zhi流liu電dian源yuan軌gui的de噪zao聲sheng盡jin可ke能neng低di。

Analog Devices 的 Silent Switcher 係列具有開關式 DC/DC 穩壓器固有的高效率
，以及媲美效率低得多的 LDO 的de噪zao聲sheng水shui平ping。此ci外wai，這zhe類lei器qi件jian尺chi寸cun很hen小xiao，隻zhi有you幾ji毫hao米mi見jian方fang

，這zhe使shi其qi可ke以yi靠kao近jin所suo支zhi持chi的de負fu載zai放fang置zhi，從cong而er最zui大da限xian度du地di降jiang低di接jie收shou輻fu射she電dian路lu噪zao聲sheng的de可ke能neng性xing。

(來源：ADI公司，作者：Bill Schweber)

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