本文檔解決了醫學超聲應用的設計挑戰和解決方案。這尤其適用于緊湊型設計，因為它們的用途現已廣泛應用于醫療保健領域。本說明重點介紹了通過模擬集成和噪聲抑制來應對挑戰。

對更便攜式和低成本醫學超聲成像設備的需求對其設計產生了重大影響。本應用筆記回顧了使這些緊湊型超聲系統成為可能的模擬集成的最新進展，然后討論了與控制緊湊型系統中的噪聲相關的一些設計挑戰以及正確的前期系統設計的重要性。

在過去的十年中，醫學超聲成像設備經歷了一場革命。集成電子技術的進步使設備制造商能夠顯著提高這種功能強大的醫療工具的便攜性和可承受性。曾經重達數百磅，需要推車才能移動的東西，如今已經變成了便攜式筆記本電腦的大小。毋庸置疑，對醫學界和患者的影響是深遠的。在發達國家，現在在患者的護理點使用超聲波，這可以降低成本并改善結果。在發展中國家，超聲成像現在可用于其主要是農村人口的更大比例的人群。這些新的，更便攜式的低成本系統對全球醫療保健的影響是巨大的，并廣受歡迎。

開發這些緊湊型成像解決方案的道路并不容易。隨著制造商努力使這些系統更便攜，更便宜，性能更高，已經存在并將繼續存在巨大的設計挑戰。本應用筆記重點介紹了該設備設計人員面臨的一些更重要的設計挑戰。

高質量成像和空間溢價

緊湊型超聲系統的設計人員必須適合將大量高質量圖像發送到可用的小空間所需的超聲收發器。這不是簡單的任務。當前最先進的系統通常擁有128個或更多這些收發器。典型的超聲收發器框圖如圖1所示。為了產生超聲圖像，收發器的高壓發射器會生成適當的定時高壓脈沖，以激發超聲換能器元件并產生聚焦的聲波傳輸。來自該傳輸的聲能被患者體內的阻抗不連續性反射，被相同的元件接收，并被路由回收發器的接收器部分。

超聲波收發器框圖顯示了所需的各種功能。

接收器由發射/接收（T / R）開關，低噪聲放大器（LNA），可變增益放大器（VGA），抗混疊濾波器（AAF）和模數轉換器組成（ADC）。每個換能器元件都通過T / R開關連接到LNA，該開關可保護LNA輸入免受高壓發射信號的影響。LNA本身提供初始固定增益，以優化接收器的噪聲性能。VGA用于補償體內超聲信號隨時間的衰減，從而降低了后續ADC的動態范圍要求。接收鏈中的AAF可以防止超出正常最大成像頻率的任何高頻噪聲被ADC映射到接收頻段。放大并數字化的信號在超聲系統的數字波束形成器中被延遲和求和，以生成聚焦的接收波束形成信號。所得的數字信號用于生成2D圖像以及脈沖模式多普勒信息。

接收器在LNA之后還有一條單獨的連續波多普勒（CWD）接收器/波束形成器路徑。在CWD模式下，接收機的動態范圍要求非常苛刻，超出了VGA / ADC信號路徑的范圍。通過將接收到的信號與適當相位的本機振蕩器（LO）混合并相加所得的基帶信號，可以實現CWD波束成形。結果，CWD接收器模塊由高動態范圍模擬同相/正交（I / Q）混頻器和可編程LO發生器組成。

可以看到，典型的收發器具有重要的功能，將其中128或更多的功能集成到PC大小的設備中是一項設計挑戰。模擬IC制造商已通過更高度集成的解決方案來應對這一挑戰。因此，現在很常見的是找到八進制接收器，包括最小10mm x 10mm的LNA，VGA，AAF和ADC。高壓脈沖發生器現在也提供4通道和8通道單封裝配置，尺寸小至10mm x 10mm。這些進步意義重大，并在使當前的便攜式系統成為主流方面發揮了關鍵作用。然而，展望未來，會有更多的整合機會。

MAX2082超聲收發器集成了完整的接收器，T / R開關，耦合電容器和3電平高壓脈沖發生器。

MAX2082八通道收發器（圖2）是高度集成的超聲解決方案最新進展的一個例子。它包括完整的接收器，T / R開關，耦合電容器和3級高壓脈沖發生器，并采用10mm x 23mm的單個封裝。該單個收發器節省了大量空間，減少了設計時間，并降低了整體系統成本。

發射/接收（T / R）開關具有九個分立組件。在128通道系統中，僅這些開關就有1000多個分立部件。

這種高度集成的收發器可以節省大量空間。僅集成的T / R開關即可節省大量資金。考慮一下大多數現有超聲系統中使用的典型離散T / R開關（圖3）。此T / R開關實現中有九個分立組件。在128通道系統中，僅T / R開關功能就代表1000多個分立部件！

收發器電源管理

電源也是這些高度集成設計中的主要關注點。這些超聲波系統中有許多是便攜式的，兩次充電之間必須用電池運行一個小時或更長時間。熱量管理也存在問題，因為組件密度非常高，并且PCB之間的距離非常近，幾乎沒有空氣流通的空間。超聲波收發器占整個系統功率預算的很大一部分，因此，需要引起大量設計關注。

在過去的10年中，超聲波接收器的功率已減少了一半。現在常見的IC接收器解決方案包括LNA，VGA，AAF和ADC，每個通道的功耗不到150mW。這些新一代接收器還具有更靈活的功率控制功能，允許用戶在功率與性能之間進行權衡，并在系統處于非成像模式時利用低功率，快速喚醒的“小睡”模式來節省功率。

未來還有更多的改進機會。例如，由于需要大量的偏置電流來降低二極管的導通阻抗，以滿足所需的噪聲性能，因此T / R開關本身每個通道的耗電量可能會超過80mW。這幾乎與接收器的其余部分一樣強大！像上面提到的MAX2082收發器這樣的產品中，較新的專有集成式T / R開關設計比這些分立設計具有更好的噪聲性能，每通道不到15mW。

編輯：hfy