基于半導(dǎo)體芯片的超聲波發(fā)送器系統(tǒng)的應(yīng)用研究

作者：Ismail Oguzman，Arash Loloee

醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域正極大地受益于應(yīng)用物理和電子學(xué)的研究和發(fā)展，特別是在諸如儀表設(shè)備、影像采集和建模等領(lǐng)域。由于具有完全無創(chuàng)傷性，超聲波在各種成像模式中占有特別的位置，其為內(nèi)臟器官研究提供了一種可靠的方法。超聲波技術(shù)用于醫(yī)療目的已有半個(gè)多世紀(jì)。然而，這種必需的設(shè)備體積龐大且價(jià)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(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，這種趨勢(shì)正在發(fā)生變化?，F(xiàn)在，可以完全使用半導(dǎo)體IC來制造超聲波收發(fā)器。更低電壓的IC技術(shù)現(xiàn)在讓具有顯著高增益和低噪聲性能的超聲波接收機(jī)芯片成為現(xiàn)實(shí)。同樣地，在更高電壓端，人們?nèi)找骊P(guān)注驅(qū)動(dòng)超聲波變送器的發(fā)送器IC的制造。本文概述了超聲波發(fā)送器芯片設(shè)計(jì)的一些進(jìn)展及其存在的諸多挑戰(zhàn)。

超聲波系統(tǒng)概述：發(fā)送和接收功能

簡(jiǎn)而言之，超聲波系統(tǒng)的工作原理是產(chǎn)生用于患者身上的聲波，然后接收并處理反射信號(hào)來形成患者身體的影像。發(fā)送至身體內(nèi)的原始聲波由一個(gè)變送器產(chǎn)生，其一般由發(fā)送器產(chǎn)生的電脈沖激發(fā)。類似地，反射聲波由變送器接收，然后轉(zhuǎn)換回電形式，最后對(duì)得到的信號(hào)進(jìn)行處理，以確定相關(guān)身體部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1顯示了一個(gè)完整醫(yī)療超聲波系統(tǒng)的典型構(gòu)造。發(fā)送路徑的實(shí)現(xiàn)可以有幾種不同的方法。該路徑可能由一個(gè)波束形成器以及許多電平轉(zhuǎn)換器、柵極驅(qū)動(dòng)器和高壓開關(guān)組成，其輸出被發(fā)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(hào)轉(zhuǎn)換為聲波，即系統(tǒng)的最終輸出。

一些系統(tǒng)中，在通過數(shù)字邏輯驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)的發(fā)送路徑中，從始至終都得到保持信號(hào)的數(shù)字屬性。然而，您也可以以一種模擬方式創(chuàng)建并發(fā)送信號(hào)到變送器。其涉及一個(gè)將波束形成器輸出轉(zhuǎn)換為模擬格式的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。然后，在將其發(fā)送到變送器以前，模擬放大被用于產(chǎn)生的信號(hào)。

超聲波系統(tǒng)的接收路徑方面，使用了一種模擬方法。因?yàn)榻邮招盘?hào)的振幅遠(yuǎn)低于發(fā)送信號(hào)，因此前端包括一個(gè)低噪聲放大器，其后為某種增益控制模塊。濾出非相關(guān)高頻部分以后，得到的信號(hào)通過一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，而該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出則由波束形成器來處理。

超聲波收發(fā)器系統(tǒng)的其他重要部分包括一個(gè)對(duì)多個(gè)通道活動(dòng)進(jìn)行交互的多路復(fù)用器，以及一個(gè)控制變送器和收發(fā)器電子元件之間信號(hào)流量的收/發(fā)開關(guān)。收/發(fā)開關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵功能是在發(fā)送事件期間保護(hù)接收機(jī)，因?yàn)榘l(fā)送事件涉及過高的發(fā)送線路電壓，其遠(yuǎn)高出接收機(jī)模塊的承受能力。

超聲波系統(tǒng)要求：發(fā)送路徑挑戰(zhàn)電壓范圍和工作頻率

到目前為止所描述的超聲波系統(tǒng)可以產(chǎn)生各種信號(hào)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(yīng)用要求的高壓（60～100V）、低占空比（0.5～2.0%）信號(hào)。在另一種極端情況下，可以獲得連續(xù)波（CW）多普勒型成像模式要求的低壓（3～10V）、100%占空比信號(hào)。

這就是說，在1～20MHz基頻范圍時(shí)，相應(yīng)占空比條件下，要求超聲波系統(tǒng)的發(fā)送器電路產(chǎn)生±3V?±100V的輸出電壓。

很明顯，發(fā)送器輸出的±100V需要一些高壓開關(guān)。當(dāng)發(fā)送器包括一個(gè)IC時(shí)，這種要求轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏?a target="_blank">晶體管，并對(duì)其優(yōu)化以承受大電場(chǎng)。同樣，它們?cè)诘蛪海ā?0V）下表現(xiàn)不佳，而這種低壓一般用于CW運(yùn)行。設(shè)計(jì)一個(gè)發(fā)送器來滿足電壓范圍極遠(yuǎn)端的產(chǎn)品規(guī)范仍然，存在一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

輸出電壓的寬范圍并非是制造超聲波發(fā)送器器件方面的唯一難題，還有更多的挑戰(zhàn)。

轉(zhuǎn)換速率

根據(jù)先前提及的電壓擺幅和工作頻率范圍，發(fā)送器可能必須產(chǎn)生高達(dá)8V/ns的轉(zhuǎn)換速率。結(jié)合代表變送器的100Ω和300pF典型并行負(fù)載，可知發(fā)送器在最為苛刻的情況下會(huì)提供接近3A的瞬態(tài)電流（見圖2）。

諧波失真

超聲波發(fā)送器的理想輸出是一種正弦信號(hào)，其滿足了最高電壓振幅和工作頻率要求。您可以生成一個(gè)矩形脈沖，而非創(chuàng)建這種難以生成的模擬信號(hào)。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(gè)。其余偶次諧波中，第二個(gè)諧波一般為罪魁禍?zhǔn)?。因此，第二諧波的抑制量成為超聲波發(fā)送器的主要品質(zhì)因數(shù)。

脈沖對(duì)稱性和歸零

我們可以直觀地理解超聲波發(fā)送器輸出的對(duì)稱性要求。然而，這里需要深入理解的是輸出信號(hào)不必為一個(gè)長脈沖群。它可能包括一個(gè)單正極和負(fù)極脈沖對(duì)，脈沖對(duì)的前后均為0V。同樣，信號(hào)歸至0V的質(zhì)量變得至關(guān)重要。有時(shí)，它被稱為“阻尼”函數(shù)（見圖3），并對(duì)一些超聲波模式產(chǎn)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。

因此，由正脈沖歸至0V與由負(fù)脈沖歸至0V的對(duì)稱性以及它們發(fā)生速度的快慢成為決定輸出信號(hào)線性質(zhì)量的因素。

導(dǎo)通電阻

導(dǎo)通狀態(tài)下輸出晶體管的電阻對(duì)超聲波發(fā)送器的運(yùn)行至關(guān)重要。首先，導(dǎo)通電阻與負(fù)載一起決定了輸出信號(hào)的升降時(shí)間，其設(shè)定可達(dá)到的輸出頻率。其次，它直接影響功耗。根據(jù)前面提到的電壓和電流范圍，在超聲波發(fā)送事件期間，會(huì)出現(xiàn)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(xù)工作之間的相互作用。

超聲波發(fā)送器系統(tǒng)的其他重要性能參數(shù)還包括輸出信號(hào)抖動(dòng)和相位噪聲，以及通道之間的延遲匹配。

半導(dǎo)體的出現(xiàn)

過去幾十年，半導(dǎo)體技術(shù)一直都是通信和計(jì)算機(jī)行業(yè)進(jìn)步的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，它們即將給醫(yī)療技術(shù)帶來類似的突破，特別是在成像應(yīng)用中。超聲波也不例外，它見證了從習(xí)慣使用的分立系統(tǒng)轉(zhuǎn)至完全集成的半導(dǎo)體芯片型解決方案這樣一場(chǎng)正在進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。由于其固有的高速、低功耗和小體積等優(yōu)勢(shì)，半導(dǎo)體IC可以幫助醫(yī)學(xué)成像廠商縮短其產(chǎn)品上市時(shí)間、實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的便攜性、提高產(chǎn)品可靠性和性能，同時(shí)保持成本的可控性。

現(xiàn)在，可以通過單片IC解決方案來實(shí)現(xiàn)收/發(fā)以及收/發(fā)開關(guān)功能。目前可用的一些IC發(fā)送器均能夠產(chǎn)生高達(dá)8V/ns轉(zhuǎn)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(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)脈沖對(duì)稱性和快速歸零。例如，TI的TX734是一款±90V、±2A、3級(jí)、 4通道、具有有源阻尼功能的集成發(fā)送器。該集成超聲波脈沖發(fā)生器與AFE5851（一款16通道模擬前端芯片）和TX810（一款8通道收/發(fā)開關(guān)）均為超聲波系統(tǒng)IC解決方案的例子。

結(jié)論

過去幾十年，醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域取得了許多重大進(jìn)步。超聲波技術(shù)在這些進(jìn)步中扮演一種特別的角色，經(jīng)證明其為諸多應(yīng)用的一種通用診斷工具。這些應(yīng)用范圍廣泛，從產(chǎn)科學(xué)到血管成像，到一些程序中的針頭引導(dǎo)，甚至包括某些良性和惡性腫瘤的治療。半導(dǎo)體IC技術(shù)正以一種越來越快的步伐支持這種發(fā)展。由于各種IC的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了超聲波系統(tǒng)的所有主要功能，從而讓廣大臨床醫(yī)生和其他用戶都能夠享受到便攜性、高圖像分辨率和高產(chǎn)品可靠性等重要技術(shù)進(jìn)步。

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