連續(xù)時(shí)間Δ∑技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及在醫(yī)療超聲中的應(yīng)用研究

至今，設(shè)計(jì)人員都面對(duì)ADC選擇的折衷考慮。流水線轉(zhuǎn)換器提供高分辨率和寬動(dòng)態(tài)范圍，但其功耗相當(dāng)高。另一種方法，分立時(shí)間Δ∑轉(zhuǎn)換器幾乎不需要太大的功率，但嚴(yán)格受速度所限。

1 CTDS ADC

連續(xù)時(shí)間Δ∑（CTDS）技術(shù)可填補(bǔ)轉(zhuǎn)換器的空白。Xignal公司最近推出的產(chǎn)品可工作在40Msample/s（相當(dāng)于流水線轉(zhuǎn)換器的50~60Msample/s），具有12位或14位分辨率、高功能集成度（包含精確的片上時(shí)鐘源），其功耗僅70mW。此產(chǎn)品也具有1個(gè)電阻輸入級(jí)，這很容易驅(qū)動(dòng)，而不用借助緩沖放大器。

圖1示出CTDS ADC 與流水線轉(zhuǎn)換器相對(duì)性能比較，此圖是根據(jù)IEEE認(rèn)可的FOM（性能因數(shù)）測(cè)量。FOM是每次轉(zhuǎn)換的能量量測(cè)。FOM也示出工藝結(jié)構(gòu)未來的標(biāo)度，連續(xù)時(shí)間Δ∑器件將沿給出較高性能水平的路線圖發(fā)展。

圖2標(biāo)出1個(gè)完整的模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。左手邊的圖示出1個(gè)完整的系統(tǒng)對(duì)于流水線轉(zhuǎn)換器需5個(gè)外部電路元件。它們是可編程增益放大器（通過分離的DAC進(jìn)行增益控制）；去除噪聲的抗混淆濾波器；緩沖ADC本身容性輸入的輸入驅(qū)動(dòng)器；提供精確定時(shí)基準(zhǔn)的高性能時(shí)鐘和鎖相環(huán)。與此相反，連續(xù)時(shí)間Δ∑實(shí)現(xiàn)方法去除了所需的抗混淆濾波和輸入驅(qū)動(dòng)器，而Xignal的實(shí)現(xiàn)方法把所有其他功能都集成在片上。

CTDS轉(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：更快和更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，較低的功耗，對(duì)動(dòng)態(tài)范圍或速度不需折衷考慮。在多通道應(yīng)用中，上述CTDC ADC的優(yōu)點(diǎn)能增值，而且能使設(shè)計(jì)人員采用新的和有益的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而這在以前是不可能的。此技術(shù)的應(yīng)用范圍是廣泛的，包括電子業(yè)的所有領(lǐng)域，特別是來自各種傳感器的模擬信號(hào)需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的領(lǐng)域。

2 醫(yī)療超聲應(yīng)用

在醫(yī)療超聲系統(tǒng)中，超聲換能器發(fā)射超聲波，超聲波被目標(biāo)物反射并重新被換能器接收。為了掃描1個(gè)較大的區(qū)域并在一定的距離聚集在目標(biāo)上，需要在目標(biāo)小，需要在一維或二維陣列中配置多發(fā)送/接收元件以便形成波束。波束的聚焦和方向可以電控。

換能器通過靈活的纜線連接到處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理單元。每個(gè)換能元件通過自己的數(shù)據(jù)通道或多路轉(zhuǎn)換電路連接到處理單元。高端系統(tǒng)配量高達(dá)512個(gè)通道，中等性能系統(tǒng)可達(dá)256個(gè)通道，便攜系統(tǒng)可達(dá)128個(gè)通道。

根據(jù)目標(biāo)到傳感器頭的距離和目標(biāo)性質(zhì)，經(jīng)纜線接收和發(fā)送的模擬信號(hào)幅度是寬范圍的。因此，纜線是由若干低損耗同軸芯組成，這是超聲系統(tǒng)是昂貴的元件之一。盡管如此，纜線損耗和換能器接口上的損耗是高性能和相當(dāng)昂貴接收器的要求。

3 信號(hào)完整性

若ADC做得緊靠換能器，則會(huì)改善信號(hào)完整性。模擬前端與ADC集成一起并把器件直接放置在換能器中將會(huì)降低對(duì)接收器性能的要求，而且數(shù)字傳輸與模擬信號(hào)處理單元相比更加可靠、成本更低。然而，CDTS技術(shù)開發(fā)之前所用的模擬前端，其流水線ADC每個(gè)通道耗電高達(dá)0.5W。這對(duì)于1個(gè)中等系統(tǒng)（128個(gè)通道）其耗電達(dá)64W，所產(chǎn)生的熱會(huì)影響換能器頭的性能并對(duì)病人和醫(yī)生造成很大的不適。相反，在同樣系統(tǒng)中采用CTDS方案耗電只有8.75W，甚至耗電會(huì)更?。ú捎枚嗤ǖ繟DC器件共享某些資源，如PLL跨接多通道）。用1個(gè)8通道12位ADC可以實(shí)現(xiàn)功耗40mW/通道或128通道耗電5.12W。

便攜系統(tǒng)要求縮小超聲掃描器的尺寸。在實(shí)現(xiàn)小型和低成本系統(tǒng)中，ADC功耗是重要的設(shè)計(jì)參量，這種小型系統(tǒng)轉(zhuǎn)換發(fā)生在換能器頭或處理單元中，系統(tǒng)要求最少的冷卻。新系統(tǒng)也可能是電池供電，所以使功耗最小是更關(guān)鍵的因素。

4 繼續(xù)研究

人們研究在連續(xù)波多普勒應(yīng)用中用數(shù)字波束形成器替代模擬波束形成器而且經(jīng)過同樣的數(shù)字處理通路處理來自幾個(gè)超聲節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)。數(shù)字域所增加的功耗可以采用較低電源電壓1.2V或更低的先進(jìn)CMOS工藝來降低。用這樣的低電壓一般的ADC技術(shù)不可能達(dá)到所要求的性能。連續(xù)時(shí)間Δ∑技術(shù)用1.2V電源能提供所要求的性能并將隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展會(huì)進(jìn)一步降低功耗和減小尺寸。

在換能器頭中采用CTDS ADC的超聲系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示于圖3。除ADC外，有源換能器包含低功率可變?cè)鲆娣糯笃?、串行器和?shù)字接口，這能大大地降低用于互連主處理單元的纜線數(shù)量。

CDTS ADC 的優(yōu)點(diǎn)是在最低可能的功耗下提供所需的高速度、高分辨率。在汽車、醫(yī)療、工業(yè)和測(cè)試測(cè)量設(shè)備的與傳感器相關(guān)的應(yīng)用中，此技術(shù)可以用于構(gòu)成新的結(jié)構(gòu)，使模/數(shù)轉(zhuǎn)換靠近傳感器。

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