如何使用超低噪聲電源提高超聲系統(tǒng)的圖像質(zhì)量

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

超聲波技術(shù)是醫(yī)療診斷和其他應(yīng)用中廣泛使用的無創(chuàng)工具，已經(jīng)從靜態(tài)圖像進(jìn)化到動(dòng)態(tài)圖像，從黑白呈現(xiàn)變?yōu)椴噬嗥绽請D像。這些重大進(jìn)步主要是由于引入了數(shù)字超聲技術(shù)。雖然這些進(jìn)步提高了超聲成像的有效性和通用性，但同樣重要的是，這些系統(tǒng)借助在頭端超聲探頭、用于驅(qū)動(dòng)探頭并捕捉返回信號的模擬前端 (AFE) 方面的進(jìn)步，可提供質(zhì)量更高的圖像。

實(shí)現(xiàn)圖像質(zhì)量改善的障礙之一是噪聲，因此設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高系統(tǒng)的信噪比 (SNR)。這可以部分地通過解決系統(tǒng)中各種電源軌引起的噪聲問題來實(shí)現(xiàn)。請注意，這類噪聲并非簡單的個(gè)體。相反，這類噪聲具有不同的特點(diǎn)和屬性，決定了其最終如何影響系統(tǒng)性能。

本文將介紹超聲成像的基本原理，然后重點(diǎn)介紹影響圖像質(zhì)量的不同因素，其中主要介紹電源噪聲。本文將以[Analog Devices]的DC-DC 穩(wěn)壓器為例介紹電源器件，這些器件可以顯著改善信噪比和超聲系統(tǒng)其他方面的性能。

超聲波成像的基本原理

概念很簡單：產(chǎn)生一個(gè)尖銳的聲學(xué)脈沖，然后“聆聽”脈沖在遇到障礙物或器官之間的各種界面及其各種不同的聲學(xué)阻抗時(shí)的回聲反射。通過重復(fù)進(jìn)行這些“脈沖 - 返回”操作，就可以利用反射創(chuàng)建反射面的圖像。

對于大多數(shù)模式的超聲，壓電換能器陣列以脈沖形式發(fā)送有限數(shù)量個(gè)周期波（通常為 2 至 4 個(gè)）。這些波在每個(gè)周期的頻率通常在 2.5 - 14 MHz 之間。該陣列通過類似于相控陣射頻天線的波束成形技術(shù)進(jìn)行控制，因此對整個(gè)超聲脈沖進(jìn)行聚焦并加以引導(dǎo)，從而形成掃描。然后，換能器切換為接收模式，以檢測來自人體內(nèi)部反射波的返回情況。

請注意，發(fā)射/接收的時(shí)間比率通常約為 1%/99%，脈沖重復(fù)頻率通常在 1 - 10 kHz 之間。通過對脈沖從發(fā)射到接收回聲的過程進(jìn)行計(jì)時(shí)，并知道超聲能量在身體組織中的傳播速度，就可以計(jì)算出從換能器到將波反射回的器官或界面的距離。經(jīng)過大量的數(shù)字式后處理，回波振幅決定了超聲圖像中分配給反射部分的像素亮度。

了解系統(tǒng)要求

盡管基本原理在概念上很簡單，但完整的高端超聲成像系統(tǒng)是一種復(fù)雜的設(shè)備（圖 1）。這種系統(tǒng)的最終性能主要由傳感器和模擬前端 (AFE) 決定，而對數(shù)字化反射信號進(jìn)行后處理則允許通過算法來增強(qiáng)這種情況。

毫不奇怪，不同的系統(tǒng)噪聲是圖像質(zhì)量和性能的限制因素之一，這類似于考慮數(shù)字通信系統(tǒng)中的誤碼率 (BER) 與信噪比。

圖 1：一個(gè)完整的超聲成像系統(tǒng)是大量模擬、數(shù)字、電源和處理功能的復(fù)雜組合；AFE 決定了系統(tǒng)的性能界限。（圖片來源：Analog Devices）

在壓電換能器陣列和有源電子設(shè)備之間有一個(gè)發(fā)射/接收 (T/R) 開關(guān)。該開關(guān)用于阻止驅(qū)動(dòng)換能器的高壓發(fā)射信號到達(dá)低壓接收側(cè)的 AFE，造成后者損壞。在先后經(jīng)過放大和調(diào)節(jié)后，接收到的反射信號被傳遞到 AFE 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進(jìn)行數(shù)字化，然后進(jìn)行基于軟件的圖像處理和增強(qiáng)。

超聲系統(tǒng)的每一種不同的成像模式對動(dòng)態(tài)范圍都有不同的要求，因此對信噪比或噪聲的要求也不同：

• 對于黑白圖像模式，需要有 70 dB 的動(dòng)態(tài)范圍；本底噪聲很重要，因?yàn)闀?huì)影響到在遠(yuǎn)場能夠看到的最小超聲回波的最大深度。這就是所謂的穿透力，是黑白模式的關(guān)鍵特征之一。
• 對于脈沖波多普勒 (PWD) 模式，需要有 130dB 的動(dòng)態(tài)范圍。
• 對于連續(xù)波多普勒 (CWD) 模式，需要 160dB 的動(dòng)態(tài)范圍。請注意，1/f 噪聲對 PWD 和 CWD 模式特別重要，因?yàn)檫@些圖像包括 1kHz 以下的低頻頻譜元素，而相位噪聲會(huì)影響高于 1kHz 的多普勒頻譜。

這些要求很難滿足。由于超聲換能器的頻率通常在 1 MHz 到 15 MHz 之間，因此會(huì)受到此范圍內(nèi)任何開關(guān)頻率噪聲的影響。如果在 PWD 和 CWD 頻譜內(nèi)存在互調(diào)頻率（從 100 Hz 到 200 kHz），多普勒圖像中就會(huì)出現(xiàn)明顯的噪聲頻譜，這在超聲系統(tǒng)中是不可接受的。為了達(dá)到最高的系統(tǒng)性能和圖像質(zhì)量（清晰度、動(dòng)態(tài)范圍、無圖像斑點(diǎn)和其他品質(zhì)系數(shù)），研究導(dǎo)致信號質(zhì)量受損和信噪比下降的源頭便顯得非常重要。

第一個(gè)顯而易見：由于衰減，來自身體深處的組織和器官（如腎臟）的回波要比靠近換能器的器官回波弱得多。因此，反射信號被 AFE“提高了增益”，使其盡可能多地占據(jù) AFE 的輸入范圍。為此，使用了自動(dòng)增益控制 (AGC) 功能。這種 AGC 功能類似于無線系統(tǒng)中使用的 AGC。在無線系統(tǒng)中，AGC 會(huì)評估無線射頻接收信號強(qiáng)度 (RSS)，并對其在幾十分貝范圍內(nèi)隨機(jī)的、不可預(yù)測的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

然而，超聲應(yīng)用的情況與無線鏈路不同。相反，路徑衰減已知，正如聲能在軟組織中的傳播速度為 1540 m/s，或者說比在空氣中的傳播速度（約 330 m/s）快五倍，因此衰減率也是已知的。

基于這一知識，AFE 使用可變增益放大器 (VGA)。該 VGA 被用于時(shí)間增益補(bǔ)償 (TGC) 放大器。該 VGA 的增益為線性 dB；其配置方式是：“線性 - 時(shí)間”斜坡控制電壓會(huì)增大“增益 - 時(shí)間”，從而在很大程度上補(bǔ)償衰減。這會(huì)最大限度地提高信噪比并發(fā)揮 AFE 動(dòng)態(tài)范圍的作用。

噪聲類型及如何消除

盡管超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)者無法控制體內(nèi)和病人引起的信號噪聲，但必須管控內(nèi)部系統(tǒng)噪聲。所以，了解噪聲類型、噪聲影響以及如何減少噪聲非常重要。主要關(guān)注方面包括開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲、由信號鏈、時(shí)鐘和電源造成的白噪聲、與布局相關(guān)的噪聲。

• 開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲：大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器使用一個(gè)簡單的電阻器來設(shè)置開關(guān)頻率。由于不同的獨(dú)立穩(wěn)壓器的頻率會(huì)相互混合并交叉調(diào)制，因此該電阻器的標(biāo)稱值公差會(huì)不可避免地造成不同的開關(guān)頻率和諧波?？紤]到即使是一個(gè)誤差為 1% 的嚴(yán)格公差電阻器也會(huì)在 400 kHz 的 DC-DC 穩(wěn)壓器中產(chǎn)生 4 kHz 的諧波頻率，進(jìn)而導(dǎo)致諧波更難控制。

一個(gè)較好的解決方案是選擇具有同步功能的開關(guān)穩(wěn)壓器 IC，且同步功能通過該開關(guān)穩(wěn)壓器的某個(gè)封裝引腳上的 SYNC 連接來實(shí)現(xiàn)。利用該特點(diǎn)，外部時(shí)鐘可以將信號分配給各個(gè)穩(wěn)壓器，使這些穩(wěn)壓器都以相同的頻率和相位進(jìn)行切換。這樣就消除了額定頻率和相關(guān)諧波產(chǎn)物的混合。

例如，[LT8620]是一款高效率、高速度、同步單片式降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，可接受高達(dá) 65 V 的寬輸入電壓范圍，并且靜態(tài)電流消耗僅 2.5 μA（圖 2）。該器件的低紋波“猝發(fā)模式”可在非常低的輸出電流下保持高能效，并同時(shí)將輸出紋波維持在 10 mV 峰峰電壓以下。使用一個(gè) SYNC 引腳，用戶可在 200 kHz 至 2.2 MHz 范圍內(nèi)與外部時(shí)鐘同步。

圖 2：高效的 LT8620 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器包括一個(gè) SYNC 引腳，因此其時(shí)鐘可與其他系統(tǒng)時(shí)鐘同步，從而最大限度地減少時(shí)鐘互調(diào)效應(yīng)。（圖片來源：Analog Devices）

另一種技術(shù)是使用開關(guān)穩(wěn)壓器。這種開關(guān)穩(wěn)壓器采用隨機(jī)擴(kuò)頻時(shí)鐘，可將產(chǎn)生的電磁干擾 (EMI) 擴(kuò)展到更寬的頻段，以降低其在任何特定頻率下的峰值。對于某些對 SNR 要求不高、更關(guān)注滿足 EMI 要求的應(yīng)用來說，雖然這種技術(shù)是一種具有吸引力解決方案，但它在更廣泛的頻譜上產(chǎn)生的合成諧波中引入了不確定性，使得合成頻率更難控制。例如，鑒于 EMI，20% 的開關(guān)頻率擴(kuò)頻導(dǎo)致 400 kHz 電源中的諧波頻率在 0 到 80 kHz 之間。因此，雖然這種降低 EMI“尖峰”的方法可能有助于滿足相關(guān)的監(jiān)管規(guī)定，但對于超聲設(shè)計(jì)的特殊 SNR 需求來說可能會(huì)適得其反。

恒頻開關(guān)穩(wěn)壓器有助于避免這一問題。ADI 的 Silent Switcher 穩(wěn)壓器和 μModule 穩(wěn)壓器系列具有恒頻開關(guān)功能。同時(shí)，這種穩(wěn)壓器通過可選擇的擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn) EMI 性能，以達(dá)到出色的瞬態(tài)響應(yīng)性能，而不會(huì)引入與擴(kuò)頻相關(guān)的不確定性。

Silent Switcher 穩(wěn)壓器系列也不僅限于低功率穩(wěn)壓器。例如，[LTM8053]是一款采用 40 V 在 （最大值）且具有 3.5 A 連續(xù)電流、6 A 峰值電流的降壓穩(wěn)壓器，包括一個(gè)開關(guān)控制器、電源開關(guān)、一個(gè)電感器和所有輔助器件。只需要輸入和輸出濾波電容器就可完成設(shè)計(jì)（圖 3）。該器件支持 0.97 V 至 15 V 的輸出電壓、200 kHz 至 3 MHz 開關(guān)頻率，且這兩者均通過單獨(dú)的電阻器來設(shè)定。

圖 3：Silent Switcher 產(chǎn)品族的 LTM8053 器件可提供 3.5 A 連續(xù)/6 A 峰值電流；采用 3.4 V 至 40 V 輸入且具有 0.97 V 至 15 V 的寬輸出范圍。（圖片來源：Analog Devices）

LTM8053 的獨(dú)特封裝有助于在保持較高電流輸出的同時(shí)確保低 EMI。Silent Switcher μModule 穩(wěn)壓器中的銅柱倒裝片封裝有助于減少寄生電感，優(yōu)化尖峰和死區(qū)時(shí)間，從而能在小封裝中實(shí)現(xiàn)高密度設(shè)計(jì)和大電流能力（圖 4）。如果需要更大的電流，可將多個(gè) LT8053 器件并聯(lián)。

圖 4：LTM8053（及其他 Silent Switcher 器件）集成了一個(gè)銅柱倒裝片，可在小封裝中實(shí)現(xiàn)高密度設(shè)計(jì)和大電流能力，同時(shí)最大限度地減小寄生電感。（圖片來源：Analog Devices）

Silent Switcher 產(chǎn)品線技術(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不限于單輸出穩(wěn)壓器。[LTM8060] 是一款四通道、40 V在Silent Switcher μModule 穩(wěn)壓器，具有一個(gè)可配置 3A 輸出陣列（圖 5）。該器件的工作頻率高達(dá) 3 MHz，采用緊湊的 (11.9 mm × 16 mm × 3.32 mm) 超模壓球柵陣列 (BGA) 封裝。

圖 5：LTM8060 是一款四通道 μModule 可配置陣列器件，具有 3 A/通道輸出，封裝緊湊，尺寸僅為 11.9 mm × 16 mm × 3.32 mm。（圖片來源：Analog Devices）

這款四通道器件有意思的方面是，其輸出能以不同的配置并聯(lián)，以滿足最高可達(dá) 12 A 的不同負(fù)載電流需求（圖 6）。

圖 6：LTM8060 的四個(gè) 3A 輸出可以采用具有不同并聯(lián)配置的布局，以滿足應(yīng)用的 DC 電源軌要求。（圖片來源：Analog Devices）

總之，Silent Switcher 穩(wěn)壓器在噪聲、諧波和熱性能方面擁有許多優(yōu)勢（圖 7）。

| | | 低頻噪聲 | 開關(guān)噪聲諧波 | 高散熱性能 |
| ---------------- | ------------------------------------------------------- | ----------------------------------------- | -------------------------------------------- |
| 架構(gòu) | Silent Switcher 3 器件具有超低噪聲基準(zhǔn) | Silent Switcher 技術(shù)結(jié)合 Cu 柱封裝 | Silent Switcher 技術(shù)結(jié)合封裝內(nèi)散熱器 |
| 特性 | 在低 f 噪聲方面與 LDO 穩(wěn)壓器性能相當(dāng) | 低 EMI，低開關(guān)噪聲
開關(guān)頻率快，微小空槽 | 高功率密度
更低的熱阻 |
| 在應(yīng)用中的優(yōu)勢 | 在保持同等圖像質(zhì)量的同時(shí)，消除了對 LDO 后穩(wěn)壓器的需求 | 高頻率，高效率 | 相同電流水平下，最大限度地減少了性能降級。 |

圖 7：所示為 Silent Switcher 產(chǎn)品族穩(wěn)壓器相對于重要設(shè)計(jì)觀點(diǎn)的關(guān)鍵屬性。（圖片來源：Analog Devices）

• 白噪聲：超聲系統(tǒng)中也有許多白噪聲源，這將導(dǎo)致背景噪聲和圖像“斑點(diǎn)”。這種噪音主要來自于信號鏈、時(shí)鐘和電源。在敏感模擬元件的電源引腳上添加一個(gè)低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器即可解決這個(gè)問題。

ADI 的下一代 LDO 穩(wěn)壓器（如 [LT3045]）具有約 1 μV rms（10 Hz 至 100 kHz）的超低噪聲水平，并在 260 mV 典型壓差電壓下提供高達(dá) 500 mA 的輸出電流（圖 8）。工作靜態(tài)電流的標(biāo)稱值為 2.3 mA，關(guān)斷條件下遠(yuǎn)低于 1 μA。其他低噪聲 LDO 可覆蓋 200 mA 至 3 A 范圍內(nèi)的電流。

圖 8：LT3045 LDO 穩(wěn)壓器因其在 200 mA 至 3 A 的電流范圍內(nèi)具有約 1 μV rms 的超低噪聲而備受矚目。

• 電路板布局：在大多數(shù) PC 板布局中，來自開關(guān)電源的大電流信號跡線與相鄰的低電平信號跡線之間存在沖突問題，因?yàn)榍罢叩脑肼晻?huì)耦合至后者。這種開關(guān)噪聲通常是由輸入電容、頂側(cè) MOSFET、底側(cè) MOSFET 以及由于接線、布線和粘合而產(chǎn)生的寄生電感所產(chǎn)生的“熱環(huán)”。

標(biāo)準(zhǔn)解決方案是增加一個(gè)吸收電路，以減少電磁輻射，但這樣會(huì)降低效率。Silent Switcher 架構(gòu)通過使用雙向發(fā)射創(chuàng)建相反的熱環(huán)路（稱為“分離”）來提高性能，且即使在高開關(guān)頻率下也能保持高效率，從而將 EMI 降低約 20 dB（圖 9）。

圖 9：通過建立一個(gè)相對立的“熱循環(huán)”，將電流流動(dòng)路徑分離，Silent Switcher 能將 EMI 大幅降低約 20 dB。（圖片來源：Analog Devices）

效率與噪聲

看起來，如果在電源噪聲與潛在效率之間有一個(gè)權(quán)衡，那么在超聲應(yīng)用中應(yīng)該優(yōu)先考慮對超低噪聲的需求。畢竟在“大視野”系統(tǒng)層面上，多出幾毫瓦功耗應(yīng)該不會(huì)帶來多么大的負(fù)擔(dān)。此外，為什么不增加換能器的脈沖能量以增加脈沖信號強(qiáng)度，從而增加反射信噪比呢？

但是這種權(quán)衡還帶來另一個(gè)復(fù)雜的問題：包含換能器、壓電元件驅(qū)動(dòng)器、AFE 和其他電子電路的手持式數(shù)字探頭的自發(fā)熱。探頭的一些電能在壓電元件、透鏡和背襯材料中耗散，從而導(dǎo)致?lián)Q能器發(fā)熱。伴隨著換能器頭部的聲能浪費(fèi)，這將導(dǎo)致探頭發(fā)熱和溫升。

傳感器表面的最高允許溫度會(huì)被限制。IEC 標(biāo)準(zhǔn) 60601-2-37（2007 年修訂版）規(guī)定，當(dāng)傳感器向空氣中發(fā)射信號時(shí)，其溫度限制為 50°C，而當(dāng)向合適的假人（標(biāo)準(zhǔn)人體模擬器）發(fā)射時(shí)，該溫被度限制為 43°C；后一個(gè)限制值意味著皮膚（通常為 33°C）最多可以被加熱 10°C。因此，在復(fù)雜的傳感器中，傳感器發(fā)熱是重要的設(shè)計(jì)考慮因素。這些溫度限制值可能有效地限制了可用的聲學(xué)輸出，但與可用的直流電源無關(guān)。

結(jié)語

超聲波成像是一種使用廣泛的、寶超值的無創(chuàng)、無風(fēng)險(xiǎn)醫(yī)學(xué)成像工具。雖然基本原理在概念上簡單，但設(shè)計(jì)一個(gè)有效的成像系統(tǒng)則需要大量的復(fù)雜電路，以及為其各個(gè)子電路供電的多個(gè)直流穩(wěn)壓器。這些穩(wěn)壓器和相關(guān)電源必須具有高能效，但也必須具有非常低的噪聲，因?yàn)閷Ψ瓷涞穆晫W(xué)信號能量有極嚴(yán)苛的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍要求。如圖所示，Analog Devices 的 LDO 和 Silent Switcher IC 可以滿足這些要求，而不影響空間、EMI 或其他關(guān)鍵屬性。