醫(yī)療成像需要高集成度 - 醫(yī)學成像：兩高一低新風尚

　　高集成度：更多的信號鏈、更小的空間以及更低的功耗

　　一個主要的改進方面就是將越來越多的模擬器件集成在一個芯片上，進而減少系統(tǒng)所需的 IC 數(shù)量。就一個典型的超聲波接收鏈而言，每個傳感器可能都需要四個器件，其中三個為放大器。憑借現(xiàn)代設計與工藝，IC 供應商現(xiàn)在可提供將 LNA、VCA 以及 PGA 集成在一個可變增益放大器的器件，最終將芯片數(shù)量減少了三分之一。另外，當前的設計通常在每個芯片中都包括多個信號鏈通道，采用 64 引腳 QFN 封裝的一個 IC 封裝就包含了多達 8 個 VGA 通道。這就允許了 VGA 輸出直接進入 ADC 的輸入端，而無需外部無源或有源組件，從而節(jié)約了更多的板級空間。在圖 1 中，其他功能模塊（如連續(xù)波距陣開關(guān)和鉗位電路，特別是對醫(yī)學成像系統(tǒng)而言）也被集成到了該器件中。

　　在一個器件中集成多個通道除了外形尺寸優(yōu)勢以外還有其他諸多優(yōu)勢。通常，第一個組件都是設計旨在作為一個獨立的實體實現(xiàn)功耗與性能的平衡。雖然設計用于協(xié)同工作，但每個組件的性能看起來都要優(yōu)于系統(tǒng)所需的性能。因此當各個組件協(xié)同工作時，每個組件都會向著過性能方向歪曲功耗與性能平衡，從而帶來比期望功耗更高的功耗。

　　但是在多級 IC 中，設計人員可以對電源進行分配，以最大程度地滿足設計要求，從而在不需要電能的模塊上幾乎不浪費什么電能。較新的 VGA 就是一個不錯的例子。由于低噪聲對超聲波成像系統(tǒng)至關(guān)重要，因此 LNA 功能對 VGA 設計而言也很重要。其輸入噪聲設置了系統(tǒng)可實現(xiàn)的最低噪聲系數(shù)，而其增益又會直接影響后級噪聲的數(shù)量，該后級會影響最終的噪聲系數(shù)。通過平衡 LNA 級中功耗與性能，我們在提高 VGA 性能的同時便可實現(xiàn)較低功耗設計（請參見圖 2）。 以前的多通道 VGA 借助一條趨勢線在功耗與輸入等效噪聲之間權(quán)衡?？梢允褂妹客ǖ纼H消耗 75 mW的設計來實現(xiàn)1.2 輸入等效噪聲，或?qū)崿F(xiàn) 0.7 輸入等效噪聲（如果每通道 150 mW 的功耗不過載功耗預算的話）。但是由于有了非常高效的低噪聲雙極結(jié)晶體管 （BJT），當今的 VGA 可以對前端進行優(yōu)化，從而在每通道僅為 63 mW 的情況下便可實現(xiàn) 0.8 的輸入等效噪聲。這就使得高性能成像系統(tǒng)在越來越小且更加便攜的同時功消耗更低的電能。

　　降低功耗

　　圖 3 隨采樣速率變化的功耗調(diào)節(jié)示例

　　ADC 也歷經(jīng)了類似的集成。許多現(xiàn)代設計都具有與 8 通道 VGA 相匹配的 8 個高速 ADC 通道，通常精度在 10～14 位之間，采樣速率在 40～-65 MSPS 之間。通過整合輸出標準（如雙倍數(shù)據(jù)速率低壓差分信號 （LVDS）），八通道 ADC 減少了每個 ADC 的輸出引腳數(shù)量，從而實現(xiàn)了更小的封裝尺寸。這還減少了 ADC 和數(shù)字處理引擎之間 I/O 線跡的數(shù)量，從而簡化了布局。 例如，8 個12 位 ADC 將需要96 個引腳和線跡來以并行 CMOS 格式輸出其數(shù)據(jù)。但是在每個 ADC 都使用了一個串行化的 LVDS 對以后，只需要 20 個引腳和線跡就足夠了（ADC 具有 8 個 LVDS 對，每個幀和位時鐘使用一個 LVDS 對）。

　　ADC 雖然大幅降低了功耗，但是不會影響它們在典型醫(yī)學成像應用中運行包絡的性能。由于醫(yī)學成像應用的噪聲和線性度的約束，高效放大器級通常為諸如鍺-硅之類的內(nèi)置工藝以充分利用低噪聲 BJT。這些工藝使典型響應頻率（從 DC 至 20 MHz）達到了最佳平衡——低噪聲、低功耗以及高線性度。相反，具有醫(yī)學成像所需典型采樣速率的高速 ADC 通常使用 CMOS 工藝進行構(gòu)建，因為該技術(shù)針對 10-14 位精度采樣速率高達 65 MSPS 或以上的轉(zhuǎn)換器在功耗與性能方面做了很好的權(quán)衡。