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超声波成像模拟前端设计技术

超声波成像是一种应用广泛的医疗成像方法。传统超声波成像系统使用2～

15MHz的频率，精度水平为毫米，已广泛应用于监控胎儿，以及诊断内脏疾病

等。在过去的20多年里，传统台式超声波系统主导了医疗超声波应用，这是由

于超声波系统的通道数量巨大和信号处理量大所致。人口老龄化、不断攀升的

保健费用和新兴经济的需求，都使得对创新医疗解决方案的需求日益增长。小

尺寸、低功耗且高性能的超声波模拟前端(AFE)和DSP都是超声波产品厂商

超声波成像是一种应用广泛的医疗成像方法。传统超声波成像系统使用2～

15MHz的频率，精度水平为毫米，已广泛应用于监控胎儿，以及诊断内脏疾病

等。在过去的20多年里，传统台式超声波系统主导了医疗超声波应用，这是由

于超声波系统的通道数量巨大和信号处理量大所致。人口老龄化、不断攀升的

保健费用和新兴经济的需求，都使得对创新医疗解决方案的需求日益增长。

小尺寸、低功耗且高性能的超声波模拟前端(AFE)和DSP都是超声波产品厂商所

需要的。更重要的是，超声波产品厂商想要一种能够通用于各种系统的设计，

从而可以最短化他们的开发周期并加速产品上市进程。

超声波系统结构

超声波系统因其功能和性能而各异。例如，一些高端系统通常具有3D、4D和谐

波成像模式，而一些低端系统可能只有2DB模式成像和频谱多普勒成像模式。

功能差异化主要取决于数字后端。高端超声波系统则要求更多、更快的高端

DSP计算资源调用，从而达到近乎实时的信号处理。很明显，在高端和便携式

系统之间共用信号处理单元十分困难。但是，在忽略不同性能要求的情况下，

超声波系统一般都具有类似的接收通道架构。

如图1所示，超声波系统接收模拟前端由常用模块组成，例如：低噪声放大器

(LNA)、时间增益控制(TGA)放大器、压控放大器(VCA)、可编程增益放大器

(PGA)、低通滤波器以及模数转换器(ADC)。在任何情况下，AFE的性能都会极

大地影响整个系统的性能。因此，只要在引脚对引脚兼容封装中存在满足不同

性能要求的AFE产品，那么AFE设计就可以被标准化，并在各种系统中得到重

用。这种标准化可在中低端系统中轻松地实现，这类系统无须特别的模拟信号

调节。

图1超声波系统结构图

然而，目前大多数的AFE产品都不能满足超声波产品厂商的这种需求。因此，

必须选择一些单独的芯片来满足袖珍型和台式系统的各种性能要求。例如，台

式系统或许允许有较高的功耗，但必须要实现更低的噪声，反之亦然，因此必

须进行重新设计。

诸如TIAFE5805的一些新型AFE器件保持了相同的外引脚。其目标应用为便携

式和台式的各种超声波系统。引脚对引脚兼容性将允许超声波产品厂商能够在

极大节省成本和快速投放市场的情况下标准化AFE设计并设计出创新性产品。

模拟前端特性与系统性能的关系

要时刻谨记设计超声波系统是一件复杂的事情，而AFE的每一个特性都会影响

整个系统的性能。为每一种系统类别平衡选择各种参数的能力毫无疑问是一种

艺术。

就便携式超声波系统而言，功耗是一个关键的考虑因素。低功耗意味着更低的

电池电量可提供更长的运行时间。但是，其会影响其他参数，例如，输入信号

范围、输入等效噪声、谐波失真等，尽管这些性能降低通常对于便携式（低

端）系统而言是可以接受的。

除功耗以外，AFE噪声是超声波系统设计人员需要考虑的第二个因素。超声波

变送器的接收信号量级可能会在10μVPP～1VPP之间变化。能够探测到的信号

越小，系统的灵敏度也就越高。输入等效电流和输入等效电压噪声都会影响系

统灵敏度。一般而言，0.7～1.5nV/rt(Hz)(RTI)的噪声参数用于从高端到低端

的系统。

一些具体系统应用证实这些噪声参数足以产生高质量的图像。虽然可以使用一

款更低噪声的放大器，但是其对最终超声波图像质量并无显著提高，因为需要

考虑输入等效电流噪声和发射/接收(T/R)开关的噪声。除输入等效电压噪声以

外，闪烁噪声（即1/f噪声）也是成像应用中的一个重要因素。在存在混频的

连续波(CW)模式下，低频噪声频谱移至载波频率，从而降低了相关频率的信噪

比(SNR)。具有白噪声性能的放大器优于其宽泛的工作频率。

在一些超声波应用中，增益控制范围在达到图像动态范围的过程中起着重要的

作用。当VCA具有更高的增益控制范围时，最终图像也就拥有一个更宽泛的动

态范围，从而得到更高的图像质量。组合ADC的SNR，系统的动态范围可由以

下方程式计算得出：

动态范围=S