前置放大器、VGA和高速ADC的多通道集成提供了更好的動態范圍和更好的超聲圖像質量。更低的功耗和更小的尺寸可以為低成本的便攜式設備帶來這些改進。

在當今的超聲市場中，便攜性和性能是系統設計人員的關鍵指標。便攜性突破了系統的界限，以滿足消費者對“口袋”和便攜式復雜工具的需求，而性能需求決定了整個系統的動態范圍。更高的動態范圍或更低的噪聲可提供更高質量的圖像，從而實現更好的診斷。為醫生和臨床醫生提供高性能的便攜式超聲機器對系統設計人員和系統內使用的組件提出了更高的要求。

本文將回顧提供基于性能的便攜式產品時必須解決的前期考慮因素，這些產品為超聲系統設計人員提供了將新成像產品推向全球市場所需的靈活性。

系統權衡

超聲系統仍然很復雜，盡管多年的研究和開發已經產生了重大的技術進步。與其他復雜系統一樣，存在許多系統分區方法。

多年來，制造商通過設計自己的定制專用集成電路（ASIC）來實現這些復雜的系統。該解決方案通常由兩個ASIC組成，它們實現了大部分時間增益壓縮（TGC）和接收/發送（Rx/Tx）路徑，如圖1所示。

圖1.超聲信號處理通道的ASIC方法。

在多通道壓控放大器（VGA）、模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）普及之前，這種方法很常見。定制電路允許設計人員集成低成本、靈活的功能，隨著時間的推移可以節省成本，因為將大部分信號鏈集成到其中可以最大限度地減少外部元件的數量。

不幸的是，隨著時間的推移，通過這些平版印刷技術獲得的技術在規模和功耗方面都顯示出它的年齡。ASIC具有大量門，但其數字技術尚未經過優化，無法成功實現高性能ADC等模擬功能。由于供應商數量有限，ASIC也限制了系統設計人員。

盡管使用這種分區方法可以實現高性能映像，但在便攜性、大小和功耗方面并不是最佳的。四通道和八通道TGC、ADC和DAC的出現使尺寸和功耗得以減小，但不影響性能，從而為這些市場帶來了新的系統方法和新的參與者。

多通道組件允許設計人員將器件更緊密地連接在一起，從而增加系統中的通道數量。它們還允許設計人員在兩個或多個電路板之間劃分敏感電路以完成系統。這允許在許多平臺開發中有效地重用電子電路。

請注意，隨著通道數的增加，這會導致動態范圍的改善。實際上，噪聲可以在系統中被視為不相關。通過將系統中的通道數加倍，噪聲減半，動態范圍增加3 dB。因此，與 64 通道系統相比，12 通道系統的動態范圍可提高多達 16dB。但也存在缺點：通道數的增加會使印刷電路板（PCB）走線布線成為一場噩夢，迫使設計人員在某些情況下使用較少的通道數器件。這也給機械設計人員帶來了新的熱挑戰，增加了系統成本和風扇噪音。

如今，IC制造商能夠集成完整的多通道TGC路徑，如圖2所示。多通道、多元件集成使設計方法更容易，在不犧牲性能的情況下減小了PCB尺寸和功耗。隨著更高級別的集成方案變得越來越占主導地位，成本、尺寸和功耗降低方面的優勢再次隨之而來，從而減少系統中的熱量并延長電池壽命。

圖2.多通道設計中常用的集成路徑。

ADI公司的AD9272/AD9273等超聲子系統集成了低噪聲放大器（LNA）、VGA、抗混疊濾波器（AAF）、ADC和交叉點開關，可實現完整的時間增益壓縮路徑，這是超聲系統中最常見的接收器路徑。這兩款器件為系統設計人員提供了以性能換取功耗的靈活性：高性能AD9272具有低噪聲（0.75nV/√Hz），而低功耗AD9273在100 MSPS時每個TGC通道的功耗僅為40 mW。由于引腳數量和外殼尺寸至關重要，因此引腳兼容器件采用串行I/O。與多芯片解決方案相比，緊湊的 14 mm × 14 mm × 1.2 mm 封裝可將每通道面積和功耗降低 33% 以上。

大多數超聲公司都承認，他們的關鍵知識產權（IP）在于探頭和波束成形技術。多通道IC正迅速成為商品器件，結束了高成本組件，以及完成系統并獲得額外性能或節省功耗所需的單個TGC路徑的無休止的調整和優化。正在考慮進一步整合超聲系統的其他部分;研究表明，如果前端電子器件離探頭更近，探頭損耗會更小，信號靈敏度會更高，從而使系統設計人員能夠放寬對前端組件（LNA/VGA）的要求。信號鏈這些部分的集成可能被證明是有益的。

超聲趨勢

由于如此多的應用需要超聲技術，因此對性能和便攜性的要求很高。性能驅動的應用程序（如心臟病學和 4-D 圖像處理）包含最多的通道、功能和選項。功率不是驅動因素，因為這些系統用于患者的床邊、手術室套件或護士分診，但性能是關鍵，因為這些系統用于人類診斷。

便攜式超聲提供了一系列不同的應用機會，特別是在可靠電力稀缺或不存在的地方，例如偏遠的鄉村診所、緊急醫療服務、動物養殖、橋梁和大型機械檢查。

超聲系統一般可分為三類：高端、中端和低端。高端超聲系統處于最新技術和市場功能的最前沿，產生最好的圖像，并且價格更高。中端系統通常具有高端超聲系統提供的功能子集，而不會在圖像質量上做出太多犧牲。低端系統進一步縮小，在某些情況下，服務于特定的應用，可以是臨床或其他應用。技術進步帶來的趨勢表明，低端系統開始趕上中端系統的圖像質量，使診斷變得精確、無創和及時。

超聲設計的新工具

超聲波涵蓋了各種不同的應用，因此系統設計人員必須做出的權衡已經增加。每種模式都有限制，這些限制通常由性能與功耗來定義。如今，這些挑戰已經通過允許設計人員擴展IC內性能與功率比的組件來應對，從而縮短上市時間。ADI公司的AD927x在IC內提供大量可配置性，以調整輸入范圍、偏置、采樣速率和增益。根據所需的成像模式或探頭類型，系統設計人員可以實時適當地對設計進行系統擴展，以最小的功耗提供最大的性能。

在典型應用中，系統需要從產生5.0 Vpp信號的5 MHz探頭采集圖像。如果LNA的噪聲為0.86 nV/√Hz，或整個通道為1.4 nV/√Hz，并且源端接為50歐姆，則系統的輸入動態范圍將為92 dB，從而產生3.8 dB的噪聲系數（NF）。這意味著輸出動態范圍為66.3 dB，使系統設計人員能夠保持最佳性能，同時在191 MSPS時僅消耗40 mW/通道。

如果系統性能超出預期，系統設計人員可能會決定在系統中將輸入動態范圍降低2 dB是合理的。如果節省 50 mW 通道。系統設計人員可以試驗增益、偏置、端接和其他參數，看看這是否可行，但在更改所有這些參數時，可能很難理解系統的權衡。

圖形配置工具（例如ADI公司為其AD927x系列提供的圖形配置工具圖4）使系統設計人員能夠方便地評估性能。在該工具中，所有系統功能都已到位，使系統設計人員能夠快速做出這些權衡，并將系統擴展直接推入IC級。因此，設計人員不再需要更改實際硬件，也不再需要進行繁瑣的圖像處理測試來驗證這些權衡。此外，配置工具會將優化的配置參數轉換為數字設置，并生成一個文件，該文件可以復制零件的最終系統配置設置。

圖4.AD9272/9273圖形配置工具

結論

如今，集成多通道設備的進步進一步推動了系統的靈活性。毫無疑問，新的創新產品和配置工具使系統設計人員的生活更輕松。這為開發多樣化的超聲產品提供了一種方法，這些產品在性能與功耗方面是可配置和可擴展的，具體取決于成像模式。

審核編輯：郭婷