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超聲波設(shè)備的發(fā)送器

發(fā)布時間:2010-05-05

中心議題:
  • 超聲波系統(tǒng)概述
  • 超聲波系統(tǒng)發(fā)送路徑挑戰(zhàn)電壓范圍和工作頻率
解決方案:
  • 超聲波發(fā)送器的理想輸出是一種正弦信號
  • 發(fā)送器必須產(chǎn)生高達8V/ns的轉(zhuǎn)換速率
  • 輸出晶體管的電阻對超聲波發(fā)送器的運行至關(guān)重要

醫(yī)學成像領(lǐng)域正極大地受益于應(yīng)用物理和電子學的研究和發(fā)展,特別是在諸如儀表設(shè)備、影像采集和建模等領(lǐng)域。由于具有完全無創(chuàng)傷性,超聲波在各種成像模式中占有特別的位置,其為內(nèi)臟器官研究提供了一種可靠的方法。超聲波技術(shù)用于醫(yī)療目的已有半個多世紀。然而,這種必需的設(shè)備體積龐大且價格昂貴,直到最近才專門使用一些分立器件來制造。

由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進步,這種趨勢正在發(fā)生變化。現(xiàn)在,可以完全使用半導(dǎo)體IC來制造超聲波收發(fā)器。更低電壓的IC技術(shù)現(xiàn)在讓具有顯著高增益和低噪聲性能的超聲波接收機芯片成為現(xiàn)實。同樣地,在更高電壓端,人們?nèi)找骊P(guān)注驅(qū)動超聲波變送器的發(fā)送器IC的制造。本文概述了超聲波發(fā)送器芯片設(shè)計的一些進展及其存在的諸多挑戰(zhàn)。

超聲波系統(tǒng)概述:發(fā)送和接收功能

簡而言之,超聲波系統(tǒng)的工作原理是產(chǎn)生用于患者身上的聲波,然后接收并處理反射信號來形成患者身體的影像。發(fā)送至身體內(nèi)的原始聲波由一個變送器產(chǎn)生,其一般由發(fā)送器產(chǎn)生的電脈沖激發(fā)。類似地,反射聲波由變送器接收,然后轉(zhuǎn)換回電形式,最后對得到的信號進行處理,以確定相關(guān)身體部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1顯示了一個完整醫(yī)療超聲波系統(tǒng)的典型構(gòu)造。發(fā)送路徑的實現(xiàn)可以有幾種不同的方法。該路徑可能由一個波束形成器以及許多電平轉(zhuǎn)換器、柵極驅(qū)動器和高壓開關(guān)組成,其輸出被發(fā)送給超聲波變送器。一般而言,變送器由壓電材料制造,其將高壓電信號轉(zhuǎn)換為聲波,即系統(tǒng)的最終輸出。


圖1完整醫(yī)療超聲波系統(tǒng)的典型構(gòu)造圖

一些系統(tǒng)中,在通過數(shù)字邏輯驅(qū)動輸出級的發(fā)送路徑中,從始至終都得到保持信號的數(shù)字屬性。然而,您也可以以一種模擬方式創(chuàng)建并發(fā)送信號到變送器。其涉及一個將波束形成器輸出轉(zhuǎn)換為模擬格式的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。然后,在將其發(fā)送到變送器以前,模擬放大被用于產(chǎn)生的信號。

超聲波系統(tǒng)的接收路徑方面,使用了一種模擬方法。因為接收信號的振幅遠低于發(fā)送信號,因此前端包括一個低噪聲放大器,其后為某種增益控制模塊。濾出非相關(guān)高頻部分以后,得到的信號通過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式,而該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出則由波束形成器來處理。

超聲波收發(fā)器系統(tǒng)的其他重要部分包括一個對多個通道活動進行交互的多路復(fù)用器,以及一個控制變送器和收發(fā)器電子元件之間信號流量的收/發(fā)開關(guān)。收/發(fā)開關(guān)的一個關(guān)鍵功能是在發(fā)送事件期間保護接收機,因為發(fā)送事件涉及過高的發(fā)送線路電壓,其遠高出接收機模塊的承受能力。

超聲波系統(tǒng)要求:發(fā)送路徑挑戰(zhàn)電壓范圍和工作頻率


到目前為止所描述的超聲波系統(tǒng)可以產(chǎn)生各種信號圖像來滿足不同成像模式的要求。在極端范圍下,您可以獲得B型顯示和諧波成像應(yīng)用要求的高壓(60~100V)、低占空比(0.5~2.0%)信號。在另一種極端情況下,可以獲得連續(xù)波(CW)多普勒型成像模式要求的低壓(3~10V)、100%占空比信號。

這就是說,在1~20MHz基頻范圍時,相應(yīng)占空比條件下,要求超聲波系統(tǒng)的發(fā)送器電路產(chǎn)生±3V?±100V的輸出電壓。

很明顯,發(fā)送器輸出的±100V需要一些高壓開關(guān)。當發(fā)送器包括一個IC時,這種要求轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏壕w管,并對其優(yōu)化以承受大電場。同樣,它們在低壓(<10V)下表現(xiàn)不佳,而這種低壓一般用于CW運行。設(shè)計一個發(fā)送器來滿足電壓范圍極遠端的產(chǎn)品規(guī)范仍然,存在一個嚴峻的挑戰(zhàn)。

輸出電壓的寬范圍并非是制造超聲波發(fā)送器器件方面的唯一難題,還有更多的挑戰(zhàn)。
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轉(zhuǎn)換速率

根據(jù)先前提及的電壓擺幅和工作頻率范圍,發(fā)送器可能必須產(chǎn)生高達8V/ns的轉(zhuǎn)換速率。結(jié)合代表變送器的100Ω和300pF典型并行負載,可知發(fā)送器在最為苛刻的情況下會提供接近3A的瞬態(tài)電流(見圖2)。


圖2±100V電源時典型的超聲波發(fā)送器輸出,以及流入100Ω和300pF并行負載的相應(yīng)瞬時電流

諧波失真

超聲波發(fā)送器的理想輸出是一種正弦信號,其滿足了最高電壓振幅和工作頻率要求。您可以生成一個矩形脈沖,而非創(chuàng)建這種難以生成的模擬信號。受限于變送器的低通濾波特性以后,這種脈沖被降低至僅其諧波的前幾個。其余偶次諧波中,第二個諧波一般為罪魁禍首。因此,第二諧波的抑制量成為超聲波發(fā)送器的主要品質(zhì)因數(shù)。

脈沖對稱性和歸零

我們可以直觀地理解超聲波發(fā)送器輸出的對稱性要求。然而,這里需要深入理解的是輸出信號不必為一個長脈沖群。它可能包括一個單正極和負極脈沖對,脈沖對的前后均為0V。同樣,信號歸至0V的質(zhì)量變得至關(guān)重要。有時,它被稱為“阻尼”函數(shù)(見圖3),并對一些超聲波模式產(chǎn)生巨大的影響,例如,人體非線性為主要信息源的諧波成像等。


圖3快速歸零(阻尼)函數(shù)

因此,由正脈沖歸至0V與由負脈沖歸至0V的對稱性以及它們發(fā)生速度的快慢成為決定輸出信號線性質(zhì)量的因素。

導(dǎo)通電阻

導(dǎo)通狀態(tài)下輸出晶體管的電阻對超聲波發(fā)送器的運行至關(guān)重要。首先,導(dǎo)通電阻與負載一起決定了輸出信號的升降時間,其設(shè)定可達到的輸出頻率。其次,它直接影響功耗。根據(jù)前面提到的電壓和電流范圍,在超聲波發(fā)送事件期間,會出現(xiàn)大量的功耗。這種功耗的程度取決于B模式顯示或諧波成像等情況的高壓和低占空比與CW多普勒型成像模式的低壓和持續(xù)工作之間的相互作用。

超聲波發(fā)送器系統(tǒng)的其他重要性能參數(shù)還包括輸出信號抖動和相位噪聲,以及通道之間的延遲匹配。

半導(dǎo)體的出現(xiàn)

過去幾十年,半導(dǎo)體技術(shù)一直都是通信和計算機行業(yè)進步的基礎(chǔ)?,F(xiàn)在,它們即將給醫(yī)療技術(shù)帶來類似的突破,特別是在成像應(yīng)用中。超聲波也不例外,它見證了從習慣使用的分立系統(tǒng)轉(zhuǎn)至完全集成的半導(dǎo)體芯片型解決方案這樣一場正在進行的運動。由于其固有的高速、低功耗和小體積等優(yōu)勢,半導(dǎo)體IC可以幫助醫(yī)學成像廠商縮短其產(chǎn)品上市時間、實現(xiàn)終端設(shè)備的便攜性、提高產(chǎn)品可靠性和性能,同時保持成本的可控性。

現(xiàn)在,可以通過單片IC解決方案來實現(xiàn)收/發(fā)以及收/發(fā)開關(guān)功能。目前可用的一些IC發(fā)送器均能夠產(chǎn)生高達8V/ns轉(zhuǎn)換速率的±100V輸出電壓,以及低于40dBc的第二諧波失真。通過有源阻尼架構(gòu),可以實現(xiàn)脈沖對稱性和快速歸零。例如,TI的TX734是一款±90V、±2A、3級、4通道、具有有源阻尼功能的集成發(fā)送器。該集成超聲波脈沖發(fā)生器與AFE5851(一款16通道模擬前端芯片)和TX810(一款8通道收/發(fā)開關(guān))均為超聲波系統(tǒng)IC解決方案的例子。

過去幾十年,醫(yī)學成像領(lǐng)域取得了許多重大進步。超聲波技術(shù)在這些進步中扮演一種特別的角色,經(jīng)證明其為諸多應(yīng)用的一種通用診斷工具。這些應(yīng)用范圍廣泛,從產(chǎn)科學到血管成像,到一些程序中的針頭引導(dǎo),甚至包括某些良性和惡性腫瘤的治療。半導(dǎo)體IC技術(shù)正以一種越來越快的步伐支持這種發(fā)展。由于各種IC的出現(xiàn),實現(xiàn)了超聲波系統(tǒng)的所有主要功能,從而讓廣大臨床醫(yī)生和其他用戶都能夠享受到便攜性、高圖像分辨率和高產(chǎn)品可靠性等重要技術(shù)進步。
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