基于半导体芯片的超声波发送器系统的应用研究

作者：Ismail Oguzman，Arash Loloee

医学成像领域正极大地受益于应用物理和电子学的研究和发展，特别是在诸如仪表设备、影像采集和建模等领域。由于具有完全无创伤性，超声波在各种成像模式中占有特别的位置，其为内脏器官研究提供了一种可靠的方法。超声波技术用于医疗目的已有半个多世纪。然而，这种必需的设备体积庞大且价格昂贵，直到最近才专门使用一些分立器件来制造。

由于半导体工艺技术的进步，这种趋势正在发生变化。现在，可以完全使用半导体IC来制造超声波收发器。更低电压的IC技术现在让具有显著高增益和低噪声性能的超声波接收机芯片成为现实。同样地，在更高电压端，人们日益关注驱动超声波变送器的发送器IC的制造。本文概述了超声波发送器芯片设计的一些进展及其存在的诸多挑战。

超声波系统概述：发送和接收功能

简而言之，超声波系统的工作原理是产生用于患者身上的声波，然后接收并处理反射信号来形成患者身体的影像。发送至身体内的原始声波由一个变送器产生，其一般由发送器产生的电脉冲激发。类似地，反射声波由变送器接收，然后转换回电形式，最后对得到的信号进行处理，以确定相关身体部位的内部结构。

图1显示了一个完整医疗超声波系统的典型构造。发送路径的实现可以有几种不同的方法。该路径可能由一个波束形成器以及许多电平转换器、栅极驱动器和高压开关组成，其输出被发送给超声波变送器。一般而言，变送器由压电材料制造，其将高压电信号转换为声波，即系统的最终输出。

一些系统中，在通过数字逻辑驱动输出级的发送路径中，从始至终都得到保持信号的数字属性。然而，您也可以以一种模拟方式创建并发送信号到变送器。其涉及一个将波束形成器输出转换为模拟格式的数模转换器（DAC）。然后，在将其发送到变送器以前，模拟放大被用于产生的信号。

超声波系统的接收路径方面，使用了一种模拟方法。因为接收信号的振幅远低于发送信号，因此前端包括一个低噪声放大器，其后为某种增益控制模块。滤出非相关高频部分以后，得到的信号通过一个模数转换器（ADC）转换为数字形式，而该模数转换器的输出则由波束形成器来处理。

超声波收发器系统的其他重要部分包括一个对多个通道活动进行交互的多路复用器，以及一个控制变送器和收发器电子元件之间信号流量的收/发开关。收/发开关的一个关键功能是在发送事件期间保护接收机，因为发送事件涉及过高的发送线路电压，其远高出接收机模块的承受能力。

超声波系统要求：发送路径挑战电压范围和工作频率

到目前为止所描述的超声波系统可以产生各种信号图像来满足不同成像模式的要求。在极端范围下，您可以获得B型显示和谐波成像应用要求的高压（60～100V）、低占空比（0.5～2.0%）信号。在另一种极端情况下，可以获得连续波（CW）多普勒型成像模式要求的低压（3～10V）、100%占空比信号。

这就是说，在1～20MHz基频范围时，相应占空比条件下，要求超声波系统的发送器电路产生±3V〜±100V的输出电压。

很明显，发送器输出的±100V需要一些高压开关。当发送器包括一个IC时，这种要求转变为高压晶体管，并对其优化以承受大电场。同样，它们在低压（《10V）下表现不佳，而这种低压一般用于CW运行。设计一个发送器来满足电压范围极远端的产品规范仍然，存在一个严峻的挑战。

输出电压的宽范围并非是制造超声波发送器器件方面的唯一难题，还有更多的挑战。

转换速率

根据先前提及的电压摆幅和工作频率范围，发送器可能必须产生高达8V/ns的转换速率。结合代表变送器的100Ω和300pF典型并行负载，可知发送器在最为苛刻的情况下会提供接近3A的瞬态电流（见图2）。

谐波失真

超声波发送器的理想输出是一种正弦信号，其满足了最高电压振幅和工作频率要求。您可以生成一个矩形脉冲，而非创建这种难以生成的模拟信号。受限于变送器的低通滤波特性以后，这种脉冲被降低至仅其谐波的前几个。其余偶次谐波中，第二个谐波一般为罪魁祸首。因此，第二谐波的抑制量成为超声波发送器的主要品质因数。

脉冲对称性和归零

我们可以直观地理解超声波发送器输出的对称性要求。然而，这里需要深入理解的是输出信号不必为一个长脉冲群。它可能包括一个单正极和负极脉冲对，脉冲对的前后均为0V。同样，信号归至0V的质量变得至关重要。有时，它被称为“阻尼”函数（见图3），并对一些超声波模式产生巨大的影响，例如，人体非线性为主要信息源的谐波成像等。

因此，由正脉冲归至0V与由负脉冲归至0V的对称性以及它们发生速度的快慢成为决定输出信号线性质量的因素。

导通电阻

导通状态下输出晶体管的电阻对超声波发送器的运行至关重要。首先，导通电阻与负载一起决定了输出信号的升降时间，其设定可达到的输出频率。其次，它直接影响功耗。根据前面提到的电压和电流范围，在超声波发送事件期间，会出现大量的功耗。这种功耗的程度取决于 B 模式显示或谐波成像等情况的高压和低占空比与CW多普勒型成像模式的低压和持续工作之间的相互作用。

超声波发送器系统的其他重要性能参数还包括输出信号抖动和相位噪声，以及通道之间的延迟匹配。

半导体的出现

过去几十年，半导体技术一直都是通信和计算机行业进步的基础。现在，它们即将给医疗技术带来类似的突破，特别是在成像应用中。超声波也不例外，它见证了从习惯使用的分立系统转至完全集成的半导体芯片型解决方案这样一场正在进行的运动。由于其固有的高速、低功耗和小体积等优势，半导体IC可以帮助医学成像厂商缩短其产品上市时间、实现终端设备的便携性、提高产品可靠性和性能，同时保持成本的可控性。

现在，可以通过单片IC解决方案来实现收/发以及收/发开关功能。目前可用的一些IC发送器均能够产生高达8V/ns转换速率的±100V 输出电压，以及低于40dBc的第二谐波失真。通过有源阻尼架构，可以实现脉冲对称性和快速归零。例如，TI的TX734是一款±90V、±2A、3级、 4通道、具有有源阻尼功能的集成发送器。该集成超声波脉冲发生器与AFE5851（一款16通道模拟前端芯片）和TX810（一款8通道收/发开关）均为超声波系统IC解决方案的例子。

结论

过去几十年，医学成像领域取得了许多重大进步。超声波技术在这些进步中扮演一种特别的角色，经证明其为诸多应用的一种通用诊断工具。这些应用范围广泛，从产科学到血管成像，到一些程序中的针头引导，甚至包括某些良性和恶性肿瘤的治疗。半导体IC技术正以一种越来越快的步伐支持这种发展。由于各种IC的出现，实现了超声波系统的所有主要功能，从而让广大临床医生和其他用户都能够享受到便携性、高图像分辨率和高产品可靠性等重要技术进步。

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