MAX11905 ADC在超声成像系统中的应用

本应用笔记讨论了MAX11905 ADC在超声成像系统中的应用。它还讨论了ADC所需的性能，以便为人体血液的速度测量提供最佳结果。

介绍

近年来，超声接收器的性能有了显着提高。这些先进的技术得益于高信噪比（SNR）和低功耗ADC技术，使用户能够使用高分辨率20位或更高ADC，如MAX11905。此外，低输入电压噪声密度放大器可用于驱动这些ADC，并与它们配对以提供最佳性能。当这些高SNR ADC与低噪声驱动器放大器耦合时，总SNR和总谐波失真（THD）将得到极大改善。新的高信噪比和低THDADC显著增强了医疗超声系统中的CWD性能。本应用笔记概述了如何使用超声测量血流量，并讨论了CWD超声系统应用中使用的ADC为实现所需成像解决方案所需的性能。

概述

图1显示了超声成像系统的典型框图。该系统通常由换能器、高压多路复用、高压发射器、图像路径接收器、数字波束成形器、波束成形数字信号处理和显示处理组成。相控阵超声系统可以生成内部器官和结构的图像，测量CWD部分的血流量，并通过将声能传输到体内并接收和处理返回的反射来提供高度准确的血流速度信息。毫无疑问，超声成像是最常执行和最可靠的医学成像程序之一，包括使用CWD测量血流，CWD连续分析从换能器发射并反射回来的超声波。然后可以根据滴管效应计算血流速度，类似于雷达速度探测器中使用的技术，并由治安官员用来确定车辆的移动速度。

图1.超声成像系统的典型框图。

多普勒效应

根据众所周知的多普勒效应，声波或光波从声源传播的频率与它们到达观察者的频率之间存在明显的差异，这是由观察者和波源的相对运动产生的。当超声波源静止时，检测到的频率与发射频率相同。但是，如果波源在运动中，则观察到的频率会发生变化。如果观察者向静态源移动，则会检测到频率增加。同样，如果观察者远离静态源，则会看到频率降低。然后可以根据该频率的变化计算速度，如公式1所示，该公式在治安官员广泛用于检查移动车辆速度的速度检测器中实现。有关更多信息，请参阅多普勒效应。

VH= fD× C / （2 × fT）

其中，

VH： 车速

fD： 多普勒频移频率

C： 光

速 fT：发射频率

基于这种著名的多普勒效应的相同技术也用于超声医疗应用，例如CWD，这是大多数心脏和通用超声成像系统中可用的方法，用于精确测量通常在心脏中发现的血流速度。多普勒效应是一种非常灵敏和准确的运动探测器。因此，它不仅可以用于研究血流，还可以用于测量组织运动。CWD的工作原理是超声波的持续发射和接收，这可以通过两个专用于发送和接收超声波信号的换能器元件来实现，如图1所示。此外，多普勒图像也是实时生成的，这使得它们对超声应用非常有用。

对于医疗应用，变送器的来源是超声波，而不是等式2所示的光。

VB= fD× Vs/ （2 × fT）

其中，

VB： 血流速度

fD： 多普勒频移频率

VS： 超声波

速度 fT：发射频率

VS= 1540米/秒和华氏度T= 2MHz至18MHz是典型的已知值。因此，一旦获得多普勒频移频率，就可以确定血流速度VB。MAX11905专门设计用于测量这种频率偏移。

例如，如果 VS=1540米/秒，FT=2MHz 和 fD=500Hz （由MAX11905 ADC测量），血流速度测定如下：

VB= fD× VS/ （2 × fT）

VB= 500 × 1540 / （2 × 2 × 106）

VB= 19.25厘米/秒

使用MAX11905进行精密频率测量

CWD接收器通常采用图1所示的两种方式之一。在一种方法中，高性能超声系统通常在低噪声放大器（LNA）输出端提取接收到的CWD信号。然后，使用本振（LO）频率等于发射频率的复数混频器对信号进行波束成形，并将其混频到基带进行处理。I/Q LO的相位可以逐通道调整，以改变接收到的CWD信号的相位。然后对这些混频器的输出信号求和，带通滤波，并由ADC转换。由此产生的基带波束成形信号频率范围通常为100Hz至50kHz。因此，采用该输入频率范围设计的ADC（如MAX11905）可以接受高于100KHz的输入频率，用于对I和Q CWD信号进行数字化处理。这些ADC需要以下特性才能获得最佳性能：

精密测量：为了精确测量频率，需要具有16位分辨率或更高分辨率且采样速率至少为最大信号频率10倍的ADC，例如MAX11905 20位、1.6Msps ADC。此外，为了提供最佳的输入信号调理，使用高速和低噪声放大器（如MAX4430）来驱动ADC。

低功耗：超声CWD接收器是便携式的，如图2所示。此外，一个典型的系统有多达几百个发射器和接收器。因此，低功耗非常重要。

高动态范围：ADC需要较大的动态范围来处理来自移动组织的大多普勒信号和来自血液的较小信号。此外，人体非线性过程产生的谐波信号，特别是二次谐波信号很强。因此，ADC必须能够抑制这些谐波。

高信噪比：ADC需要高信噪比来平衡人体中的高信号衰减。

小尺寸：超声CWD接收器是便携式的。因此，尺寸确实很重要。

MAX11905专门设计用于满足这五个要求，使其成为可靠、精密超声应用的理想ADC。

MAX11905为20位、1.6Msps、单通道、全差分逐次逼近寄存器（SAR）ADC，内置基准缓冲器。该器件采用超低功耗设计，可直接随采样速率进行缩放，在 1.6Msps 时仅 9mW，如图 3 所示。此外，该ADC还提供出色的静态和动态性能，高SNR约为98.4dB，低THD约为-123dB，如图4所示。此外，MAX11905采用4mm x 4mm小封装。

图3.MAX11905电流消耗与采样速率的关系

图4.MAX11905 THD性能维护应用

结论

为了准确测量医疗超声系统中的血流量，需要MAX11905等精密ADC。该器件具有20位分辨率和1.6Msps的高采样率，专门设计用于精确捕获和测量来自CWD接收器的频率信号。此外，MAX11905 ADC可接受大于100KHz的输入信号频率，可提供出色的静态和动态性能，设计用于接受全差分输入信号，以提供所需的高SNR。此外，MAX11905具有极低的功耗和小封装，这对于便携式医疗系统至关重要。

审核编辑：郭婷