通過集成和功耗調(diào)節(jié)應(yīng)對超聲設(shè)計挑戰(zhàn)
發(fā)布時間:2018-01-09 來源:Rob Reeder,ADI公司應(yīng)用工程師 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在1990年代早期,尺寸與現(xiàn)代筆記本電腦接近的“便攜式”電話(有時也稱為“背包電話”)廣為使用。此后,不出二十年,口袋大小的手機已經(jīng)可以收發(fā)郵件和文字消息、拍照、查詢股票、預(yù)約,當(dāng)然還能給世界上任何地方的人打電話。與此類似,在醫(yī)療領(lǐng)域,早期所謂的“便攜式”超聲系統(tǒng)是推車式的,且在功耗較高、成本昂貴。幸運的是,超聲系統(tǒng)近年來也得益于芯片集成和功耗調(diào)整技術(shù)的突破。
這些技術(shù)突破催生了更便攜、更高效的超聲系統(tǒng),具有更佳的成像性能和更多的功能。更高的動態(tài)范圍、更低的功耗以及更緊湊的系統(tǒng)級IC提供了高質(zhì)量的圖像,可更好地進(jìn)行診斷。未來的超聲系統(tǒng)可能是手持式的,并成為醫(yī)師的第二個“聽診器”。
超聲信號鏈
圖1顯示了一個超聲系統(tǒng)信號鏈的簡化框圖。所有超聲系統(tǒng)都在相對較長電纜的末端使用換能器,電纜長度一般為兩米。此電纜至少包含8個——最多可達(dá)256個——微型同軸電纜,是系統(tǒng)中最昂貴的部件之一。在幾乎所有系統(tǒng)中,換能器基元都直接驅(qū)動電纜。電纜電容成為換能器基元的負(fù)載,引起很大的信號衰減。它需要一個高度靈敏的接收器來保持動態(tài)范圍和實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能。
圖1. 典型超聲信號鏈
在發(fā)射端(Tx路徑),波束成形器決定針對所需焦點而設(shè)定的脈沖序列延遲模式。然后,波束成形器的輸出由高壓發(fā)射放大器放大,以驅(qū)動換能器。這些放大器由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或者高壓FET開關(guān)陣列控制,將發(fā)射脈沖整形,以便更好地向換能器基元傳輸能量。在接收端,發(fā)射/接收(T/R)開關(guān)(通常是一個二極管電橋)阻擋高壓Tx脈沖。某些陣列會使用高壓(HV)多路復(fù)用器/解復(fù)用器來降低發(fā)射和接收硬件復(fù)雜度,但這樣會犧牲靈活性。
時間增益控制(TGC)接收路徑由低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成。VGA通常提供線性dB增益控制,與超聲信號反射衰減匹配。在操作人員的控制下,TGC路徑用于在掃描過程中保持圖像的均勻性。低噪聲LNA對于盡可能降低隨后的VGA噪聲分配極為關(guān)鍵。在需要輸入阻抗匹配應(yīng)用中,有源阻抗控制使噪聲性能最佳。
通過VGA將寬動態(tài)范圍的輸入信號壓縮,以滿足ADC的輸入范圍要求。LNA的折合到輸入端的噪聲限制了可分辨的最小輸入信號,而折合到輸出端的噪聲主要取決于VGA,它限制了特定增益控制電壓下可以處理的最大瞬時動態(tài)范圍。該限制是根據(jù)量化本底噪聲設(shè)定的,而量化本底噪聲由ADC的分辨率決定。早期的超聲系統(tǒng)基于10位ADC,但多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)使用12或14位ADC。
抗混疊濾波器(AAF)限制了信號帶寬,同時也抑制了ADC之前TGC路徑中的無用噪聲。
醫(yī)用超聲的波束成形是指信號的相位對準(zhǔn)和求和,這些信號由共同的信號源生成,但是由多基元超聲換能器在不同的時間點接收。在連續(xù)波多普勒(CWD)路徑中,對接收器通道進(jìn)行移相和求和,以提取相干信息。波束形成有兩個功能: 一個是為換能器定向,以提高其增益,另一個是定義人體內(nèi)的焦點,由該焦點得到回波的位置。
波束成形可以采用兩種不同的方法實現(xiàn):模擬波束成形(ABF)和數(shù)字波束成形(DBF)。ABF和DBF系統(tǒng)之間的主要區(qū)別在于完成波束成形的方式;這兩種方法都需要良好的通道間匹配。ABF使用模擬延遲線和求和,僅需要一個精密高分辨率、高速ADC。DBF系統(tǒng)是目前最受歡迎的方法,它使用“很多”高速、高分辨率ADC。DBF系統(tǒng)中的信號應(yīng)盡可能靠近換能器基元進(jìn)行信號采樣,然后將信號延遲并對其進(jìn)行數(shù)字求和。DBF架構(gòu)的簡化框圖如圖2所示。
圖2. 數(shù)字波束成形(DBF)系統(tǒng)簡化框圖
集成和分割策略
超聲系統(tǒng)具有如此多的通道和元器件,雖然技術(shù)已經(jīng)有了極大的進(jìn)步,仍屬于目前最復(fù)雜的系統(tǒng)。就像其他復(fù)雜系統(tǒng)那樣,有很多方法可以進(jìn)行系統(tǒng)分割。本節(jié)將回顧一些超聲分割策略。
早期的超聲系統(tǒng)采用模擬波束成形技術(shù),需要使用大量的模擬元器件。TGC和Rx/Tx路徑上的數(shù)字處理通過定制ASIC來實現(xiàn)。在多通道VGA、ADC和DAC廣泛使用之前,這種方法很常見。ASIC具有大量柵極,其數(shù)字技術(shù)未針對模擬功能(比如放大器和ADC)優(yōu)化。使用ASIC的系統(tǒng)很大程度上必須依賴于供應(yīng)商產(chǎn)品的可靠性。
ASIC、FPGA和DBF技術(shù)與分立式IC ADC和VGA結(jié)合使用是實現(xiàn)便攜性的第一步,但使用多通道(四通道和八通道)
TGC、ADC以及DAC讓尺寸與功耗得到大幅下降。這些多通道元器件可讓設(shè)計人員從數(shù)字電路中將敏感模擬電路分割到獨立電路板上。這樣可以縮減系統(tǒng)尺寸,并且有利于在多個平臺上重復(fù)利用電子電路。
然而,以高引腳數(shù)互連四通道和八通道VGA與ADC會讓PCB走線路由變得困難,某些情況下會迫使設(shè)計人員使用通道數(shù)較少的器件,比如從八通道ADC轉(zhuǎn)而使用四通道ADC。將大量多通道元器件放置在小面積內(nèi)還會導(dǎo)致散熱問題。進(jìn)行最佳分割可能會變得很有挑戰(zhàn)性。
完整TGC路徑采用多通道、多器件的進(jìn)一步集成使設(shè)計變得更加容易,因為PCB尺寸和功耗要求得以進(jìn)一步降低。隨著更高級集成方案的廣泛使用,成本、尺寸和功耗進(jìn)一步減小,便攜式系統(tǒng)的電池壽命更長。
這類架構(gòu)可以采用超聲子系統(tǒng)構(gòu)建(比如AD9271),它包含LNA、VGA、可編程抗混疊濾波器、12位ADC和八個TGC
通道的串行LVDS輸出。
最終的超聲解決方案可在探頭里集成更多的電子功能,并盡可能靠近換能器基元。記住,探頭基元的電纜會限制動態(tài)范圍,且成本高昂。如果前端電子元件更靠近探頭,那么電纜損耗的影響就會更小,降低LNA要求并進(jìn)而降低功耗。一種方法是將LNA移至探頭電子器件中。另一種方法是分割探頭和PCB電子器件的VGA控制。最終,系統(tǒng)尺寸更小,足夠裝進(jìn)超小型封裝中。這樣做的不足之處是設(shè)計人員又回到了原點,需要定制探頭。換言之,探頭/電子器件定制將使現(xiàn)代設(shè)計人員面臨以前使用數(shù)字ASIC的設(shè)計人員所面臨的同樣問題。
使用現(xiàn)代IC調(diào)節(jié)電源/性能
超聲涵蓋了范圍廣闊的各種應(yīng)用,因此系統(tǒng)設(shè)計人員所需要做的權(quán)衡取舍也更多。每一種診斷成像模式都有不足之處,通常是性能與功耗的權(quán)衡。現(xiàn)在,這些難題由可讓設(shè)計人員在IC內(nèi)部調(diào)節(jié)性能與功耗比的元器件所解決,從而縮短了產(chǎn)品上市時間。同樣,我們希望超聲子系統(tǒng)可以在IC內(nèi)部提供一系列選項,以便調(diào)節(jié)輸入范圍、偏置電流、采樣速率和增益。根據(jù)所要求的成像模式或探針類型,系統(tǒng)設(shè)計人員幾乎可以實時對設(shè)計的適用性進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié),并以最低的功耗提供最高的性能。
設(shè)計人員還可針對這些器件使用配置設(shè)計工具,從而可對各種單獨的探頭和圖像模式性能進(jìn)行評估,如圖3所示。系統(tǒng)設(shè)計人員可以快速做出這些權(quán)衡取舍,并直接在IC級別調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計。如此,便無需更改硬件并執(zhí)行復(fù)雜的圖像處理測試來驗證這些權(quán)衡取舍。
圖3. 超聲子系統(tǒng)配置工具圖形用戶界面
此外,配置工具還可將最優(yōu)配置參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字設(shè)置,并生成一個文件,將該器件的最終配置復(fù)制到系統(tǒng)中。
結(jié)論
在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中,超聲系統(tǒng)正在不斷向便攜性和低功耗發(fā)展。所有這類系統(tǒng)都具有相似的要求,并在近年來實現(xiàn)了集成和功耗調(diào)節(jié)創(chuàng)新。
集成式多通道器件的進(jìn)步體現(xiàn)在進(jìn)一步降低了功耗、尺寸和成本。無疑,最新的創(chuàng)新產(chǎn)品與配置工具可讓系統(tǒng)設(shè)計人員更輕松。這便為根據(jù)具體成像模式開發(fā)可配置和可進(jìn)行性能與功耗調(diào)節(jié)的多樣化超聲產(chǎn)品提供了途徑。
大多數(shù)超聲設(shè)備制造商的知識產(chǎn)權(quán)(IP)都集中在探頭和波束成形技術(shù)上。多通道集成的常用器件包括四通道和八通道ADC,它們可以最大程度減少高成本模擬元器件的使用,并降低費時費力的TGC通道校準(zhǔn)要求。超聲系統(tǒng)的其他部分還可進(jìn)一步集成。對更多的信號鏈部分進(jìn)行集成將進(jìn)一步降低功耗、尺寸和成本,同時提升處理能力。
參考文獻(xiàn)
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本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。
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