緊湊型超聲成像設備中的連續(xù)波多普勒設計挑戰(zhàn)

超聲系統(tǒng)中要求最苛刻的臨床診斷工具之一是連續(xù)波多普勒（CWD）。遺憾的是，為了最大限度地減少空間和成本而需要進行的設計權(quán)衡，導致CWD接收器的靈敏度低于最佳水平。通過分析當前一代CWD接收器性能有限的原因，設計人員可以利用集成方面的最新進展，從而產(chǎn)生高度集成的低功耗雙極性放大器和CWD混頻器/波束成形器芯片。這些下一代電路使新的CWD解決方案能夠提供不折不扣的診斷性能。

CWD 基礎知識

在典型的相控陣CWD方案中，64至128個可用的超聲探頭晶片被分成大約相等的兩半，圍繞探頭孔徑的中心。一半的元件用作發(fā)射器以產(chǎn)生聚焦的聲學CWD發(fā)射光束，另一半用作接收器以產(chǎn)生聚焦的接收光束。施加到發(fā)射元件的信號是目標多普勒頻率的方波，通常為1.0MHz至7.5MHz。通過正確定相施加到發(fā)射元件的信號來聚焦發(fā)射光束。以類似的方式，CWD接收信號通過對來自每個接收元件的信號進行定相和求和來聚焦。

由此產(chǎn)生的“波束成形”CWD接收信號是來自靜止組織的強信號（通常稱為雜波）和來自移動血液的弱得多的多普勒信號的組合。單個相控陣接收通道輸入端的典型雜波信號可高達200mVP-P，而折合到輸入端的接收器的本底噪聲可低至1nV/√Hz。這表明，要實現(xiàn)最佳接收機性能，每通道的SNR約為157dBc/Hz。

對于具有64個通道的典型假設CWD接收器，應該注意SNR要求是極端的。來自每個接收通道的噪聲不相干，因此，相加的64通道波束成形信號的本底噪聲將比單個通道的本底噪聲高出約18dB。然而，每個通道上的CWD信號是相干的，波束成形的CWD信號應比單個通道上的CWD信號大約36dB。這種“求和增益”效應導致所需的波束成形SNR比單個通道高約18dB，或約175dBc/Hz！更困難的是，目標低速多普勒信號可以在雜波信號的1kHz或更小范圍內(nèi)。人們可以很容易地理解為什么這種超聲模式如此難以有效實施。

基于延遲線的CWD波束成形

目前的緊湊型超聲系統(tǒng)通常使用模擬延遲線接收器實現(xiàn)CWD（圖1）。來自超聲波接收元件的輸入信號使用LNA緩沖并放大約20dB。這些LNA的輸出被轉(zhuǎn)換為電流，然后使用交叉點開關和模擬延遲線的組合在輸入RF頻率處形成波束。

圖1.基于CWD延遲線的接收器的簡化示意圖。

這種架構(gòu)在緊湊的系統(tǒng)中相對容易實現(xiàn)，因為它依賴于易于集成的電壓-電流轉(zhuǎn)換器、模擬開關、一些無源延遲線和單個I/Q混頻器對。每個接收器所需的延遲是通過對交叉點開關進行編程來實現(xiàn)的，以求和并通過延遲線中的適當抽頭路由電流信號。

然后將波束成形RF CWD信號混合到基帶I和Q音頻信號，因此I和Q信號可以進行帶通濾波，然后使用高分辨率音頻ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式以進行數(shù)字頻譜處理。RF至基帶混頻過程通常是該接收器陣容中的SNR瓶頸，也是CWD性能顯著下降的地方。在這個64通道的例子中，用于波束成形信號的I/Q射頻混頻器要求在1kHz偏移時具有大約175dBc/Hz的動態(tài)范圍。

具有這種性能的混音器極難找到或設計。此外，本振驅(qū)動信號必須具有極低的抖動性能。遺憾的是，沒有現(xiàn)成的邏輯系列具有接近此水平的性能。雖然延遲塊CWD波束成形器方案滿足緊湊型超聲系統(tǒng)的最低需求，但這些問題造成的性能限制可能很大。

基于混頻器的CWD波束成形

制作CWD系統(tǒng)的更高性能方法采用CWD混頻器/波束成型器，如圖2所示。在該實現(xiàn)中，為每個通道提供一個I/Q混頻器，波束成形求和發(fā)生在基帶而不是RF處。在此實現(xiàn)中，每個I/Q混頻器的LO相位可編程為n = 8至16相之一。改變LO的相位會改變接收信號的相位，從而實現(xiàn)波束成形。

圖2.低功耗雙極性LNA和CWD混頻器/波束成形器可以實現(xiàn)簡單、高性能的CWD接收器。

由于混頻器是按通道實現(xiàn)的，因此在1kHz偏移時，每個混頻器的SNR要求可以放寬至157dBc/Hz。該SNR仍然非?？量?，但可以使用雙極性混頻器和標準邏輯系列來實現(xiàn)。由于混頻器輸出是電流，并在音頻基帶頻率下無源求和，因此可以實現(xiàn)所需的波束成形CWD SNR。

基于混頻器的CWD波束成形解決方案

過去，由于集成不足，這種優(yōu)質(zhì)類型的CWD波束形成器架構(gòu)的實施對于大量超聲系統(tǒng)來說是不切實際的。情況已不再如此。對于要求不折不扣的CWD和成像性能的功耗敏感性較低的應用，集成雙極性八通道VGA具有可編程CWD混頻器/波束形成器通道。MAX2038 VGA如圖3所示。

圖3.這種簡化的單通道超聲接收器具有MAX2038和MAX2034。MAX2038集成8個VGA和CWD I/Q混頻器/波束成形器通道，MAX2034集成4個LNA通道。

對于功耗和空間要求較高的應用，有更新、集成度更高、功耗更低的方案，如圖4所示的MAX2078。該芯片包含完全集成的八通道接收器，在單個雙極性IC中集成了LNA、VGA、抗混疊濾波器和可編程CWD混頻器/波束形成器通道?，F(xiàn)在，更多種類的超聲系統(tǒng)可以實現(xiàn)出色的CWD性能，而不受以前與延遲線CWD架構(gòu)相關的限制。

圖4.MAX2078是超低功耗、八通道超聲接收器，帶CWD波束成形器，集成了8個高性能、低功耗超聲接收通道，包括LNA、VGA、抗混疊濾波器和完全可編程的I/Q混頻器/波束成形器。

應該注意的是，在任何CWD接收器的實現(xiàn)中，另一個潛在問題是LNA放大器的SNR性能。許多超聲系統(tǒng)設計人員都選擇了CMOS LNA來減小尺寸和功耗。雖然這些器件似乎適合該應用，但它們可能會限制CWD性能。對于采用小于0.35μm的CMOS幾何尺寸制造的放大器尤其如此。在這些較小的工藝節(jié)點中實現(xiàn)的電路通常具有較高的1/f噪聲，并且可能導致LNA增益的低頻調(diào)制，這是一種非常不希望的影響。

通過此類LNA的大RF CWD雜波信號將產(chǎn)生明顯的低頻調(diào)制噪聲，從而破壞SNR性能并降低CWD靈敏度。因此，像4通道MAX2034這樣的低功耗雙極性LNA通常更適合此類應用。

審核編輯：
郭婷