接收器在LNA之后還有一個(gè)單獨(dú)的連續(xù)波多普勒（CWD）接收器/波束形成器路徑。在CWD模式下，接收器的動(dòng)態(tài)范圍要求非常苛刻，超出了VGA/ADC信號(hào)路徑的范圍。CWD波束成形可以通過將接收信號(hào)與適當(dāng)相位的本振（LO）混合并將產(chǎn)生的基帶信號(hào)相加來實(shí)現(xiàn)。因此，CWD接收器博克由高動(dòng)態(tài)范圍模擬同相/正交相位（I/Q）混頻器和可編程LO發(fā)生器組成。

正如人們所看到的，典型的收發(fā)器具有重要的功能，將128個(gè)或更多的收發(fā)器裝入PC大小的收發(fā)器是一項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。模擬IC制造商已經(jīng)通過更高集成度的解決方案來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)在常見的是采用小至10mm x 10mm封裝的包含LNA、VGA、AAF和ADC的八通道接收器。高壓脈沖發(fā)生器現(xiàn)在還提供小至 4mm x 8mm 的 10 通道和 10 通道單封裝配置。這些進(jìn)步意義重大，在實(shí)現(xiàn)當(dāng)前一代便攜式系統(tǒng)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，展望未來，有更多的整合機(jī)會(huì)。

MAX2082八通道收發(fā)器（圖2）是高集成度超聲解決方案最新進(jìn)展的一個(gè)例子。它包括完整的接收器、T/R 開關(guān)、耦合電容器和 3 電平高壓脈沖發(fā)生器，采用單個(gè) 10mm x 23mm 封裝。這種單一收發(fā)器可節(jié)省大量空間，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，并降低整體系統(tǒng)成本。

圖2。MAX2082超聲收發(fā)器集成了完整的接收器、T/R開關(guān)、耦合電容和3電平高壓脈沖發(fā)生器。

這種高度集成的收發(fā)器可以節(jié)省大量空間。僅集成的T/R開關(guān)就可節(jié)省大量成本。考慮大多數(shù)現(xiàn)有超聲系統(tǒng)中使用的典型分立式 T/R 開關(guān)（圖 3）。此 T/R 開關(guān)實(shí)現(xiàn)中有 128 個(gè)分立組件。在 1000 通道系統(tǒng)中，僅 T/R 開關(guān)功能就代表 <> 多個(gè)分立器件！

圖3.發(fā)送/接收 （T/R） 開關(guān)有 128 個(gè)分立元件。在 1000 通道系統(tǒng)中，僅這些開關(guān)中就有 <> 多個(gè)分立元件。

圖4所示為采用MAX2082進(jìn)行128收發(fā)器通道配置的印刷電路板（PCB）布局。所需空間小于 10 平方英寸，不到使用單個(gè)八通道接收器 IC、八通道脈沖發(fā)生器 IC 和分立式 T/R 開關(guān)的當(dāng)前解決方案所需空間的一半。

圖4.使用八通道收發(fā)器的 128 通道 PCB 布局。

收發(fā)器電源管理

在這些高度集成的設(shè)計(jì)中，功耗也是一個(gè)主要問題。這些超聲系統(tǒng)中有許多是便攜式的，并且在兩次充電之間必須使用電池運(yùn)行一個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。熱管理也是個(gè)問題，因?yàn)樵芏确浅８撸琍CB可以非常靠近，幾乎沒有氣流空間。超聲收發(fā)器占整個(gè)系統(tǒng)功率預(yù)算的很大一部分，因此需要特別注意設(shè)計(jì)。

在過去的10年中，超聲波接收器的功率已經(jīng)減少了一半。現(xiàn)在常見的是IC接收器解決方案包括LNA、VGA、AAF和ADC，每通道損耗低于150mW。這些新一代接收器還具有更靈活的功率控制功能，允許用戶在功耗與性能之間進(jìn)行權(quán)衡，并在系統(tǒng)處于非成像模式時(shí)利用低功耗、快速喚醒“打盹”模式來節(jié)省功耗。

未來還有更多改進(jìn)的機(jī)會(huì)。例如，T/R開關(guān)本身每通道的損耗可能超過80mW，因?yàn)樾枰艽蟮钠?a href="http://m.1cnz.cn/tags/電流/" target="_blank">電流來降低二極管的導(dǎo)通阻抗，以滿足必要的噪聲性能。這幾乎與接收器的其余部分一樣大！在上述MAX2082收發(fā)器等產(chǎn)品中，較新的專有集成T/R開關(guān)設(shè)計(jì)比這些分立設(shè)計(jì)具有更好的噪聲性能，每通道小于15mW。

平衡噪聲與小型化

高集成度和低功耗是便攜式超聲系統(tǒng)面臨的明顯設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。與該設(shè)備小型化相關(guān)的一些性能問題并不那么明顯。

將帶內(nèi)噪聲降至最低

超聲系統(tǒng)對(duì)2MHz至15MHz范圍內(nèi)的輻射和傳導(dǎo)帶內(nèi)噪聲和干擾都非常敏感。單通道的輸入靈敏度可低至1nV/vHz。在典型的128通道系統(tǒng)中，施加到所有輸入的無用信號(hào)的處理增益高達(dá)21dB，具體取決于通道間波束成形延遲。因此，施加到小至0.09nV/√Hz的所有輸入的帶內(nèi)噪聲信號(hào)是可見的，并在圖像中顯示為偽影。這些偽影發(fā)生得如此普遍，以至于它們通常被稱為“閃光”偽影;它們類似于相控陣圖像中心的一束光，其中系統(tǒng)對(duì)公共輸入信號(hào)具有最高的處理增益。這么小的信號(hào)很容易來自系統(tǒng)中的各種輻射或傳導(dǎo)干擾源。

超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不遺余力地將嘈雜的數(shù)字電路與敏感的模擬電路物理隔離開來，并控制接地環(huán)路。不幸的是，便攜式超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員無法在物理上分離該電路，并且由于大多數(shù)PCB的空間和熱密度有限，屏蔽可能會(huì)有問題。因此，在這些設(shè)計(jì)中出現(xiàn)帶內(nèi)噪聲問題是極其常見的，特別是當(dāng)它們?cè)谖锢砩戏浅＝咏ǔＳ糜趫?zhí)行許多計(jì)算和顯示任務(wù)的嘈雜單板PC時(shí)。因此，在設(shè)計(jì)過程的早期適當(dāng)注意接地和屏蔽尤為重要。在原型評(píng)估階段的后期嘗試修改這些高度集成的設(shè)計(jì)可能非常困難且耗時(shí)。

最小化音頻噪音

在許多情況下，低頻音頻噪聲也可能是一個(gè)問題，事實(shí)上，通常更難解決。在超聲系統(tǒng)中，通過測(cè)量反射發(fā)射信號(hào)的小多普勒頻移來檢測(cè)血流。發(fā)射信號(hào)或來自靜止物體的接收信號(hào)的任何低頻調(diào)制都會(huì)產(chǎn)生噪聲邊帶，這可能會(huì)掩蓋感興趣的多普勒信號(hào)（圖5），或者在多普勒頻譜中產(chǎn)生不需要的“音調(diào)”。在脈沖多普勒應(yīng)用中，發(fā)射信號(hào)功率與1kHz偏移時(shí)的噪聲之比需要小于140dBc/Hz。對(duì)于CWD，要求甚至更加苛刻：155dBc/Hz或更高。

這種低頻噪聲的來源很多，但最大和最常見的是低頻電源噪聲，這可能會(huì)導(dǎo)致許多多普勒問題。它會(huì)在敏感的數(shù)字發(fā)射和接收時(shí)鐘中引入抖動(dòng)，進(jìn)而限制接收器的動(dòng)態(tài)范圍或產(chǎn)生不需要的多普勒音。它還會(huì)在VGA增益控制信號(hào)上產(chǎn)生低頻噪聲，該信號(hào)可以調(diào)制來自靜止組織的大接收信號(hào)，并可以消除微弱的相鄰多普勒信號(hào)。

音頻頻譜中的電源噪聲只能通過對(duì)電源進(jìn)行有源調(diào)節(jié)來有效降低。傳統(tǒng)上，在大型推車系統(tǒng)中，功率低效的線性穩(wěn)壓器在整個(gè)系統(tǒng)中自由分布，以有效控制這種噪聲源。在更便攜的系統(tǒng)中，這種類型的解決方案通常是不可接受的。

圖5.多普勒近載波噪聲示例。

因此，設(shè)計(jì)人員必須利用分布式開關(guān)穩(wěn)壓器來提高效率。遺憾的是，這種類型的調(diào)節(jié)會(huì)引入顯著的RF帶內(nèi)傳導(dǎo)和輻射開關(guān)噪聲，即使通過適當(dāng)?shù)呐月芬搽y以控制。光譜多普勒對(duì)這種類型的噪聲特別敏感，因?yàn)殡x散開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致多普勒光譜顯示器中的音調(diào)，這是這些系統(tǒng)中常見的偽影。確保此類噪聲不可見的一種方法是確保開關(guān)穩(wěn)壓器頻率與系統(tǒng)的主時(shí)鐘同步。通過這種方式，可以更容易地管理目標(biāo)多普勒波段之外的開關(guān)噪聲，并且可以實(shí)現(xiàn)高水平的效率。在這些設(shè)計(jì)中，必須相當(dāng)注意開關(guān)調(diào)節(jié)的使用，以保持低功耗并避免難以解決的多普勒偽像。

我們?cè)摵稳ズ螐模?/p>

設(shè)計(jì)工程師一致認(rèn)為，設(shè)計(jì)便攜式超聲系統(tǒng)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。有限的空間、在不斷縮小的空間限制內(nèi)管理電源以及對(duì)越來越高水平的性能的需求提出了新的、相當(dāng)重要的問題需要克服。設(shè)計(jì)人員需要明智地使用已經(jīng)高度集成、低功耗且滿足所需性能水平的模擬IC解決方案。他們還必須預(yù)測(cè)并執(zhí)行必要的詳細(xì)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工作，以避免這些高度緊湊的設(shè)計(jì)中固有的常見噪聲相關(guān)問題。

這些新的、更便攜的系統(tǒng)的好處是值得任何設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。我們已經(jīng)看到了這些系統(tǒng)對(duì)全球醫(yī)療保健的積極影響。沒有理由相信這種趨勢(shì)不會(huì)持續(xù)下去——只要這些高度緊湊的醫(yī)療系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)計(jì)人員能夠獲得更高集成度的模擬IC解決方案。

審核編輯：郭婷