超聲技術(shù)是醫(yī)療診斷和其他應(yīng)用中廣泛使用的無創(chuàng)工具，已經(jīng)從靜態(tài)圖像轉(zhuǎn)向動態(tài)圖像，從黑白呈現(xiàn)轉(zhuǎn)向彩色多普勒圖像。這些重要的增強功能很大程度上歸功于數(shù)字超聲技術(shù)的引入。雖然這些進步提高了超聲成像的有效性和多功能性，但對于這些系統(tǒng)來說，通過前端超聲探頭和驅(qū)動探頭并捕獲返回信號的模擬前端(AFE)的進步來提供更高的圖像質(zhì)量同樣重要。

　　噪聲是實現(xiàn)這種改善圖像質(zhì)量的障礙之一，因此設(shè)計目標是提高系統(tǒng)的信噪比(SNR)。這部分可以通過解決系統(tǒng)中各種電源軌引起的噪聲來實現(xiàn)。請注意，這種噪聲不是單個簡單的實體。相反，它具有各種特征和屬性，這些特征和屬性決定了它最終如何影響系統(tǒng)性能。

　　本文將介紹超聲成像的基本原理，然后重點介紹影響圖像質(zhì)量的不同因素，主要是來自電源的噪聲。它將使用來自 DC-DC 穩(wěn)壓器的設(shè)備 ADI公司 作為電源組件的例子，可以大大提高SNR和其他方面的超聲系統(tǒng)性能。

　　超聲成像基礎(chǔ)知識

　　這個概念很簡單：產(chǎn)生一個尖銳的聲脈沖，然后在遇到障礙物或器官之間的各種界面及其不同的聲阻抗時“聆聽”它的回波反射。通過重復(fù)執(zhí)行這些脈沖返回序列，反射可用于創(chuàng)建反射表面的圖像。

　　對于大多數(shù)超聲模式，壓電換能器陣列發(fā)送有限數(shù)量的波周期(通常為兩到四個)作為脈沖。每個周期中這些波的頻率通常在2.5至14兆赫茲(MHz)的范圍內(nèi)。該陣列通過類似于相控陣射頻天線的波束成形技術(shù)進行控制，因此可以聚焦和控制整個超聲脈沖以創(chuàng)建掃描。然后，換能器切換到接收模式，以感測來自體內(nèi)的反射波的返回。

　　請注意，發(fā)射/接收定時比通常約為 1%/99%，脈沖重復(fù)頻率通常在 1 到 10 kHz 之間。通過定時脈沖從其傳輸?shù)浇邮盏幕夭ú⒘私獬暷芰吭谏眢w組織中傳播的速度，可以計算從換能器到反射波的器官或界面的距離。返回波的振幅決定了經(jīng)過相當多的數(shù)字后處理后分配給超聲圖像中反射的像素的亮度。

　　了解系統(tǒng)要求

　　盡管基本原理在概念上很簡單，但完整的高端超聲成像系統(tǒng)是一個復(fù)雜的設(shè)備(圖 1)。系統(tǒng)的最終性能在很大程度上取決于傳感器和模擬前端(AFE)，而數(shù)字化反射信號的后處理允許算法來增強這種情況。

　　毫不奇怪，各種類型的系統(tǒng)噪聲是圖像質(zhì)量和性能的限制因素之一，同樣類似于數(shù)字通信系統(tǒng)中考慮誤碼率(BER)與SNR。

　　圖 1：完整的超聲成像系統(tǒng)是大量模擬、數(shù)字、電源和處理功能的復(fù)雜組合;AFE 定義了系統(tǒng)性能的邊界。(圖片來源：ADI公司)

　　壓電換能器陣列和有源電子器件之間有一個發(fā)射/接收(T/R)開關(guān)。該開關(guān)的作用是防止驅(qū)動傳感器的高壓發(fā)射信號到達并損壞低壓接收側(cè)AFE。接收到的反射經(jīng)過放大和調(diào)理后，被傳遞到AFE的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，在那里進行數(shù)字化并經(jīng)過基于軟件的圖像處理和增強。

　　超聲系統(tǒng)的每種不同成像模式對動態(tài)范圍(因此SNR)或噪聲要求都有不同的要求：

　　對于黑白圖像模式，需要70分貝(dB)的動態(tài)范圍;本底噪聲很重要，因為它會影響在遠場中看到最小超聲回波的最大深度。這稱為穿透，這是黑白模式的關(guān)鍵特征之一。

　　對于脈搏波多普勒(PWD)模式，需要130 dB的動態(tài)范圍。

　　對于連續(xù)波多普勒(CWD)模式，需要160 dB。請注意，1/f噪聲對于PWD和CWD模式尤為重要，因為這兩個圖像都包含低于1 kHz的低頻頻譜元素，并且相位噪聲會影響高于1 kHz的多普勒頻譜。

　　這些要求不容易滿足。由于超聲換能器頻率通常在1 MHz至15 MHz之間，因此會受到該范圍內(nèi)任何開關(guān)頻率噪聲的影響。如果PWD和CWD頻譜(從100 Hz到200 kHz)存在互調(diào)頻率，則明顯的噪聲頻譜將出現(xiàn)在多普勒圖像中，這在超聲系統(tǒng)中是不可接受的。為了獲得最大的系統(tǒng)性能和圖像質(zhì)量(清晰度、動態(tài)范圍、無圖像斑點和其他品質(zhì)因數(shù))，重要的是要查看導(dǎo)致信號質(zhì)量損失和SNR下降的源。

　　第一個是顯而易見的：由于衰減，來自身體深處組織和器官(如腎臟)的回報遠遠弱于來自靠近換能器的那些。因此，反射信號被AFE“增益”，使其盡可能多地占據(jù)AFE的輸入范圍。為此，使用自動增益控制(AGC)功能。此AGC功能類似于無線系統(tǒng)中使用的功能，其中AGC評估無線RF接收信號強度(RSS)，并在數(shù)十分貝的跨度內(nèi)動態(tài)補償其隨機，不可預(yù)測的變化。

　　但是，超聲應(yīng)用中的情況與無線鏈路的情況不同。相反，路徑衰減是近似已知的，聲能傳播速度的速度也是已知的——軟組織中為每秒1540米(m/s)，或比空氣中傳播速度快約5倍，約為330米/秒——因此衰減率也是已知的。

　　基于這些知識，AFE使用可變增益放大器(VGA)，該放大器被布置為時間增益補償(TGC)放大器。該VGA的增益為線性dB，其配置使得線性與時間斜坡控制電壓增加增益與時間的關(guān)系，以在很大程度上補償衰減。這最大限度地提高了信噪比和AFE動態(tài)范圍的使用。

　　噪聲類型及其解決方法

　　雖然體內(nèi)和患者引起的信號噪聲超出了超聲系統(tǒng)設(shè)計人員的控制范圍，但必須管理和控制內(nèi)部系統(tǒng)噪聲。為此，重要的是要了解噪聲類型、它們的影響以及可以采取哪些措施來減少它們。主要關(guān)注領(lǐng)域是開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲;信號鏈、時鐘和電源引起的白噪聲;以及與布局相關(guān)的噪音。

　　開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲：大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器使用簡單的電阻來設(shè)置開關(guān)頻率。該電阻器標稱值的不可避免地容差引入了不同的開關(guān)頻率和諧波，因為不同獨立穩(wěn)壓器的頻率相互混合和交叉調(diào)制?？紤]到即使是精度為1%的嚴格容差電阻，也會導(dǎo)致400 kHz DC-DC穩(wěn)壓器中的諧波頻率為4 kHz，從而使諧波更難控制。

　　更好的解決方案是選擇具有同步功能的開關(guān)穩(wěn)壓器IC，該IC通過其封裝引腳上的SYNC連接實現(xiàn)。利用此功能，外部時鐘可以將信號分配給各個穩(wěn)壓器，以便它們都以相同的頻率和相位切換。這消除了標稱頻率和相關(guān)諧波產(chǎn)物的混合。

　　例如， LT8620 是一款高效率、高速同步單芯片降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，可接受高達 65 V 的寬輸入電壓范圍，靜態(tài)電流僅為 2.5 微安 (μA)(圖 2)。其低紋波“突發(fā)模式”操作可實現(xiàn)低至極低輸出電流的高效率，同時將輸出紋波保持在 10 毫伏 (mV) 峰峰值以下。SYNC引腳允許用戶建立與200 kHz至2.2 MHz外部時鐘的同步。

　　圖 2：高效 LT8620 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器包括一個 SYNC 引腳，因此其時鐘可與其他系統(tǒng)時鐘同步，從而最大限度地降低時鐘互調(diào)效應(yīng)。(圖片來源：ADI公司)

　　另一種技術(shù)是使用開關(guān)穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器采用隨機擴頻時鐘將產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)分布到更寬的頻段，從而降低其在任何特定頻率下的峰值。雖然對于一些SNR不太重要且更關(guān)心滿足EMI要求的應(yīng)用來說，這是一個有吸引力的解決方案，但它會在更廣泛的頻譜上產(chǎn)生的諧波中引入不確定性，使其更難控制。例如，出于EMI考慮，開關(guān)頻率擴展為20%，導(dǎo)致400 kHz電源中的諧波頻率介于0至80 kHz之間。因此，雖然這種降低EMI“尖峰”的方法可能有助于滿足相關(guān)的監(jiān)管要求，但對于超聲設(shè)計的特殊SNR需求，它可能適得其反。

　　恒定頻率的開關(guān)穩(wěn)壓器有助于避免此問題。ADI公司的靜音開關(guān)穩(wěn)壓器和μModule穩(wěn)壓器系列具有恒定頻率開關(guān)功能。同時，它們通過可選擇的擴頻技術(shù)提供EMI性能，以提供出色的瞬態(tài)響應(yīng)，而不會引入與擴頻相關(guān)的不確定性。

　　靜音開關(guān)穩(wěn)壓器系列也不僅限于低功耗穩(wěn)壓器。例如， LTM8053 為 40 V在 (最大值)、3.5 A連續(xù)、6 A峰值降壓穩(wěn)壓器，包括開關(guān)控制器、電源開關(guān)、電感器和所有支持組件。只需輸入和輸出濾波電容即可完成設(shè)計(圖 3)。它支持 0.97 至 15 V 的輸出電壓范圍和 200 kHz 至 3 MHz 的開關(guān)頻率范圍，每個范圍均由單個電阻器設(shè)置。

　　圖 3：靜音開關(guān)器系列的 LTM8053 成員可提供 3.5 A 連續(xù)電流/6 A 峰值電流;它接受 3.4 至 40 V 的輸入，可在 0.97 至 15 V 的寬范圍內(nèi)提供輸出。(圖片來源：ADI公司)

　　LTM8053 獨特的封裝有助于保持低 EMI 以及較高的電流輸出。靜音開關(guān)器 μModule 穩(wěn)壓器中的銅柱倒裝芯片封裝有助于降低寄生電感并優(yōu)化尖峰和死區(qū)時間，從而在小型封裝中實現(xiàn)高密度設(shè)計和大電流能力(圖 4)。如果需要更大的電流，可以并聯(lián)多個LT8053器件。

　　圖 4：LTM8053 (和其他靜音開關(guān)器件)集成了一個銅柱倒裝芯片，從而在小型封裝中實現(xiàn)了高密度設(shè)計和大電流能力，同時最大限度地降低了寄生電感。(圖片來源：ADI公司)

　　靜音開關(guān)穩(wěn)壓器的技術(shù)和拓撲結(jié)構(gòu)不僅限于單輸出穩(wěn)壓器。這 LTM8060 是四通道，40 V在 靜音開關(guān) μModule 穩(wěn)壓器，具有可配置的 3 A 輸出陣列(圖 5)。它的工作頻率高達 3 MHz，采用緊湊型(11.9 mm × 16 mm × 3.32 mm)包覆成型球柵陣列 (BGA) 封裝。

　　圖 5：LTM8060 是一款四通道 μModule 可配置陣列，每通道輸出 3 A，采用緊湊封裝，尺寸僅為 11.9 mm×16 mm × 3.32 mm(圖片來源：ADI公司)

　　這種四通道器件的一個有趣方面是，其輸出可以以不同的配置并聯(lián)，以滿足不同的負載電流需求，最高可達 12 A(圖 6)。

　　圖 6：LTM8060 的四個 3 A 輸出可以布置在不同的并聯(lián)配置中，以滿足應(yīng)用的 DC 電源軌要求。(圖片來源：ADI公司)

　　總之，靜音開關(guān)穩(wěn)壓器在噪聲、諧波和熱性能方面具有許多優(yōu)勢(圖 7)。

　　圖 7：所示是靜音開關(guān)穩(wěn)壓器系列相對于重要設(shè)計角度的關(guān)鍵屬性。(圖片來源：ADI公司)

　　白噪聲：超聲系統(tǒng)中也有許多白噪聲源，這會導(dǎo)致背景噪聲和圖像“斑點”。這種噪聲主要來自信號鏈、時鐘和電源。在敏感模擬元件的電源引腳上增加一個低壓差(LDO)穩(wěn)壓器可以解決這個問題。

　　ADI的下一代LDO穩(wěn)壓器，如 LT3045，具有約 1 μV(μV) rms(10 Hz 至 100 kHz)的超低噪聲水平，并在 260 mV 的典型壓差電壓下提供高達 500 mA 的電流輸出(圖 8)。工作靜態(tài)電流標稱值為2.3 mA，關(guān)斷模式下降至遠低于1 μA。其他低噪聲LDO可提供200 mA至3 A的電流。

　　圖 8：LT3045 LDO 穩(wěn)壓器以其在 200 mA 至 3 A 電流范圍內(nèi)約 1 μV rms 的超低噪聲而著稱(圖片來源：ADI公司)

　　電路板布局：在大多數(shù)印刷電路板布局中，來自開關(guān)電源的大電流信號走線與相鄰的低電平信號走線之間存在沖突，因為來自前者的噪聲會耦合到后者中。這種開關(guān)噪聲通常是由輸入電容、頂部MOSFET、底部MOSFET和布線、布線和鍵合引起的寄生電感產(chǎn)生的“熱回路”產(chǎn)生的。

　　標準解決方案是增加緩沖電路以減少電磁輻射，但這會降低效率。靜音開關(guān)電源架構(gòu)通過使用雙向輻射創(chuàng)建相反的熱回路(稱為“分離”)來提高性能并保持高效率，從而將 EMI 降低約 20 dB(圖 9)。

　　圖 9：通過建立分離電流路徑的相對“熱回路”，靜音開關(guān)可將 EMI 顯著降低約 20 dB。(圖片來源：ADI公司)

　　效率與噪聲

　　如果在電源噪聲與潛在效率之間進行權(quán)衡，那么超聲應(yīng)用中對超低噪聲的需求似乎應(yīng)該占上風(fēng)。畢竟，在“大局”系統(tǒng)級別，再增加幾毫瓦的耗散應(yīng)該不會成為太大的負擔(dān)。此外，為什么不增加換能器脈沖的能量來增加脈沖信號強度，從而增加反射的信噪比呢?

　　但這種權(quán)衡還有另一個復(fù)雜性：手持式數(shù)字探頭的自發(fā)熱，該探頭包含換能器、壓電元件驅(qū)動器、AFE 和其他電子電路。探頭的一些電能在壓電元件、透鏡和背襯材料中耗散，從而導(dǎo)致?lián)Q能器發(fā)熱。隨著換能器頭中聲能的浪費，這將導(dǎo)致探頭發(fā)熱和溫度升高。

　　探頭表面允許的最高溫度是有限制的。IEC 標準 60601-2-37(修訂版 2007)將換能器傳輸?shù)娇諝庵袝r將此溫度限制為 50°C，在傳輸?shù)胶线m的模型(標準身體模擬器)時限制為 43°C;后一個限制意味著皮膚(通常在33°C)最多可以加熱10°C。因此，傳感器加熱是復(fù)雜傳感器的一個重要設(shè)計考慮因素。這些溫度限制可能會有效地限制可以使用的聲學(xué)輸出，與可用的直流功率無關(guān)。

　　結(jié)論

　　超聲成像是一種廣泛使用、無價、無創(chuàng)且無風(fēng)險的醫(yī)學(xué)成像工具。雖然基本原理在概念上很簡單，但設(shè)計一個有效的成像系統(tǒng)需要大量復(fù)雜的電路，以及多個直流穩(wěn)壓器為其各種子電路供電。這些穩(wěn)壓器和相關(guān)功率必須高效，但由于反射聲信號能量具有極端的SNR和動態(tài)范圍要求，因此噪聲也必須非常低。如圖所示，ADI公司的LDO和靜音開關(guān)IC滿足這些要求，而不會影響空間、EMI或其他關(guān)鍵屬性。