超声波成像是一种运用广泛的医疗成像办法。传统超声波成像体系运用2～15MHz的频率，精度水平为毫米，已广泛运用于监控胎儿，以及确诊内脏疾病等。在曩昔的20多年里，传统台式超声波体系主导了医疗超声波运用，这是由于超声波体系的通道数量巨大和信号处理量大所形成的。人口老龄化、不断攀升的保健费用和新式经济的需求，都使得对立异医疗解决方案的需求日益增长。
小尺度、低功耗且高功用的超声波模仿前端(AFE)和DSP都是超声波产品厂商所需求的。更重要的是，超声波产品厂商想要一种能够通用于各种体系的规划，然后能够最短化他们的开发周期并加快产品上市进程。
超声波体系结构
超声波体系因其功用和功用而各异。例如，一些高端体系一般具有3D、4D和谐波成像形式，而一些低端体系或许只要2D B形式成像和频谱多普勒成像形式。功用差异化首要取决于数字后端。高端超声波体系则要求更多、更快的高端DSP核算资源调用，然后到达近乎实时的信号处理。很明显，在高端和便携式体系之间共用信号处理单元好不容易。可是，在疏忽不同功用要求的状况下，超声波体系一般都具有相似的接纳通道架构。
如图1所示，超声波体系接纳模仿前端由常用模块组成，例如：低噪声放大器(LNA)、时刻增益操控(TGA)放大器、压控放大器(VCA)、可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器以及模数转换器(ADC)。在任何状况下，AFE的功用都会极大地影响整个体系的功用。因而，只要在引脚对引脚兼容封装中存在满意不同功用要求的AFE产品，那么AFE规划就能够被规范化，并在各种体系中得到重用。这种规范化可在中低端体系中轻松地完成，这类体系无须特别的模仿信号调理。
图1 超声波体系结构图
可是，现在大多数的AFE产品都不能满意超声波产品厂商的这种需求。因而，有必要挑选一些独自的芯片来满意袖珍型和台式体系的各种功用要求。例如，台式体系或许答应有较高的功耗，但有必要要完成更低的噪声，反之亦然，因而有必要进行从头规划。
比如TI AFE5805的一些新式AFE器材坚持了相同的外引脚。其方针运用为便携式和台式的各种超声波体系。引脚对引脚兼容性将答应超声波产品厂商能够在极大节约本钱和快速投放市场的状况下规范化AFE规划并规划出立异性产品。
模仿前端特性与体系功用的联系
要时刻谨记规划超声波体系是一件杂乱的作业，而AFE的每一个特性都会影响整个体系的功用。为每一种体系类别平衡挑选各种参数的才能毫无疑问是一种艺术。
就便携式超声波体系而言，功耗是一个要害的考虑要素。低功耗意味着更低的电池电量可提供更长的运转时刻。可是，其会影响其他参数，例如，输入信号规模、输入等效噪声、谐波失真等，尽管这些功用下降一般关于便携式（低端）体系而言是能够承受的。
除功耗以外，AFE噪声是超声波体系规划人员需求考虑的第二个要素。超声波变送器的接纳信号量级或许会在10μVPP～1VPP之间改变。能够勘探到的信号越小，体系的灵敏度也就越高。输入等效电流和输入等效电压噪声都会影响体系灵敏度。一般来说，0.7～1.5nV/rt(Hz)(RTI)的噪声参数用于从高端到低端的体系。
一些详细体系运用证明这些噪声参数足以发生高质量的图画。尽管能够运用一款更低噪声的放大器，可是其对终究超声波图画质量并无明显进步，由于需求考虑输入等效电流噪声和发射/接纳(T/R)开关的噪声。除输入等效电压噪声以外，闪耀噪声（即1/f噪声）也是成像运用中的一个重要要素。在存在混频的接连波(CW)形式下，低频噪声频谱移至载波频率，然后下降了相关频率的信噪比(SNR)。具有白噪声功用的放大器优于其广泛的作业频率。
在一些超声波运用中，增益操控规模在到达图画动态规模的过程中起着重要的效果。当VCA具有更高的增益操控规模时，终究图画也就具有一个更广泛的动态规模，然后得到更高的图画质量。组合ADC的SNR，体系的动态规模可由以下方程式核算得出：
动态规模=SNR+增益操控规模（方程式1）
例如，一个包含了12比特、70dB SNR以及40dB增益操控规模VCA的体系能够取得110dB的动态规模。换句话说，考虑到人体0.7dB/cm.MHz的衰减系数、10cm的成像深度以及7.5MHz的变送器，由10×2×0.7×7.5能够核算得到105dB的动态规模。在现在的一些超声波体系中，10～15MHz的探针一般被用于对一些小规模进行成像。因而，一般会需求100dB以上的动态规模，然后得出这样的定论：大增益操控规模的AFE是首选。别的，更高整体增益的AFE是勘探小信号和补偿其他电路带来的插入损耗（例如，无源高阶滤波器的插入损耗）的一种辅佐。
放大器饱满与过载康复也是重要的体系参数。比较独自进行评论，将这两个参数放在一同进行评价和核算更为有价值。基本上，放大器的抱负输入信号规模受限于其线性输出电压（与电源电压有关）和增益。
（方程式2）
因而，较低的增益和较高的电源电压有益于该参数。可是，低增益会下降输入等效电压噪声，而高电源电压会添加总功耗，因而有必要运用一种折中的办法。就一些便携式及中端体系而言，一般会选用200～400mVPP的参数。超声波放大器饱满一般是由高压脉冲走漏或近外表物体反射的大信号引起的，这些外表物体的声阻抗差异性极大。此类比如包含表皮安排或骨骼，而在表皮安排或骨骼中仅有少数的临床信息。大多数状况下，这些区域的信息丢掉或许不会影响临床确诊。可是，假如放大器不能及时康复，那么就会有很多的信息丢掉。AFE的快速过载康复时刻确保了超声波体系能够尽或许多地获取有用信息。AFE的过载康复时刻能够用ADC时钟周期数量标明。一个时钟周期的过载康复时刻较为抱负。
超声波放大器饱满带来的另一个影响是谐波失真添加。由于运用了遍及的造影剂，越来越多的体系（乃至是便携式体系）都要求整个体系的低二次谐波失真，以确保顺畅的谐波成像。一般来说，变送器接纳到的谐波信号会高达40dB（低于根底信号），详细状况取决于造影剂声学特色、发送器电压和安排特性的归纳要素。因而，放大器的HD2应低于40dBc，这使体系能够取得抱负的谐波图画。别的，高HD2或许会引起人为的多普勒频移。在一些临床状况中，这种人为要素或许会影响确诊的准确性。在终究多普勒图画中，人为多普勒频移会形成多普勒体系的方向阻隔。一些文献标明，对一些CW和PW多普勒体系而言，45～50dB的方向阻隔或许就足够了。由上述要素，当HD2低于40dBc时，应规则AFE的线性输入规模。
影响图画准确性的串扰是超声波体系需求考虑的另一个参数。超声波体系的首要串扰是由一些以-30～-35dBc摆放的变送器阵列引起的，详细状况取决于变送器元件的距离、频率、规划、资料等。一般来说，%&&&&&%或PCB的串扰大大低于-35dBc。因而，电路串扰就不会下降体系功用。
超声波模仿前端
为了满意上述规范，超声波AFE（例如，TI的AFE5805）是抱负的挑选。一流的BiCMOS和CMOS技能用于优化功耗和噪声功用。BiCMOS工艺是AFE5805 VCA部分的最优挑选，由于其具有低功耗、小芯片尺度以及低闪耀噪声的特色。CMOS工艺十分适用于模数转换器。比较同类解决方案，这些立异组合可缩小50%的尺度，下降20%的功耗并下降40%的噪声。图2所示稳定噪声功用涵盖了整个作业频率规模。这样，便携式超声波体系的规划便能够完成低功耗和更高的图画质量。
总结
未来几年，全球各地区关于便携式、低本钱超声波设备的需求有望快速增长。关于超声波设备厂商来说，机会和应战并存。新式超声波模仿前端的先进技能，答应超声波设备厂商对功用进行调整，以适用于各种体系尺度。根据单个规划，厂商便可发布多款产品，极大地节约了便携式设备和高通道密度中端超声波体系的开发本钱和时刻。
