在设计超声前端电路时，需要考虑一些主要的权衡。前端电路元件的性能参数影响诊断性能，相反，系统配置和目标影响元件的选择。

对于设计人员来说，了解特别重要的规格，它们对系统性能的影响，以及它们如何受到集成电路(IC)设计权衡的影响(就集成和半导体工艺技术而言)是至关重要的，这将限制用户的设计选择。了解这些注意事项将有助于设计人员实现最有利的系统分区。我们从一个高层次的系统概述开始，然后是超声系统如何工作的更详细的描述。

系统介绍

医用超声机是当今广泛使用的最复杂的信号处理设备之一。与任何复杂的机器一样，由于性能需求、物理和成本，在实现中存在许多权衡。一些系统级的理解是必要的，以充分了解所需的前端IC功能和性能水平，特别是对于:低噪声放大器(LNA);时间增益补偿放大器;和数字转换器(adc)。

在超声波前端以及许多其他复杂的电子系统中，这些信号处理组件是决定整个系统性能的关键因素。前端组件的特性定义了系统性能的极限;一旦产生噪音和失真，几乎不可能消除它们。当然，这是任何接收信号处理链中普遍存在的问题，无论是超声波还是无线。

有趣的是，超声波基本上是一种雷达或声纳系统，但它的工作速度与它们的数量级不同。一个典型的超声波系统在概念上几乎与商用和军用飞机以及军用舰艇上的相控阵雷达系统相同。雷达工作在GHz范围内，声纳工作在kHz范围内，超声波工作在MHz范围内。超声设计人员采用并扩展了雷达系统设计人员发明的相控阵引导波束的原理。今天，这些系统涉及到一些最复杂的信号处理设备。

图1显示了超声系统的简化图。在所有这样的系统中，在一根相对较长的(约2米)电缆的末端有一个多元件换能器。该电缆包含48到256根微同轴电缆，是系统中最昂贵的部分之一。在大多数系统中，可以将几个不同的传感器探头(也称为手柄-手柄是包含传感器元件并通过电缆连接到系统的单元)连接到系统，允许操作员选择合适的传感器以获得最佳成像。手柄通过高压(HV)继电器选择，这增加了电缆的寄生电容。

在一些阵列中使用高压多路复用器/解路复用器来降低发射和接收硬件的复杂性，但以牺牲灵活性为代价。最灵活的系统是相控阵数字波束形成系统——由于需要对所有信道进行完全的电子控制，它们往往也是最昂贵的系统。然而，当今最先进的前端ic，如AD8332可变增益放大器(VGA)和AD9238 12位数字转换器(ADC)，正在不断降低每通道成本，因此，即使在中低成本系统中，所有元件的全电子控制现在也被引入。

在发射(Tx)端，Tx波束形成器确定延迟模式和脉冲序列，设置所需的发射焦点。然后，波束形成器的输出被驱动换能器的高压发射放大器放大。这些放大器可以由数字转换器(dac)控制，以形成发射脉冲，以便更好地将能量输送到换能器元件。通常，使用多个传输焦点区域(区域)，也就是说，通过将传输能量聚焦在身体中越来越深的点来加深要成像的场。多区域的主要原因是身体深处的点需要更大的传输能量，因为信号在进入身体时(以及返回时)会衰减。

在接收(Rx)端，有一个收发开关，通常是一个二极管桥，它阻挡高压Tx脉冲。其次是低噪声放大器(LNA)和一个或多个可变增益放大器(VGAs)，它们实现时间增益补偿(TGC)，有时也实现apodization(空间“窗口”以减少波束中的副瓣)功能。时间增益控制——为来自身体深处的信号提供更高的增益(因此到达较晚)——由操作员控制，用于保持图像的均匀性。

放大后，进行波束形成，以ABF或DBF形式实现。在现代系统中，除了连续波(CW)多普勒处理之外，它的动态范围仍然太大，无法通过与图像相同的通道进行处理。最后，对Rx光束进行处理，以显示灰度图像、二维图像上的Colorflow覆盖和/或多普勒输出。

超声波系统挑战

为了充分理解超声的挑战及其对前端组件的影响，重要的是要记住这种成像方式试图实现的目标。首先，它应该给出人体内部器官的准确表示，其次，通过多普勒信号处理，它可以确定体内的运动(例如血液流动)。根据这些信息，医生可以对心脏瓣膜或血管的正确功能做出结论。

收购模式

主要有三种超声采集模式:b模式(灰度成像);2 d);f模式(彩色流或多普勒成像;血流量);和d模式(频谱多普勒)。b模式创建传统的灰度图像;f模式是在显示血流的b模式显示器上的彩色覆盖;d型是多普勒显示器，可以显示血流速度和频率。(还有一个m模式，它显示一条b模式时间线。)

医用超声的工作频率在1 MHz至40 MHz范围内，外部成像机器通常使用1 MHz至15 MHz的频率，而静脉心血管机使用的频率高达40 MHz。更高的频率原则上更可取，因为它们提供更高的分辨率，但组织衰减限制了给定穿透距离的频率可达多高。但是，不能任意增加超声频率以获得更精细的分辨率，因为信号会经历约1 dB/cm/MHz的衰减;也就是说，对于10mhz的超声波信号，穿透深度为5cm，往返信号衰减了5 3 2 3 10 = 100db !要在任何位置处理约60 dB的瞬时动态范围，所需的动态范围将是160 dB(电压动态范围为1亿到1)!这种量级的动态范围是无法直接实现的;因此，人们必须支付一个高度复杂的系统的成本，并在前端权衡一些东西-穿透深度(由于允许的最大发射功率受到安全法规的限制)或图像分辨率(使用较低的超声波频率)。

接收信号的大动态范围是最严峻的挑战。前端电路必须同时具有非常低的噪声和大信号处理能力，这是任何有通信需求经验的人都熟悉的要求。电缆的失配和损耗直接增加了系统的噪声系数。例如，如果电缆在特定频率下的损耗为2db，则NF会降低2db。这意味着电缆后的第一个放大器必须具有比无损电缆所需的噪声系数低2 dB的噪声系数。解决这个问题的一个潜在方法是在换能器手柄中放置一个放大器。然而，存在严重的尺寸和功率限制;此外，需要保护免受高压传输脉冲使得这种解决方案难以实施。

另一个挑战是换能器元件和本体之间的大声阻抗不匹配。声阻抗失配需要匹配层(即电阻抗匹配的射频电路)来有效地传输能量。这通常包括在手柄的传感器元件前面的一对匹配层，然后是透镜，然后是耦合凝胶。凝胶与人体建立了良好的声学接触，因为空气是非常好的声学反射器。

接收电路的另一个重要问题是快速过载恢复。尽管收发开关应该保护接收器免受大脉冲的影响，但这些脉冲的一小部分漏过开关就足以使前端电路过载。不良的过载恢复将使接收器在恢复之前“失明”，这直接影响到图像的生成距离皮肤表面有多近。

b型超声图像是如何产生的

图2显示了如何生成不同的扫描图像。在所有四次扫描中，扫描线以矩形为界的图像是图像的实际表示，因为它将在显示器上看到。这里显示了单个换能器的机械运动(箭头所示方向)，以方便理解图像生成;但同样的图像可以通过线性阵列产生，而不需要机械运动。在所述线性扫描示例中，所述换能器元件沿水平方向移动;对于每条扫描线(图像中显示的线条)，发送一个Tx脉冲，记录来自不同深度的反射信号并进行扫描转换，以显示在视频显示器上。在图像采集过程中单个换能器的运动方式决定了图像的形状。这直接转化为线性阵列换能器的形状，即对于线性扫描，阵列将是直的，而对于弧扫描，阵列将是凹的。

通过检查图2中的线性扫描，也可以很容易地解释从机械单传感器系统到电子系统所需的步骤。如果单个换能器元件被分成许多小块，那么如果一次激发一个元件并记录来自身体的反射，也会得到如图所示的矩形图像，只是现在不需要移动换能器元件。从这里可以看出，弧扫描可以由具有凹形状的线性阵列制成;扇形扫描将由一个具有凸形状的线性阵列组成。

尽管上面的例子解释了b型超声图像生成的基础知识，但在现代系统中，一次使用多个元素来生成扫描线，因为它允许改变系统的孔径。改变光圈就像改变光学焦点的位置一样——它有助于产生更清晰的图像。图3显示了线性阵列和相控阵的工作原理;主要的区别在于相控阵中所有的元素都是同时使用的，而线性阵中只有总阵列元素的一个子集被使用。使用较少的元件具有节省电子硬件的优点;但它增加了对给定视场成像的时间。相控阵则不同;由于其饼状形状，一个非常小的换能器可以在远场成像大面积。这就是为什么相控阵换能器在心脏成像等应用中是首选的换能器，在心脏成像中，人们必须处理肋骨之间的小空间，通过这些小空间，需要对更大的心脏进行成像。

阵列中的激励是沿着扫描线引导的，这是由一组脉冲的延迟分布决定的，这些脉冲打算同时到达一个焦点。脉冲(图3)由阵列上方垂直时间线上的“曲线”(阴影色)表示，时间从阵列表面垂直增加。如图3所示，线性阶跃阵列将向一组元件(孔径)提供形状激励，然后通过添加一个前元件和减少一个后元件来对孔径进行阶跃。在每一步上，脉冲同时到达形成一条扫描线(光束)。在相控阵中，所有的换能器都是同时工作的。在所示的示例中，暗线是对代表性脉冲模式产生的反射数据进行成像的扫描线。

与数字波束成形

在波束形成(ABF)和数字波束形成(DBF)超声系统中，从特定焦点沿波束反射的接收脉冲被存储在每个通道中，然后及时对齐并相干求和——这提供了空间处理增益，因为通道的噪声是不相关的。图像可以形成为用延迟线延迟、求和并在求和(ABF)后转换为数字的电平序列，也可以通过尽可能靠近传感器元件采样、将其存储在存储器(FIFO)中、然后对其进行数字求和(DBF)来形成。

图4和图5分别显示了ABF和DBF系统的基本框图。这两种类型的系统都需要完美的信道到信道匹配。请注意，在这两种实现中都需要可变增益放大器(VGAs)，并且在数字情况下将继续使用，直到具有足够大的动态范围的adc以合理的成本和足够低的功耗可用。请注意，ABF成像系统只需要一个非常高分辨率和高速的ADC，但DBF系统需要许多高速，高分辨率的ADC。有时在ABF系统中使用对数放大器在ADC之前压缩动态范围。

动态范围

在前端电路中，LNA的本底噪声决定了接收到的信号有多弱。但与此同时，特别是在连续多普勒信号处理过程中，LNA还必须能够处理非常大的信号。因此，最大限度地提高LNA的动态范围是至关重要的(通常，由于噪声限制，在LNA之前不可能实现任何滤波)。请注意，这些相同的条件适用于任何接收器-在通信应用中，最靠近天线的电路也不具有大量滤波的优势;因此，它需要处理最大的动态范围。

连续波多普勒在超声系统中具有最大的动态范围，在连续波期间，一半换能器阵列连续发射正弦波，另一半接收。有一个很强的趋势为Tx信号泄漏到Rx侧;靠近地面的固定身体部位也会产生强烈的反射。这往往会干扰检查，例如，伴随非常弱的多普勒信号，在身体深处的静脉血流。

目前，在数字波束形成(DBF)系统中，连续波多普勒信号不能通过主成像(b模式)和PW多普勒(f模式)路径进行处理;因此，在图1中使用波束形成器(ABF)进行连续多普勒处理。ABF具有更大的动态范围。自然，DBF超声的“圣杯”是通过DBF链处理所有模式(以现实的成本)，并且关于如何实现这一目标有大量正在进行的研究。

权力

由于超声波系统需要许多通道，所有前端组件的功耗-从T/R开关，通过LNA, VGA和ADC，到波束形成器的数字电路-是一个非常关键的规格。如上所述，为了最终将所有超声模式集成到一个波束形成器中，总是会有增加前端动态范围的推动力，这种趋势将导致系统功率的增加。然而，也有相应的需求，使超声系统永远更小，并有降低功率的趋势。数字电路中的功率通常随电源电压的减小而减小;但对于混合信号电路来说，这并不一定是正确的。此外，考虑到减小的“净空空间”倾向于减小动态范围这一事实，电源电压可以达到多低而仍然达到所需的动态范围将是一个限制。

结论

我们试图在这里通过首先解释这种系统的基本操作来展示超声前端ic所需的权衡，然后指出需要哪些特定的性能参数来确保最佳的系统运行。本文(1)的一个更完整的版本提供了更多的细节。

(1)Brunner, Eberhard，“超声系统考虑及其对前端组件的影响”，Devices, Inc.， 2002。