医用超声需要对各种高速信号进行控制和处理。这些信号包括高频声波、高频/宽动态范围连续/脉冲波、高速数字处理和视频显示。许多电路设计人员面临的挑战是，将所有这些高频信号结合起来，同时面临功耗、电路板面积和成本的严格限制。

超声波的研究、开发和商业化在过去的四十年中已经萌芽。直到60年代末，第一个商用超声扫描仪才被用于心脏病学、神经学和妇产科。下一个重大突破是灰度成像的引入，随后是实时灰度扫描。另一个主要的进步是彩色多普勒的引入，它被用来确定血液流动的速度和方向。

用于人体内部成像的超声仪器是一个复杂的系统;它由许多高速处理元件和子系统组成。超声波成像背后的基本概念与声纳相似。声波从换能器或换能器阵列传输，换能器阵列也“监听”反射信号(图1)。通过使用信号处理技术将反射信号组合在一起，并在宽扫描区域内执行此过程，可以构建图像以描绘该区域。与声纳不同，超声波的工作频率很高(1到10兆赫)，可以穿透人体内部数厘米的深处，可以用来创建一维、二维和三维图像。

市场技术障碍和高速产品

与其他诊断成像方式不同，超声提供其他成像技术无法实现的实时视频和音频输出。对于训练有素的眼睛和耳朵来说，视频显示和音频信号提供了重要的诊断信息。

系统帧率和空间分辨率，以及灰度或彩色的视频显示参数，为信号必须传输、接收和处理的速率建立了边界。根据经验，声波在软组织中的传播速度为1540米/秒。例如，一个超声波信号必须传播20厘米(进入体内10厘米，返回10厘米)，大约需要130µs。生成128条扫描线(“风扇”类型显示器的典型数字)所需的总时间为130µs x 128 = 16 ms，最大更新速率为每秒60帧(fps)。此外，如果每条扫描线有多个焦点区域，用于发送和接收的组件必须具有快速的转换速率、稳定时间和转换率。

超声信号在软组织中衰减的经验法则是1 dB/cm/MHz。例如，5mhz信号的衰减系数为5db /cm。如果目标在10厘米的深度，反射信号将衰减100 dB。这表明，在深入人体成像时，通常使用低于5兆赫的频率。

超声波系统的另一个重要特点是它必须是便携式的，但在标准120v / 220v插座供电下工作。因此，低功耗是所有高速信号处理元件的关键要求。随着发送和接收信道数量的增加，每个信道的低功耗变得尤为重要。

这些“障碍”说明了对高速、低失真、宽动态范围和低功率信号链组件的需求。

市场趋势

波束形成(ABF)超声系统具有多个前端(AFE)通道(见图2)。需要可变增益放大器来补偿穿透介质中的衰减。延时元件用于使来自预定点源(焦点区)的反射信号的信噪比最大化。对来自每个通道的延时信号的对应点进行求和、压缩和幅度检测(整流)。数字转换器(adc)处理图像(8-10位，20 MHz)，音频(基带12位及以上音频采样率)和彩色多普勒信息(高达12位，高达10 MHz)。

使用FPGA、固定功能的现成数字组件和数字信号处理器(dsp)处理数字数据。超声的实时性需要通过数字处理(包括FIR, IIR滤波器和FFT处理)进行优化。数字化的数据——极坐标——必须经过处理并映射成直角坐标，存储在缓冲存储器中，然后发送给视频和音频编码器。

数字波束形成(DBF)系统将每个通道的延时元件替换为每个通道的ADC，并在缓冲存储器中存储连续的信号元件(见图3)。转换器的时钟通常为40 MHz，需要10位分辨率。

用于超声波的高速集成电路元件

切换:在ABF系统中，高速多路复用器用于创建交叉点开关。该开关用于通过将每个接收通道连接到集总无源LC元件或有源电路元件来选择每个通道的预定时间延迟。多路复用器必须具有低R(开)和快速T(开)/T(关)切换特性。对于单个扫描线中的多个测量点(门)，开关沉降时间>100+ ns不够快。ADG201HS、ADG411和ADG441/2/4等四路高速开关提供快速的T(开)/T(关)切换速度。

*有关这些产品的数据，请致电传真 热线1-800-466-6212，并输入相应的传真代码。

时间控制:时间相关可变增益或时间增益控制(TGC)放大器是ABF和DBF架构的关键接收组件。由于反射超声信号的大小取决于穿透的深度，并且在靠近接收器的地方要大得多，因此增益必须随着时间的增加而增加。1 dB/cm/MHz衰减规律要求TGC增益必须是控制电压的线性函数或“以dB为线性”。此外，带宽、群延迟和失真应该与增益无关。三个第一代宽带(高达90mhz)，低噪声(<1.7 nV/√赫兹)，低失真TGC放大器可用于此功能。第二代型号(AD604和AD605)提供样品数量，提供更宽的增益控制，更高的集成度，更低的功耗和成本。

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TGC控制DAC提供8位分辨率的TGC增益控制电压。它的输出摆压率和稳定时间必须足够快，以执行“dB内线性”电压控制。数据必须加载得足够快，以便为每个新的测量点更新每个控制DAC。由于在ABF和DBF中都使用了多个接收器通道，因此需要AD8600、AD7228和AD7528等多通道dac。

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放大器:在整个系统中，需要对信号进行缓冲、缩放、放大和滤波。高速缓冲器用于驱动数字转换器或用于驱动长或短电缆上的高速信号(例如，从系统到换能器头)。它们也用于驱动信号从一个pc板到另一个通过连接器或沿pc板的蚀刻。

通过对高频信号的压缩和检测，提高了变换器的有效工作范围，提高了系统的性能。AD606和AD640是两个宽带对数放大器，提供必要的压缩，并具有波束形成超声所需的信号带宽。AD606提供80db动态范围，频率高达50mhz;AD640提供高达120mhz的50db动态范围，两个器件可以级联95db。在某些操作模式下，压缩后的输出将超出范围并使信号链中的下一个分量饱和。宽带钳位放大器如AD8036 / AD8037是理想的缓冲器。它们还可用于限制输入电压和驱动高速ADC，防止输入使ADC输入采样保持器饱和。

除了带宽宽和功率经济，用于接收机信号链(每个系统多个)的放大器还必须具有低失真。AD8011、AD8001、AD8047和AD9631 / AD9632等放大器可提供许多超声应用所需的速度和性能。

高速视频放大器也用于驱动电缆到监视器和视频捕获设备。视频放大器如AD817 / AD818和AD826和AD828提供良好的视频性能，如差分相位和增益规格。

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A / D转换器:正在进行的向DBF的转变增加了每个系统使用的adc数量。随着低功耗、低成本和高性能ADC的出现，超声波设计人员正在为每个换能器元件集成单个ADC。这使得波束成形可以在数字领域完成，从而提供固有的稳定性和更高的精度。DBF消除了笨重的LC延迟元件，并用高速ADC代替每个延迟元件。每个系统的典型通道数范围从64到256，由传感器元件的数量和信噪比目标决定。

AD9050(10位，40-MSPS ADC)专为满足DBF超声系统的苛刻要求而设计。首先重要的是低权力。每个系统多达256个ADC，即使ADC功率的小幅增加也会显著提高整个系统的功率。AD9050单电源(+5 V)仅使用300兆瓦;它采用创新的架构，并采用最先进的BiCMOS工艺制造。

ADC性能对图像质量至关重要。DBF系统设计人员的关键要求是以最低的功耗和成本提供最佳质量的图像。用于量化图像质量的关键ADC参数是有效位数(ENOBs)。ADC的ENOBs越接近理论分辨率，图像再现就越忠实。图像带宽由换能器频率决定，其通常范围为1到10 MHz。ADC的ENOB与频率图在感兴趣的带宽上应该是平坦的。

ADC的采样率的选择是明智的，以获得最佳的系统性能。高时钟速率提供了解决小时间延迟的能力，从而改善了数字波束前的聚焦。高时钟速率还允许4倍的换能器频率过采样，以允许有效的检测颜色流应用。大多数DBF系统的时钟速率在30到40 MSPS之间。AD9050采样高达40 MSPS，其时钟输入和数字输出可配置为5v或3v工作。随着设计人员寻求最小化系统功耗，使用3-V asic来处理ADC的数字输出正变得越来越普遍。

超声系统的另一个关键ADC参数是输入超速后的恢复时间。在多普勒模式下，增益被设置为最大值，因为测量的现象非常小(血流速度)。在这种情况下，来自容器壁的反射信号将过度驱动ADC输入;然后在恢复后进行有效的血流量测量。由于ADC分辨率只有10位，必须对多个数据记录进行平均，才能实现准确的血流测量。如果超速恢复不一致，则记录之间缺乏相关性将导致流量测量误差。

AD9050的输入部分设计用于防止输入过度驱动时数据的损坏和损坏。标称输入范围为+2.8 V至+3.8 V (1 V p-p，中心为3.3 V)。“超出范围”比较器检测输入信号何时超出此范围并关闭输入轨道保持。数字输出被锁定在其最大值或最小值(即，所有“0”或所有“1”)。这可以防止它们在输入超出范围时更改为无效值。输入保护高达0.7 V超出电源轨;即，对于标称功率(+ 5v和接地)，输入不会被+5.7 V到-0.7 V的信号损坏。

当输入信号返回到标称范围时，超出范围的比较器将轨道保持切换回主动模式，设备在大约10ns内恢复。

以下是可用的合适转换器的快速摘要:

*有关这些产品的数据，请致电传真 热线1-800-446-6212，并输入相应的传真代码。

数字信号处理器:测量点的数量、速度和需要处理的数据的宽动态范围要求使用高速数字处理器。dsp执行FIR/IIR滤波和计算AFE时延变量等任务。ADSP-21060(32位浮点，40-MIPS) SHARC DSP处理器，其片上内存为4mbits，可提供诸如超声和许多其他医学成像应用等苛刻应用所需的性能。如果多次计算的累积舍入误差不会对给定系统造成严重问题，那么具有成本效益的16位定点处理器，如ADSP-2171和ADSP-2181，具有片上存储器和高速操作，可提供多功能I/O和高达33-MIPS的性能。

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处理后的数据被发送到视频显示器和音频编码器。3个8至10位ram - dac，即ADV系列产品，用于将数字文字转换为彩色显示。AD720 / 721 / 722系列RGB转NTSC/PAL编码器，结合视频放大器，如AD813, AD817 / 818和AD826 / 828(低成本，良好的视频性能的行业标准放大器)，用于适应各种视频标准的显示和记录。