超声系统的信号链设计注意事项

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2019-7-16 16:12 上传

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摘要:

高性能超声成像系统广泛应用于各种医学场景。在过去十年中，超声系统中的分立电路已经被高度集成的芯片（IC）所取代。先进的半导体技术不断推动系统性能优化及尺寸小型化。这些变革都得益于各类芯片技术，如专用低噪声放大器、多通道低功耗ADC、集成高压发射、优化的硅工艺和多芯片模块封装。随着芯片功耗和尺寸减小至原来的20%，。此外，得益于低功耗、高性能硅工艺的发展，部分波束合成预处理模块已经集成于通用的模拟或混合信号芯片而非专用的数字处理器。同时，先进的高速串行或是无线接口大大降低了系统布局复杂度，并且能够将尽可能多的RF数据转移到系统集成芯片（SOC）、CPU或GPU。当前超声技术的应用也从特定的放射学诊断扩展到各类便携式应用，床旁实时监测以及医疗现场就地检查等各个领域。

本应用指南综述了超声系统的架构和原理，分析了系统设计的注意事项，综述了应用于超声芯片的先进技术，最后讲解了医学超声芯片的模拟参数。  

注：本应用指南是基于徐晓辰所发表的书籍章节及论文翻译而成。如需转载，请联系TI及作者。

目录

超声系统的信号链设计注意事项... 1

摘要... 1

图片列表... 3

1.     医学超声成像... 4

2.     声波产生和传播的原理... 4

3.     换能器指标与图像质量... 6

4.     超声成像模式... 7

A模式和B模式... 7

多普勒超声... 8

其他成像模式... 11

5.     超声波电子学... 12

发射器和接收器... 12

波束合成器... 13

数字信号处理... 15

6.     模拟前端设计中的工艺选择... 16

7.     超声波的模拟参数... 18

过载恢复... 18

多普勒应用中的信号和噪声调制... 19

连续波（CW）多普勒规范... 20

8.     总结... 22

参考文献... 23

图片列表

图1.典型超声系统的简化框图... 4

图2.换能器振动、声波传播和反射... 4

图3.典型的换能器。（A）单元件换能器 ；b）1D阵列换能器；（c）2D阵列换能器（由USC、Vermon和Philips提供）... 5

图4.扫描模式。（a）A模式扫描行，（b）B模式图像，（c）3D声束扫描，以及（d）B模式（子图1、2、3）和3D（子图4）临床图像（由Philips提供）... 8

图5.连续波（CW）多普勒测量配置。... 9

图6.脉冲波多普勒测量配置。... 10

图7.彩色多普勒成像：（a）以彩色多普勒和CW模式获得的图像（由Philips提供）； （b）显示颈动脉狭窄的彩色多普勒（由GE提供）... 11

图8.典型超声电子电路的框图... 12

图9.用于时间增益补偿的电压控制放大器... 13

图10.用于在（a）发射相和（b）接收相中聚焦声束的换能器波束合成器... 14

图11.数字波束合成器图解... 14

图12.CMOS与BiCMOS设计的比较... 16

图13.多芯片模块封装... 17

图14.AFE近期的显著改善... 17

图15.过载恢复（a）输入信号；（b）输出信号... 19

图16.PSMR（a）和IMD3（b）描述... 20

图17.CW的简化框图... 21

图18.混频器操作的框图... 21

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