低噪聲靜音開關模塊和LDO穩壓器助于改善超聲噪聲和圖像質量

自 2000 年 GE 推出第一臺數字超聲后，超聲市場迅速增長。超聲技術已從靜態轉向動態，從黑白多普勒轉向彩色多普勒。越來越多的超聲應用導致對組件的需求增加，例如與探頭、AFE 和電源系統相關的組件需求。

在醫學診斷領域，對超聲成像系統中更高圖像質量的需求不斷增加。提高圖像質量的關鍵技術之一是提高系統的信噪比（SNR）。下面將討論影響噪聲的不同因素，尤其是電源。

超聲波是如何工作的？

超聲系統由換能器、發射電路、接收電路、后端數字處理電路、控制電路和顯示模塊組成。數字處理模塊通常包括一個現場可編程門陣列（FPGA），它根據系統的配置和控制參數生成發射波束形成器和相應的波形模式。發射電路的驅動器和高壓電路然后產生高壓信號來激勵超聲換能器。超聲換能器通常由 PZT 陶瓷制成。它將電壓信號轉換為進入人體的超聲波，同時接收組織產生的回波。回波被轉換成小的電壓信號并傳遞到發射/接收（T/R）開關。T/R 開關的主要目的是防止高壓發射信號損壞低壓接收模擬前端。經過信號調理、增益和濾波后的模擬電壓信號被傳遞到 AFE 的集成 ADC，然后轉換為數字數據。數字數據通過 JESD204B 或 LVDS 接口傳輸到 FPGA 以接收波束形成，然后傳輸到后端數字部件進行進一步處理以創建超聲圖像。

圖 1：超聲系統框圖

電源如何影響超聲系統？

從上述超聲架構來看，系統噪聲會受到許多因素的影響，例如發射信號鏈、接收信號鏈、TGC 增益控制、時鐘和電源。下面，我們將討論電源如何影響噪聲。

超聲系統中有多種圖像模式，每種圖像模式對動態范圍的要求也不同。這也意味著 SNR 或噪聲要求取決于不同的圖像模式。黑白模式需要 70 dB 的動態范圍，脈沖波多普勒（PWD）模式需要 130 dB，連續波多普勒（CWD）模式需要 160 dB。本底噪聲對于黑白模式很重要，它影響在遠場可以看到的最小超聲回波的最大深度，這稱為穿透，這是黑白模式的關鍵特征之一。1/f 噪聲對于 PWD 和 CWD 模式尤為重要。PWD 和 CWD 圖像都包含低于 1 kHz 的低頻頻譜，相位噪聲影響高于 1 kHz 的多普勒頻譜。由于超聲換能器頻率通常為 1 MHz 至 15 MHz，因此它會受到此范圍內的任何開關頻率噪聲的影響。如果 PWD 和 CWD 頻譜（從 100 Hz 到 200 kHz）內存在互調頻率，則在多普勒圖像中會出現明顯的噪聲頻譜，這在超聲系統中是不可接受的。

另一方面，良好的電源可以通過考慮相同的考慮來改善超聲圖像。在為超聲波應用構建電源時，設計人員應該了解幾個因素。

開關頻率

如上所述，有必要避免將意外的諧波頻率引入采樣頻帶（200 Hz 至 100 kHz）。在電力系統中很容易發現這種噪聲。

大多數開關穩壓器使用電阻器來設置開關頻率。該電阻器的誤差會在 PCB 上引入不同的開關標稱頻率和諧波。例如，精度為 1% 的電阻器在 400-kHz DC-DC 穩壓器中提供 ±1% 的誤差和 4-kHz 的諧波頻率。更好的解決方案是選擇具有同步功能的電源切換器。外部時鐘將通過同步引腳向所有穩壓器發送信號，以便所有穩壓器以相同頻率和相同相位切換。

此外，出于 EMI 考慮或更高的瞬態響應，一些穩壓器具有 20% 的可變開關頻率，這導致 400 kHz 電源中的諧波頻率為 0 kHz 至 80 kHz。具有恒定頻率的開關穩壓器有助于避免這個問題。ADI 的 Silent Switcher 電源穩壓器和電源模塊系列具有恒定頻率開關，同時保持出色的 EMI 性能，無需擴展頻譜，并保持出色的瞬態響應。

白噪聲

超聲系統中也存在許多白噪聲源，這會導致超聲成像中的背景噪聲。這種噪聲主要來自信號鏈、時鐘和電源。

在模擬處理組件的模擬電源引腳添加 LDO 穩壓器現在很常見。ADI 的下一代 LDO 穩壓器具有約 1-μVrms 的超低噪聲，涵蓋 200 mA 至 3 A 的電流。電路和規格如圖 2 和圖 3 所示。

圖 2：下一代低噪聲 LDO 穩壓器

圖 3：下一代 LT3073 的低噪聲頻譜密度

PCB布局

在超聲系統中設計數據采集板時，很容易注意到大電流電源部分和高靈敏度信號鏈部分之間的權衡。來自開關電源的噪聲很容易在信號路徑走線中耦合，這在數據處理中并不容易消除。開關噪聲通常由開關輸入電容（圖 4）和上側或下側開關產生的熱回路產生。添加緩沖電路有助于管理電磁輻射；但是，它同時降低了效率。Silent Switcher 架構有助于提高 EMI 性能，即使在高開關頻率下也能保持高效率。

手持式數字探頭

除了由于吸收超聲波而發熱之外，換能器附近組織的溫度還受到換能器自身溫度的強烈影響。通過向換能器施加電信號來產生超聲波脈沖。一些電能在元件、透鏡和背襯材料中消散，導致傳感器發熱。換能器頭中接收到的信號的電子處理也可能導致電加熱。來自換能器表面的熱量傳導會導致表層組織溫度升高幾攝氏度。最大允許傳感器表面溫度（T SURF）在 IEC 標準 60601-2-37（2007 年修訂版）中指定。1 當傳感器傳輸到空氣中時為 50°C，當傳輸到合適的體模中時為 43°C。后一個限制意味著皮膚（通常在 33°C）可以加熱高達 10°C。換能器加熱是復雜換能器的重要設計考慮因素，在某些情況下，這些溫度限制可能會有效地限制可以實現的聲輸出。

安全標準 IEC 60601-2-37 Rev 2007）1 將傳感器表面的溫度限制為在空氣中運行時低于 50°C，在 33°C 下與體模接觸時低于 43°C（對于外部應用的傳感器）或在 37°C（對于內部傳感器）。通常是這些溫度限制（而不是對光束中最大強度的限制）限制了換能器的聲輸出。Silent Switcher 器件具有最高效率的轉換功率（具有高達 3 MHz 的寬開關帶寬）到數字探頭的不同電壓域。這意味著功率轉換期間的功率損耗最小。這有助于冷卻系統，因為熱量形式的額外功率損失并不多。

Silent Switcher 模塊有很大幫助

Silent Switcher 模塊技術是超聲波電源軌設計的最佳選擇。引入它是為了幫助改善 EMI 和開關頻率噪聲。傳統上，應注意每個開關穩壓器的熱回路的電路和布局設計。對于降壓電路，如圖 4 所示，熱環路包含一個輸入電容、一個頂部 MOSFET、一個底部 MOSFET，以及由布線、布線、邊界等引入的寄生電感。

Silent Switcher 模塊具有兩種主要的設計方法。首先，如圖 4 和圖 5 所示，通過創建相反的熱回路，由于雙向發射，大部分 EMI 將被降低。這種方法將優化近 20 dB。