結(jié)構(gòu)緊湊的超聲成像系統(tǒng)連續(xù)波多普勒(CWD)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

摘要：采用高度集成的低功耗、雙極型放大器和連續(xù)波多普勒(CWD)混頻器/波束成型電路能夠使下一代結(jié)構(gòu)緊湊的超聲設(shè)備達(dá)到“高端”CWD的指標(biāo)。


超聲系統(tǒng)中要求最苛刻的臨床診斷工具是連續(xù)波多普勒(CWD)接收器。對(duì)小尺寸、低成本的要求不得不犧牲CWD系統(tǒng)的靈敏度性能，通過分析當(dāng)前使用的CWD接收器方案，設(shè)計(jì)人員開發(fā)出了新一代解決方案，該方案采用了已經(jīng)投產(chǎn)的高集成度、低功耗雙極型放大器和CWD混頻器/波束成型芯片組。新方案能夠保證CWD接收機(jī)無需折衷診斷特性。

CWD基本概念

典型的相控陣CWD架構(gòu)中，64至128個(gè)超聲傳感器在孔徑中心附近均分成兩部分，一半的傳感器單元用于發(fā)送器，聚焦超聲CWD發(fā)射波束，另一半用于接收器，聚焦接收波束。作用在發(fā)射單元的信號(hào)是方波信號(hào)，典型頻率為1.0MHz至7.5MHz多普勒頻率。將適當(dāng)相位的信號(hào)作用到發(fā)射單元來聚焦發(fā)射波束。同樣，CWD接收信號(hào)通過對(duì)每個(gè)接收單元的信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整、求和進(jìn)行聚焦。

“波束成型”CWD接收信號(hào)由固態(tài)組織反射的強(qiáng)信號(hào)(通常稱其為雜波)以及流動(dòng)的血液反射回來的較弱的多普勒信號(hào)組成。每個(gè)相控陣接收通道輸入端的典型雜波可能高達(dá)200mV_P-P，而接收機(jī)參考輸入的噪底會(huì)低至1nV/。為了優(yōu)化接收性能，需要每通道的SNR達(dá)到大約157dBc/Hz。

對(duì)于一個(gè)64通道的CWD接收機(jī)，其SNR的要求非常極端。每個(gè)接收通道的噪聲不相關(guān)，結(jié)果對(duì)于64個(gè)通道的噪底，波束成型后的信號(hào)噪底可能比單個(gè)通道的噪底高出18dB。然而每個(gè)通道的CWD是相關(guān)的，波束成型后的CWD信號(hào)會(huì)比單個(gè)通道的CWD信號(hào)高出36dB。考慮到“求和增益”的作用，波束成型后SNR的要求會(huì)比單個(gè)通道高出18dB，達(dá)到175dBc/Hz! 更加困難的是，感興趣的低速多普勒信號(hào)的頻率會(huì)在1kHz以內(nèi)或低于雜波信號(hào)。由此可見超聲檢測(cè)設(shè)備面臨巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

基于延時(shí)線的CWD波束成型

目前，超聲系統(tǒng)大多采用模擬延時(shí)線接收器實(shí)現(xiàn)CWD信號(hào)檢測(cè)(圖1)，來自超聲接收單元的輸入信號(hào)經(jīng)過緩沖、放大，LNA提供大約20dB的增益。LNA輸出被轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，隨后通過交叉開關(guān)和模擬延時(shí)線對(duì)RF頻率信號(hào)進(jìn)行波束成型。


圖1. 基于CWD延時(shí)線的接收機(jī)簡(jiǎn)化電路

這種架構(gòu)很容易集成，因?yàn)樗枰碾妷?電流轉(zhuǎn)換器、模擬開關(guān)、無源延時(shí)線以及單路I/Q混頻器很容易集成。通過配置交叉開關(guān)求和，適當(dāng)?shù)难訒r(shí)線抽頭切換信號(hào)，達(dá)到每個(gè)接收器的延時(shí)要求。

波束成型后的RF CWD信號(hào)混頻后得到基帶I、Q音頻信號(hào)，這兩路信號(hào)經(jīng)過帶通濾波后由高分辨率ADC進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，用于數(shù)字頻譜分析。RF至基帶的混頻處理通常是接收鏈路保證SNR的瓶頸，這個(gè)處理過程對(duì)CWD的性能影響較大，以64通道設(shè)計(jì)為例，I/Q RF混頻器需要在處理波束成型信號(hào)時(shí)具有175dBc/Hz (1kHz頻偏)的動(dòng)態(tài)范圍。

很難找到或設(shè)計(jì)能夠達(dá)到這一指標(biāo)的混頻器，此外，本振驅(qū)動(dòng)信號(hào)還必須保持極低的抖動(dòng)。遺憾的是很難從市場(chǎng)上獲得能夠達(dá)到這樣指標(biāo)的邏輯器件。雖然CWD延時(shí)線波束成型器能夠滿足結(jié)構(gòu)緊湊的超聲系統(tǒng)的最低要求，上述性能的局限性也是亟待解決的問題。

基于混頻器的CWD波束成型

為了獲得更高性能，在CWD系統(tǒng)中引入一個(gè)CWD混頻器/波束成型器，簡(jiǎn)化框圖如圖2所示。該架構(gòu)中，每個(gè)通道都具有一個(gè)I/Q混頻器，在基帶端(而非RF端)進(jìn)行波束成型求和；每路I/Q混頻器的LO相位可以調(diào)節(jié)在n (n = 8至16相)個(gè)相位的其中之一。LO相位的變化將改變接收信號(hào)的相位，達(dá)到波束成型的目的。


圖2. 低功耗雙極型LNA和CWD混頻器/波束成型電路能夠簡(jiǎn)化高性能CWD接收機(jī)的設(shè)計(jì)

由于混頻器的實(shí)現(xiàn)基于每個(gè)通道，對(duì)每個(gè)通道混頻器的要求可以降低到157dBc/Hz (1kHz頻偏)。這一SNR指標(biāo)雖然苛刻，但利用雙極型混頻器和標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件可以實(shí)現(xiàn)。混頻器輸出為電流，而且在聲波基帶進(jìn)行無源求和，可以滿足CWD波束成型的SNR要求。

基于混頻器的CWD波束成型方案

過去，由于缺乏適當(dāng)?shù)募晒に嚕茈y實(shí)現(xiàn)高性能的CWD波束成型架構(gòu)。但目前這一問題已經(jīng)得到解決，對(duì)于功耗不敏感的應(yīng)用無需降低CWD和成像質(zhì)量，可以使用帶有可編程CWD混頻器/波束成型器的集成雙極型八通道VGA。圖3給出了接收鏈路的MAX2038 VGA原理圖。


圖3. 由MAX2038和MAX2034構(gòu)成的超聲接收機(jī)的單通道簡(jiǎn)化框圖。MAX2038集成了八路VGA和CWD I/Q混頻器/波束成型器，MAX2034集成了四路LNA。

對(duì)于功耗和空間要求苛刻的高端應(yīng)用，可以選擇圖4所示MAX2078新款、具有更高集成度、更低功耗的解決方案。該款完全集成的八通道接收器在單芯片雙極型IC中包含了：LNA、VGA、抗混疊濾波器以及完全可編程的CWD混頻器/波束成型器，這些器件使得各種超聲系統(tǒng)不再受早期延時(shí)線CWD架構(gòu)的制約，能夠達(dá)到出色的CWD性能。


圖4. MAX2078超低功耗、八通道超聲接收器，帶有CWD波束成型器，器件內(nèi)部集成了八個(gè)高性能、低功耗超聲接收通道，每個(gè)通道包括：LNA、VGA、抗混疊濾波器以及完全可編程的I/Q混頻器/波束成型器。

構(gòu)建CWD接收器的另外一個(gè)潛在問題是LNA放大器的SNR指標(biāo)，為了降低功耗、減小尺寸，許多超聲設(shè)計(jì)人員選擇了CMOS LNA，這樣的器件可能適合某些能夠控制CWD性能的應(yīng)用。利用幾何尺寸低于0.35μm的CMOS工藝制作放大器時(shí)需要特別注意這個(gè)問題，在如此小尺寸的制造工藝中生產(chǎn)出的電路往往具有較大的1/f噪聲，1/f噪聲會(huì)引起LNA增益的低頻調(diào)制，這是一個(gè)極其負(fù)面的影響。

較強(qiáng)的RF CWD雜波通過這種LNA時(shí)將產(chǎn)生較大的低頻調(diào)制噪聲，從而降低SNR指標(biāo)和CWD檢測(cè)靈敏度。因此，為了滿足高性能的應(yīng)用需求，應(yīng)選擇類似于MAX2034 4通道超聲LNA的低功耗雙極型放大器。