8通道，12位，10-MSPS到50-MSPS前端:AD9271-A便携式超声的革命性解决方案

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医学超声系统是当今广泛使用的较为复杂的信号处理机器之一。虽然是雷达或声纳，但它们的射频速度比雷达慢几个数量级，比声纳快几个数量级。由于早期基于小车的超声系统的发展，医疗行业已经将这种实时技术用于健康问题的早期检测和一般诊断程序。随着时间的推移，超声波系统变得越来越便携，有些甚至演变成超紧凑的手掌大小的设备。在不久的将来，超声波系统可能会成为一种专业的个人数字助理(PDA)——尽管不会像医生的听诊器那样普及。我们将在这里讨论紧凑性的一些必要成分。

超声系统架构

超声系统中常用的图像采集方法是数字波束形成(DBF)。波束成形，作为应用于医学超声，被定义为相位对准和信号的总和，从一个共同的来源产生，但在不同的时间由一个多单元超声换能器接收。通过16到32个(或更多)接收器通道的阵列相移和相加来提取相干信息，波束形成有两个功能:它赋予传感器指向性——提高其增益——并在体内定义一个焦点，从那里推导出返回回波的位置。在最简单的状态下，DBF系统框图如图1所示。每个传感器元件的输出被放大，转换为数字，并按顺序排列。对多个通道进行空间求和以形成图像。

图1所示 典型DBF系统的简化框图。

DBF体系结构比早期的波束形成系统(ABF)更受欢迎，后者在转换前使用可变延迟线和求和，因为它们往往具有更好的信道到信道匹配特性，并且更灵活。一旦信号被采集，它的质量可以通过执行数字操作，如波束转向和相干信号求和来提高。将数字发动机与超声波传感器的距离拉近，可以比在系统中实现更精细的调整。DBF是当今最常用的架构，尽管存在一些重大挑战，包括高功耗(由于大量通道)和尺寸(由于通常需要大量组件来获取和产生准确的信号)。

直到最近，大多数DBF系统都是由许多组件组装而成，使用离散的解决方案和多个ic。接收(Rx)信号链主要由低噪声放大器(LNA)组成，其功能是前置放大器;可变增益放大器(VGA)，作为时间增益放大器，补偿身体组织对返回信号的衰减，作为时间的函数(作为深度的代理);抗混叠滤波器;和一个数字转换器(ADC)。在常见的数字波束形成体系结构中需要这些组件的多个副本。只要信道噪声是随机的或不相关的，增加信道数量就可以提高动态范围。64到256通道的范围是常见的高端系统，而16到64通道的范围是更常见的便携式，中低端超声系统。

为什么要推动便携?

许多要求苛刻的应用可以实现轻量级便携紧凑设备的好处，提供实时扫描。显然，现场紧急医疗服务(EMS)团队可以更快地接触到病人，并且能够在到达急诊室之前发送结果。如果路程很长，医生可以在急诊室等待病人的同时远程诊断。在常规的办公室访问中，全科医生可以对患者进行扫描，作为检查的一部分，而不需要专科医生。

便携性的提高为使用这些设备在可能没有可靠电力的偏远地区和村庄提供更高级别的医疗服务提供了机会。

兽医发现便携式超声波对大型动物和宠物的现场诊断很有用。它也适用于猪场和牛场的现场诊断。

超声波在无损检测和预防性维护方面也是一个不断增长的市场。示例包括用于扫描桥梁梁、工业机械轴承和石油管道的系统。检测成本可以降低，昂贵设备的关键停机时间可以避免。工厂中的便携式扫描设备对于在潜在的灾难性问题出现之前发现它们至关重要。

采用便携式超声当然是有成本的，既要购买这些诊断、扫描和分析的设备，也要培训这些新设备的用户。但在许多这样的情况下，收益远远大于成本。

AD9271节省空间、电力和金钱

AD9271是Devices为满足紧凑性要求而设计的重要子系统，尺寸极小，为14mm × 14mm × 1.2 mm(图2)，它汇集了所有所需的信号链模块，用于采集8个通道的数据，同时大大减少了电路板空间和功耗。与采用分立元件的解决方案相比，AD9271将每个通道的总面积减少了1/3以上，功耗减少了25%以上，在40 MSPS时每个通道仅消耗150 mW。AD9271还提供了大量定制选项(可通过串行端口接口获得)，允许根据应用进一步优化电源和可配置性。

图2 AD9271方框图。

AD9271包含一个8通道信号链，每个通道包括一个低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、抗混叠滤波器(AAF)和数字转换器。这是通常用于处理脉冲波模式返回脉冲的接收链:b模式扫描用于灰度成像，f模式是b模式显示器上的彩色覆盖，用于显示血流。在脉冲波模式下，换能器在发射和接收之间交替，以形成周期性更新的二维图像。

另一种常见的成像形式是连续波(CW)多普勒，或d模式，用于显示血流速度及其频率。顾名思义，图像是使用连续产生的信号产生的，其中一半的换能器通道是发射的，另一半是接收的。连续波具有精确测量高速血流的优点，但它缺乏传统脉冲波系统的深度和穿透性。由于每种方法都有其自身的优点和局限性，根据应用，现代超声系统通常使用两种模式，而AD9271适用于两者。特别是，它允许用户通过采用集成的交叉点开关在连续波多普勒模式下操作。这种交叉点开关允许相似相位的信道被相干地求和成组，用于相位对准和求和。AD9271支持低端系统的延迟线，而AD8339四路解调器具有可编程相位调节功能，具有最佳性能。AD8339允许对相位对准和求和进行更精细的调整，以提高图像精度。该设备易于外部连接，允许用户压缩需要非常大动态范围的信号所需的更多信号链。

动态范围和噪音要求

当高频声信号穿透人体时，其衰减约为1 dB/cm/MHz。例如，使用8 mhz的探针和4厘米深的穿透-并考虑到输出和返回衰减-来自内部组织的信号幅度变化将与表面附近的反射相差64 dB(或4 × 8 × 2)[进一步参见2]。再加上50 dB的成像分辨率，并考虑到骨骼、电缆和其他不匹配造成的损失，期望的动态范围接近119 dB。从这个角度来看，在10 mhz带宽下，0.333 v p-p满量程信号具有1.4 nv /rt-Hz的本底噪声意味着88 db的输入动态范围。额外的动态范围是通过使用多个通道[10 × log(N通道)]来实现的，例如，128个通道将动态范围增加21 dB。这建立了100db和120db之间动态范围的实际限制。

可实现的动态范围受到前端组件的限制。由于在任何时刻都不需要整个动态范围，因此可以通过扫描VGA的增益来匹配接收反射随时间的衰减(与穿透深度成正比)，从而使用小于全动态范围的ADC。这称为时间增益补偿(TGC)。LNA设置可映射到ADC的等效动态范围。AD9271在10-MHz带宽(158 dB/rt-Hz)下的等效动态范围为88 dB，允许它处理来自被扫描组织的非常小和非常大的信号(回波)，如图3所示。LNA的满量程应该足够大，以免近场信号饱和;而本底噪声越低，动态范围越高。

图3 12位ADC的TGC增益要求。

由于功率要求必须增加以处理更低的噪声水平，由于功率限制，在便携式应用中必须做出一些妥协。虽然AD9271的88 db动态范围优于竞争对手的解决方案，但它仍然低于更高功率的VGA产品，如AD8332，其输入参考噪声为0.72 nv /rt-Hz，如表1所示。注意，AD8332具有最低的输入参考噪声和最高的输入动态范围。没有一种方法是理想的。虽然数字处理是当今所有解决方案的基本特征，但具体的实现和组件的选择是每个超声波制造商专有的。

表1。使用设备组件的解决方案比较

结论

对于医疗和工业应用来说，便携式超声的发展趋势越来越大。所有这类系统对远程位置的紧凑性和便携性都有类似的要求。AD9271通过在一个微小的IC封装中结合适用于脉冲和连续波多普勒系统的8通道接收信号链，使便携性越来越容易实现。AD9271注定要催生一系列产品，提供更低功耗要求或更低噪音的选择，在未来几代产品中进一步突破界限。