高功用超声成像体系广泛运用于各种医学场景。在曩昔十年中，超声体系中的分立电路现已被高度集成的芯片（IC）所替代。先进的半导体技能不断推进体系功用优化及尺度小型化。这些革新都得益于各类芯片技能，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。跟着芯片功耗和尺度减小至本来的20%，。此外，得益于低功耗、高功用硅工艺的开展，部分波束组成预处理模块现已集成于通用的模仿或混合信号芯片而非专用的数字处理器。一起，先进的高速串行或是无线接口大大下降了体系布局杂乱度，而且能够将尽或许多的RF数据转移到体系集成芯片（SOC）、CPU或GPU。当时超声技能的运用也从特定的放射学确诊扩展到各类便携式运用，床旁实时监测以及医疗现场就地查看等各个范畴。
本运用攻略总述了超声体系的架构和原理，剖析了体系规划的注意事项，总述了运用于超声芯片的先进技能，最终讲解了医学超声芯片的模仿参数。
注：本运用攻略是依据徐晓辰所宣布的书本章节及论文翻译而成。如需转载，请联络TI及作者。
1. 医学超声成像
超声波是一种频率高于20KHz的声波。医学超声成像体系常选用1 MHz至20 MHz的频率，可抵达亚毫米级分辨率。榜首台商用超声成像体系诞生于20世纪70年代，可供给实时的2D亮度或灰度图画。现在，超声成像凭仗安全性、本钱效益和实时方面的优势，现已成为重要的医学成像技能。医学超声体系能够有用地监测婴儿发育，也可用于确诊心脏、肝脏、胆囊、脾脏、胰腺、肾脏、膀胱等内脏器官的疾病。
典型的超声体系包括压电换能器、电子电路、图画显现单元和DICOM（医学数字成像和通讯）兼容软件。典型超声体系的简化框图如下所示。
图1.典型超声体系的简化框图
2. 声波发生和传达的原理
超声换能器是超声体系的要害组成部分，由压电元件、连接器和支撑结构组成。压电效应是指某种资料的物理尺度随施加的电场而改变的现象，反之亦然。如下所示，超声运用中的大多数换能器是双共形式。换能器在发射相（形式）期间将电能转化成机械能。发生的机械波向介质传达，若介质不均匀则会反射。在接纳形式中，接纳反射的机械波形并由换能器转化成电信号。
图2.换能器振荡、声波传达和反射
在换能器被电子鼓励之后，会发生声波并在介质中传达。在医学超声中，FDA（食品药品管理局）要求一切成像体系满意瞬时、峰值和均匀强度的约束。
咱们一般将换能器灵敏度或换能器插入损耗（IL）界说为接纳（Rx）和发射（Tx）信号起伏之间的比率，如下所示：
方程式 1
换能器频率由压电资料L的厚度和资猜中的声速cm决议：
程式 2
如前所述，常用的频率规模为1MHz至20MHz。依据上述方程式，较高频率的换能器需求较薄的资料。因而，构建极高频的换能器具有必定的应战性。
换能器频率呼应或带宽是另一个要害参数。作为一般规矩，若换能器被脉冲信号（即短尖峰）鼓励，则接纳回波的持续时刻决议了换能器的带宽。具有极快呼应（即短回波）的换能器是宽带换能器，反之亦然。在大多数运用中一般优选更宽的带宽。在相同的换能器频率下，宽带换能器可完结更好的轴向分辨率，因为回波长度决议了超声体系的轴向分辨率。与此一起，宽带换能器适用于谐波成像，在该成像形式下超声能量以基频发射，而图画由接纳到回波的二次谐波来重建。如没有宽带宽换能器的状况下，换能器灵敏度在其谐波频率点2f0处明显下降。因而许多换能器研讨人员不断探究新资料、新架构和新制作工艺以进一步改善换能器功用。
在超声成像的前期阶段，用于超声体系的多通道电子电路既贵重又不老练。由电机驱动经过机械扫描办法成像单阵元换能器被广泛用于取得二维（2D）图画。因为机械结构的速度和精度约束，前期体系无法完结高帧率或高精度成像。现在，老练的阵列换能器和多通道电子技能可支撑64到512个阵元的换能器。以电子扫描为根底可取得高达》 100帧/秒的图画。为完结电子扫描，波束组成技能运用于聚集换能器的声束。波束组成的细节将在下一节中评论。与光学成像体系类似，超声体系可在聚集焦点处完结最佳空间分辨率。依据运用，一维（1D）阵列换能器包括线性阵列、曲折线性阵列和相位阵列。这些换能器之间的首要差异在于光束成形结构、成像规模和图画分辨率。此外，由超越2000个元件组成的最新2D阵列换能器可支撑实时三维（3D）成像。下图所示为单阵元换能器、1D阵列换能器和2D阵列换能器。
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供给）。
3. 换能器方针与图画质量
和任何成像体系类似，图画质量是医学超声成像中的重要规范。比如空间分辨率和成像穿透等一起参数首要经过换能器方针和声波传达理论来决议。超声图画的纵向和横向分辨率与介质中的声波波长成线性关系：
方程式 3
方程式 4
方程式中，c是介质中的声速，Zf 是焦距，2r是换能器孔径或直径。当换能器被脉冲信号鼓励时，τ-6dB为接纳回波的-6dB脉冲宽度的持续时刻。 τ-6dB也与波长λ成线性关系。关于宽带阵列换能器，咱们可别离比较5MHz和12MHz的横向分辨率，其作业频率为5MHz至14MHz。成像深度为5厘米。在两种状况下，64个换能器阵元构成有用孔径。元件之间的间隔为0.3mm。介质中的声速为1540m/s。有用孔径尺度为19.2mm。依据
的公式，关于5MHz和12MHz的声波，λ别离为0.31mm和0.13mm。依据上述方程式，横向分辨率别离在5MHz时为0.8mm，在12MHz时为0.33mm。因而，更高频率的运用完结更佳的分辨率。
实际上，仅经过添加换能器频率来改善图画质量并非彻底可行。一方面，更高频率的换能器需求更薄的压电资料，这需求更精密的制作技能，且本钱更高。另一方面，如后边章节所示，较高频率的声波在生物安排中简单衰减。
当介质不均匀时，声波的部分能量可在两个介质的鸿沟处反射。未反射的声波持续传达，直到它在下一个鸿沟被反射，或彻底衰减。反射和透射系数由这两种介质的声阻抗（Z=ρc）的差异决议。方程式中，ρ和c别离是介质的密度和声速，假定波传达方向垂直于鸿沟。
方程式 5
方程式 6
表1所示为所选生物安排、水和空气的特性。在两个声阻抗极点不同的状况下会呈现强反射信号。骨骼密度高，声速快；因而它总是超声图画中的强反射安排器。另一方面，血液和肝脏的声阻抗类似，因而这两种安排之间的反射很弱。只要高灵敏度的换能器才干拾取弱小的信号。如表1所示，信号在传达进程中会衰减。累积衰减跟着传达间隔的添加而添加。以方程式7核算衰减，其间系数2表现了声波双向传达。
方程式 7
在超声波探查体内安排的典型运用中，来自人体外表的回波与来自内部器官的回波之间的动态规模很简单超越100dB。咱们可假定均匀衰减系数为0.7dB/MHz×cm和7.5MHz换能器。在10cm的深度处，依据方程式7，即7.5×0.7×10×2dB，核算所得105dB的衰减。假定外表回波为1Vpp，体内器官回波的起伏为《10uVpp，十分弱。该示例标明超声信号具有极宽动态规模才干表征皮肤外表至内脏器官的生理结构的差异。因而需求杂乱的电子电路以供给满意的动态规模，而这在有限功耗的预算下是不简单完结的。
表1：典型安排和介质的声学特性
4. 超声成像形式
当换能器接纳到回波时，恰当的处理单元需求将这些信号转化成超声波查验师或其他最终用户的可理解的图画信息。超声成像运用几种成像形式来研讨安排特征、体液散布及活动、器官功用等。
A形式和B形式
在最早的超声体系中，经过显现回波的起伏及其时域信息来辅导临床确诊。即A形式（振幅形式）超声成像体系，如下图所示，它以一维逐行扫描为根底，。因为人类视觉对图画更灵敏 ，因而开发亮度或灰度成像形式有更活泼的临床意义。为构建2D图画，需求在特定区域上扫描换能器的声束，且在扫描期间取得多个A形式扫描行。这些扫描行构成一帧图画，沿着扫描线的回波起伏以线性或非线性办法映射到像素值。当换能器的声束满意快地进行扫描时，可完结实时图画。这些图画被称为B形式（亮度形式）图画，其创建了与扫描方向平行的一个横截面图画。
图4.扫描形式。（a）A形式扫描行，（b）B形式图画，（c）3D声束扫描，以及（d）B形式（子图1、2、3）和3D（子图4）临床图画（由Philips供给）
最近在最新的商业超声体系上发生了越来越新颖的成像形式（如3D和4D成像），这些是B形式成像的扩展。3D成像是以二维办法扫描声束并获取多个横截面B形式图画的叠加，如上图（c）和（d）所示。此外，4D成像被界说为实时3D成像。
多普勒超声
大多数临床超声体系包括另一个必不可少的特征：多普勒超声用来显现血液的活动信息。多普勒效应描绘了因为介质中的方针运动导致的波长偏移。若从远离观察者的声源发射波，则其波长添加，反之亦然。因而，当声波传达并被体内的运动方针反射时，发射脉冲和接纳回波的波长是不同的。该频率差是多普勒频移，可用于核算运动物体的速度：
方程式 8
方程式中，
是多普勒频移，f0是发射脉冲的中心频率，c是介质中的声速，θ是超声波束和运动物体之间的视点。
多普勒超声早在20世纪50年代就已用于医学运用。现在，它可评价血流和安排运动。在曩昔60年中，多种多普勒技能供给不同的确诊信息，包括接连波（CW）多普勒、脉冲波（PW）多普勒和五颜六色多普勒。这些多普勒形式之间存在较大的运用差异。
图5.接连波（CW）多普勒丈量装备
接连波多普勒是最早选用的技能，即经过从接纳的回波中提取多普勒漂移频率来完结。其丈量设置如上图所示，丈量中运用了两个换能器Tx和Rx。当Tx发射接连波时，Rx接纳来自任何反射器的回波。例如，若Tx向介质发送余弦波，则Rx检测来自移动反射器的移频余弦信号：
方程式 9
方程式 10
其间ωc是换能器的中心频率，ωd是由运动物体引进的多普勒频移（可经过用混频器解调来提取）。这种技能可丈量因为心脏瓣膜走漏引起的极高速血流，以及深静脉内极低速度的血流。为了处理CW电路的低相位噪声和低热噪声的应战，一般CW通路需求独自的模仿处理电路。。如前所述，超声图画的轴向分辨率取决于回波脉冲宽度。在CW操作中，脉冲宽度是无穷大；因而轴向分辨率很差，或许说是对轴向血流信息做均匀。横向分辨率取决于两个换能器重合的聚集区域。一般，CW丈量的首要缺点是其有限的空间精度，因为CW也可检测到不相关的区域发生的无关信号。一般来说CW模块的功用是区别高端体系和低端体系的要害方针。
图6.脉冲波多普勒丈量装备
脉冲波（PW）多普勒技能于20世纪60年代诞生，以处理CW空间分辨率差的问题。PW多普勒依据相同的B形式成像设置，因而它是原B超体系一个新功用。解谐和采样坚持技能用于提取流信息。PW多普勒体系的试验设置如上图所示。在该体系中，仅需求一个换能器，且暗影区域示出了由换能器的轴向分辨率（脉冲持续时刻）和横向分辨率确认的样本体积。一般，换能器以特定周期重复频率（PRF）发送4-16周期正弦信号，并接纳反射信号。因为接纳的信号被血流中的移动粒子的（如红细胞和白细胞）散射，因而时刻1的反射回波1与时刻2的反射回波2相位稍微不同。对接纳信号进行放大和处理以提取相移频率。与CW多普勒比较，PW多普勒检测有限感兴趣区域（ROI）中的流速，其间共用换能器一起也用于B形式成像。经过修正信号处理软件，可在B形式成像平台上完结PW多普勒功用。
在CW和PW多普勒形式中，流信息是从一个聚集声束中取得的，类似于A形式成像。在20世纪80年代，研讨人员依据五颜六色多普勒技能完结了血流散布的二维信息可视化。五颜六色多普勒处理也是依据B形式/PW形式信号途径。从感兴趣区域搜集多帧RF数据。因为感兴趣区域中的血液活动导致图画帧之间存在数据差异。相域中的自相关和时域中的互相关两种算法可从RF数据中提取数据方差（即血流速度和方向信息）：。依据预界说的色彩突变条相应地映射包括速度和方向的血流信息。一般，蓝色和赤色代码别离辨认朝向和远离换能器移动的血流。当流速添加时运用更亮的色彩，反之亦然。色彩映射的2D散布一直叠加在B形式图画上，以实时一起显现个别解剖结构和血流。它关于确诊心血管疾病，如血管阻塞和心脏瓣膜反流，极点有用。典型的五颜六色多普勒图画如下图所示，（b）显现颈动脉狭隘引起的血流流速改变。
图7.五颜六色多普勒成像：（a）以五颜六色多普勒和CW形式取得的图画（由Philips供给）； （b）显现颈动脉狭隘的五颜六色多普勒（由GE供给）
五颜六色多普勒依然是一个活泼的研讨范畴。众所周知，自相关和互相关处理技能需求强壮的核算才能。正在开发新算法以较低的核算本钱剖析血流。与此一起，得益于半导体技能的最新进展，具有更低功耗和更高核算才能的数字信号处理器正运用于该范畴。
其他成像形式
B形式、CW多普勒、PW多普勒和五颜六色多普勒是超声体系中最首要的成像形式。咱们简略介绍下在日常确诊中常常用到的其他成像形式以获取更全面的临床信息
运动形式（M形式）是依据B形式；它可在一段时刻内捕获心脏运动，并指示缺点瓣膜或心室腔室的功用。
安排谐波成像（THI）于20世纪90年代开端盛行，现在是新体系中的规范成像形式。谐波信号由安排中的声波传达失真而发生。在THI中，提取这些谐波以完结图画对比度和分辨率改善、伪像削减和信噪比（SNR）的添加。自20世纪90年代末和21世纪初以来，编码鼓励等技能也有所开展并运用到临床。总所周知杰出的轴向分辨率需求短脉冲持续时刻（即低发射声能），而为添加SNR，咱们希望添加脉冲持续时刻。经过优化的匹配滤波器和鼓励码，咱们仍可使编码鼓励长脉冲完结短脉冲类似的轴向分辨率。
由生物安全的气体/微气泡组成的造影剂可明显进步SNR和对比度，因为这些微气泡是完美的声学反射器。造影剂增强成像有助于心血管确诊。此外，这些微气泡比正常安排具有更强的非线性特征，适用于谐波成像。
医学超声是一种安全且低本钱的医学成像手法，是MRI、光学和PET体系的杰出弥补。多成像形式体系可利用每种成像形式优劣势互补集成以取得最佳确诊信息。例如，光声成像可将超声成像的深度穿透与光学成像的高对比度相结合。MRI引导超声医治是多模态办法的另一个示例。
5. 超声波电子学
下述框图标明典型的超声体系。首要组件包括高压发射电路、低噪声模仿前端、发射和接纳器波束组成电路、数字信号处理单元、图画显现和存储单元以及其他配套电路。
图8.典型超声电子电路的框图
超声发射电路和接纳电路
在当时体系中，多通道发射器用于鼓励阵列换能器。依据可用的成像形式，发射电压在±2V至±100V之间改变。有时，为下降体系本钱，运用高压多路开关将一个发射器通道切换到多换能器元件。在低端到中端体系中，挑选依据方波的高压发射电路，因为它们具有高集成度和低本钱。在高端体系中，高压线性放大器可生成各种杂乱波形。在换能器上，高压发射信号和低压回波共存。因而，T/R开关电路坐落高压发射电路和低噪声放大器之间，其首要功用是维护低压放大器。超声信号可依据其传达间隔或时刻而明显衰减。因而，在接纳器中，增益跟着超声传达时刻添加而添加。这一重要特性称为时刻增益补偿（TGC），一般需求如下所示的电压操控放大器（VCA）。在放大和预处理之后，将信号数字化并传递到接纳器波束组成器或接连波（CW）多普勒处理单元，其间混频器提取音频规模（20Hz到20KHz）中的多普勒信号。
图9.用于时刻增益补偿的电压操控放大器
在曩昔30年中，超声前端电子设备已从分立电路晋级为集成电路芯片。各类超声波前端处理方案大大简化体系规划并下降本钱。
考虑到超声前端电子设备的极点要求，例如》100dB动态规模和20Hz~》GHz作业频率，每个小的改善都需求在晶体管级、芯片级、电路板级和体系级上进行很多的研制作业。与大多数混合信号体系类似，杰出的模仿输出一直是后续信号处理和图画质量改善的根底。低功耗、低噪声和紧凑的尺度是超声前端电子规划的首要考虑事项。
波束组成器
波束组成器包括发射和接纳波束组成器来完结电子聚集和操控多阵元换能器的声束。，如下图所示从一个换能器阵元到方针的间隔与从另一个阵元到方针的间隔不同；因而在发送相，针对每个阵元恰当地推迟发送的信号，以使得发射器信号一起抵达方针并在方针处发生最高声强，也便是获取最强回波。在接纳阶段，经过对接纳到的回波运用恰当的推迟，以完结线性叠加来自多个换能器阵元的回波，以完结最高灵敏度。
图10.用于在（a）发射相和（b）接纳相中聚集声束的换能器波束组成器
因为发射电路首要是数字型，因而发射推迟完结是经过现场可编程门阵列（FPGA）或数字信号处理器（DSP）等高速计数器完结的。因为接纳信号的杂乱性，接纳波束组成器明显需求更多的算法优化得以完结。前期依据分立晶体管电子电路信号处理才能有限。因而，接纳器波束组成波束组成器以依据电感电容组合的模仿推迟线来完结。在20世纪80年代，接纳器波束组成器开端运用多通道模数转化芯片和数字波束组成技能。
图11.数字波束组成器图解
在现在的干流超声体系中，接纳波束组成器一般都是数字型的。数字波束组成器一般在具有极高的核算才能的FPGA、DSP、PC或GPU（图形处理单元）中完结。如前所述，较大的换能器孔径可完结更佳的分辨率。因而，在高端超声体系中，256个换能器元件构成一个聚集光束，以取得精密分辨率图画。因而高端波束组成器所需的核算才能适当杂乱。
生物安排在形状、密度、声速等方面存在异质性。实时推迟核算和校准会依据所涉安排的声学特性和形状。因为波束组成器规划的重要性和杂乱性，大多数超声波公司都有自己的IP。在不影响波束构成功用的状况下，简化波束构成器规划依然是一个热门话题。信任正在研制新的波束组成器架构将广泛用于未来的超声体系。
数字信号处理
超声信号需求很多的信号处理，以便从原始超声数据中提取各成像形式所需的信息。首要处理模块包括B形式图画重建、依据快速傅里叶变换的多普勒频谱信息提取、依据自相关和互相关的五颜六色多普勒核算、超声图画扫描坐标转化（2D超声坐标到笛卡尔坐标）、图画增强等。现在，商用处理器，如现场可编程门阵列（FPGA），数字信号处理器（DSP），被广泛运用，。FPGA使体系规划人员能够对内部逻辑门进行硬连线，并优化其算法的功率。另一方面，DSP为体系规划人员供给预界说的规范核算模块，可实时更改和优化他们的算法。换言之，FPGA以硬件功率制胜，而DSP以软件灵活性宠爱。新的信号处理器，如PC和GPU；它们的核算才能高于FPGA和DSP，而软件开发本钱则大大低于FPGA和DSP但是，因为PC和GPU的高功耗，它们并不必定适宜低功耗便携式体系。
6.模仿前端芯片规划中的工艺挑选
在任何AFE规划之前，半导体工艺挑选一直是依据规划方针的首要要害考虑注意事项。CMOS和BiCMOS工艺是超声模仿前端规划中最常用的工艺。它们中的每一个都有其本身长处，且适用于相应的电路块。
BiCMOS（双极CMOS）工艺现在比纯双极工艺更受欢迎，因为它包括用于模仿规划的高功用双极晶体管和用于数字规划的CMOS元件。双极晶体管适用于低噪声放大器规划，具有超低1/f噪声、宽带宽和杰出的功耗/噪声功率。双极性工艺还下降了电路电容，以取得杰出的总谐波失真。因而，依据双极或BiCMOS工艺的放大器可在比依据CMOS工艺的放大器小得多的区域和更低的功耗下完结相同的功用。
德州仪器的0.35um BiCMOS工艺用于研讨双极和CMOS器材之间放大器规划的功用影响。下图（a）标明，依据双极晶体管的放大器在相同的偏置电流下可完结更低的噪声；它还阐明双极晶体管具有超低1/f噪声特性，这关于具有调制和解调电路的多普勒运用至关重要；（b）与类似的CMOS规划比较，双极规划明显减小了面积。当然，因为半导体工艺的特征尺度减小，在0.35um BiCMOS工艺和《0.35um CMOS工艺之间的面积差异变小。但是，一般来讲，因为上述长处，0.35um BiCMOS工艺依然极点适于放大器规划。
图12.依据CMOS与BiCMOS工艺规划的比较
当电路具有更多数字内容和开关元件（如中速ADC）时，CMOS工艺更适宜。医学超声信号频率处在1~20MHz规模内，其ADC采样率一般低于100MSPS，现在大多数CMOS工艺都可轻松处理。选用0.18um~65nm CMOS工艺，ADC规划可完结更佳的集成和功耗下降。此外，与可比较的BiCMOS工艺比较，CMOS工艺一般本钱更低，且完结更短的制作周期。一切这些都标明CMOS工艺适用于超声AFE中的ADC规划。
总归，当下降噪声/功耗是首要方针时，BiCMOS工艺适于超声AFE中的TGC放大器规划，即压控放大器（VCA）规划。另一方面，CMOS工艺是在ADC规划中完结低功耗和高集成度的杰出挑选。特别是在0.18um至65nm的节点，与0.35um BiCMOS工艺比较，具有完好低压数字库的CMOS工艺能够具有竞争力的本钱取得更高的集成度。
很明显，BiCMOS VCA和CMOS ADC的组合可抵达一个噪声《0.8nV/rtHz，功耗《150mW/CH的超卓模仿前端处理方案。这种组合不只需求专用半导体工艺，还需求先进的封装技能。下图所示为一个模仿前端处理方案，在同一封装中具有两个芯片。实际上，还能够集成两个以上的芯片和多个无源元件。此外，多芯片模块（MCM）可为体系规划供给更大的灵活性。例如，若有更新的ADC或VCA处理方案，它可替代旧的AFE处理方案中的一个处理方案，且依然坚持管脚到管脚的兼容性，以取得更佳功用。
图13.多芯片模块封装
在曩昔十年中，超声波AFE的工艺技能从0.5um移至90nm，从CMOS仅移至BiCMOS和CMOS，从单芯片移至封装中具有无源元件的多个芯片。如图所示一切这些技能大大下降了功耗，提升了功用并缩小了芯片尺度
图14.AFE集成度的开展
7、超声模仿电路的首要参数
超声信号有其本身的特色。正如咱们在前面部分所评论的那样，体系中常常会观察到超越100dB的动态规模。低频音频电路、高频数字电路、低噪声放大器、低噪声时钟电路存在于同一体系、同一电路板或乃至同一芯片上。AFE规划和体系规划有必要处理这些应战。
过载康复
过载信号一般是指高压发射脉冲经过高压收发开关（T/R switch）的走漏大信号或许是强回波信号。若AFE规划中未考虑过载康复，它们会下降LNA、PGA、ADC和CW电路的瞬态呼应功用。模仿规划人员面临着在有限功耗预算条件下，在大动态规模内完结瞬时康复呼应且呼应功用共同的应战。作为一种较为常见的规划方案，应首先在高压收发开关规划中运用满意的限流限压技能，这可消除对模仿前端的榜首级即低噪声放大器的过载影响。在LNA规划中，钳位二极管一般可防止LNA进一步饱满。
剖析两种常见的过载状况。榜首种是因为高压收发开关导通，考虑到超声成像的死区时刻一般在3到5us左右，因而超声模仿前端的过载康复时刻有必要抵达微秒量级，。现在由基MOSFET的高压收发开关处理，仅答应《《 1Vpp发射走漏直通；而依据二极管桥构成的高压收发开关，其走漏电压可达2Vpp。因而大多数AFE规划为可处理~2Vpp过载信号，以满意各种收发开关的功用。另一种过载状况是因为来自血管壁的大反射信号，超声模仿前端有必要当即康复，以检测血液中的小回波。第二种状况在多普勒运用中极点常见，其功用决议了血流检测灵敏度和准确度。下图所示为模仿血管壁强回波，然后是来自血液的小信号的反响。下述信号具有60dB的动态规模，即5周期250mVpp信号和5MHz时的5周期250uVpp信号；小信号装备为具有0°或180°相移。下图所示为超声模仿前端的呼应以及0°和180°呼应之间的差异，即类似于多普勒运用中的相位检测类似。小信号和相位差的提取确保了多普勒运用中的杰出功用。
图15.过载康复（a）输入信号；（b）输出信号
除快速过载呼应和准确的相位检测之外，屡次过载康复呼应的共同性关于频谱多普勒和五颜六色多普勒运用也是至关重要的。共同的过载康复可削减体系中的频谱噪声或五颜六色噪声。我们可经过比较来自多个信号的过载呼应差异来评价共同性。
此外，谐波成像是大多数体系中的规范装备。脉冲回转成像被广泛运用。因而体系AFE确保对正脉冲和负脉冲有对称的过载呼应。最终，在超声体系中常常叠加多个不同类型的图画便于确诊，如双工形式、即B形式转化到多普勒形式，乃至三共形式。以。各个作业形式运用到不同的发射电压和占空比的发射波形。因而，AFE需求快速呼应两个或多个图画线内的不同过载信号。当快速切换图画形式时，不同的过载信号不该影响AFE过载功用的共同性。
多普勒运用中的信号和噪声调制
超声体系是杂乱的混合信号体系，具有各类数字和模仿电路。数字信号和时钟信号会搅扰体系级或芯片级的模仿信号。别的比如晶体管和二极管之类的非线性元件可调制噪声，也会搅扰RF信号。
在超声多普勒运用中，体系中的调制效应会影响图画质量和灵敏度。多普勒信号频率规模从20Hz到》50Khz不等。一起，多个别系的时序信号也在此规模内，如帧时钟、成像线时钟等。这些噪声信号可经过接地、电源和操控管脚进入芯片。研讨芯片级的调制效应，如：（PSMR）电源调制比就很重要。具有必定频率和起伏的噪声信号可施加在电源管脚上。若存在调制效应，则可找到边带信号。PSMR标明为载波和边带信号之间的起伏比，如下所示：
图16.PSMR（a）和IMD3（b）描绘
除PSMR外，三阶交调搅扰（IMD3）是衡量混合信号IC功用的要害参数。一起，在超声运用中，用于IMD3丈量的输入信号具有不同的起伏，其别离代表来自静态安排大回波和来自活动血液的多普勒小信号，其起伏差可达20到30dB左右。体系规划人员可运用IMD3来估量由多普勒镜像频率信号所发生的伪像。多普勒频谱显现中常用40到50dB的动态规模。因而，优于50dBc的IMD3不该影响体系功用。
接连波（CW）多普勒参数
作为中高端体系的要害功用，接连波多普勒已开端成为便携式体系的标配。与TGC途径比较，接连波多普勒途径具有处理更大动态规模和更低相位噪声的长处。此外，因为具有这些特色，接连波多普勒波束组成一般在模仿域中完结。多种波束组成办法都在超声体系中运用，包括无源推迟线、有源混频器和无源混频器。在曩昔几年中，依据混频器的接连波多普勒结构凭仗体积小、易于完结且支撑多个CW频率的杰出灵活性而逐步占有主导地位。此外，接连波多普勒波束组成器已集成在与TGC途径相同的芯片上。此外无源混频器不只下降了功耗和噪声，也满意了接连波多普勒的处理要求，如宽动态规模、低相位噪声、准确I/Q通道增益和相位匹配等。
简化的接连波多普勒途径框图如下所示。整个CW途径包括LNA、电压电流转化器、依据开关电路的无源混频器、带低通滤波器的加法器和时钟电路。大多数模块包括功用严厉对称的同相和正交通道，以完结杰出的镜像频率按捺和波束组成精度。
图17.CW的简化框图
下述图解和方程式描绘了混频器操作的原理。
图18.混频器操作的框图
方程式中，Vi（t）、Vo（t） 和LO（t）别离是混频器的输入、输出和本地振荡器信号。Vi（t）包括高次谐波；LO（t）代表方波，其包括奇数谐波重量，如下式所示：
方程式 11
依据方程式，来自LO（t） 的3阶和5阶谐波可与Vi（t）中这些频带中的3阶和5阶谐波或宽频噪声相调制。因而，混频器的噪声功用会下降。为了防止这种不良影响，在LNA输出或混频器时钟输入上都需求谐波按捺电路，以完结更佳的噪声系数。依据以上方程式，混频器的转化损耗约为20log2/π 也便是-4dB左右。
优于-46dBc镜像频率按捺是CW成像中的希望参数。CW I/Q通道匹配也可有助于镜像频率重量。文献标明，0.25°的I/Q相位差错可得到-53dBc按捺；且0.05dB的I/Q增益差错可得出-50dBc按捺。它们是CW途径的规划方针。因而，CW I/Q途径需求严厉的增益和相位匹配。低容差电阻（0.1%）一般用于依据运算放大器的有源滤波器。
典型的CW多普勒移频处在100Hz到20KHz之间。因为混频特性，CW信号途径的相位噪声主导低血流速度。因而，大多数AFE以载波频偏为1KHz时的CW相位噪声作为首要功用方针。
最终，CW途径的动态规模依据输入参阅噪声和最大输入信号：
方程式 12
为完结杰出的CW功用，需求》160dBFS/Hz的发射器和接纳器电路动态规模。
8. 总结
超声成像是一种安全的医学成像形式，具有很大潜力，。越来越多就地查看的床旁运用需求低功耗、低噪声和紧凑的体系。为了充分发挥超声信号的长处，有必要挑选适宜的工艺以完结低功耗、低噪声和小尺度的意图。BiCMOS工艺适用于低噪声放大器规划，具有超低1/f噪声、宽带宽和杰出的功耗/噪声功率；而CMOS工艺在低功耗下完结了高数字密度。两者结合运用先进的封装技能，可供给最先进的模仿前端处理方案。为抵达所需的超声波参数，如快速共同的过载康复、低IMD3和PSMR、准确的I/Q匹配、接连波多普勒混频器中奇次谐波按捺等，需求考虑芯片中的各个参数已抵达规划的归纳优化。
参阅文献
· Xiaochen Xu， “Challenges and ConsideraTIons of analog front ends design for portable ultrasound systems”， 2010 IEEE Utlrasonics symposium.
· Xiaochen Xu， “Impact of Highly Integrated Semiconductor SoluTIons for Ultrasound System”， 2016 Transducer Conference， University of Southern California.
· Xiaochen Xu， etc. “Handbook of Research on Biomedical Engineering EducaTIon and Advanced Bioengineering Learning”， ISBN. 978-1466601222， 2012.
