揭示超声波发射器芯片（1）的设计方案

医学成像的积极领域得益于应用物理和电子学的研究与开发，特别是在仪器仪表，图像采集和建模等领域. 因为它是完全非侵入性的，所以超声在各种成像模式中都占据着特殊的位置，这为研究内部器官提供了可靠的方法. 超声波技术已经用于医疗目的超过半个世纪. 但是，这种必需的设备体积庞大且昂贵，直到最近才专门使用分立设备进行制造.

由于半导体工艺技术的进步，这种趋势正在改变. 现在超声波接收芯片，半导体IC可以完全用于制造超声波. 现在，低电压IC技术使具有明显更高增益和更低噪声性能的超声芯片成为现实. 同样，在高压端，制造驱动超声换能器的IC的兴趣日益浓厚. 本文概述了超声发射器芯片设计的一些进展以及存在的许多挑战.

超声系统概述: 发送和接收功能

简而言之，超声系统的工作原理是为患者产生声波，然后接收并处理反射的信号以形成患者身体的图像. 发送到体内的原始声波由发射器产生，通常会被发射器产生的电脉冲激发. 类似地，反射的声波被发射器接收，然后转换回电子形式，最后对所得信号进行处理以确定相关身体部位的内部结构.

图1显示了完整的医学超声系统的典型结构. 有几种不同的方法可以实现发送路径. 该路径可能包含一个波束形成器和许多电平转换器，栅极驱动器和高压开关，其输出被发送到超声发射器. 一般来说，发射器是由压电材料制成的，它将高压电信号转换成声波，这是系统的最终输出.

图1完整的医学超声系统的典型结构

在某些系统中，在通过数字逻辑驱动输出级的传输路径中超声波接收芯片，从头到尾获取保持信号的数字属性. 但是，您也可以模拟方式创建信号并将其发送到发射机. 它涉及一个数模转换器（DAC），可将波束形成器的输出转换为模拟格式. 然后，在将其发送到发射机之前，使用模拟放大来生成信号.

对于超声系统的接收路径，使用模拟方法. 因为接收到的信号的幅度远低于发送的信号，所以前端包括一个低噪声放大器，其后是某个增益控制模块. 滤除不相关的高频部分后，将所得信号通过模数转换器（ADC）转换为数字形式，并由波束形成器处理模数转换器的输出.

超声波系统的其他重要部分包括与多个通道活动交互的多路复用器，以及控制发射器与电子设备之间的信号流的开关. 接收/发送开关的一项关键功能是在发送事件期间保护，因为发送事件涉及过高的传输线电压，该电压远高于模块的承受能力.

超声系统要求: 传输路径挑战电压范围和工作频率

到目前为止，所描述的超声系统可以生成各种信号图像，以满足不同成像模式的要求. 在极限范围内，可以获得B型显示和谐波成像应用所需的高压（60〜100V）和低占空比（0.5〜2.0％）信号. 在另一种极端情况下，可以获得连续波（CW）多普勒成像模式所需的低电压（3-10V），占空比为100％的信号.

也就是说，在1-20MHz基本频率范围内，在相应的占空比条件下，超声系统的发射器电路需要产生±3V的输出电压？ ±100V.

很明显，变送器的±100V输出需要一些高压开关. 当发射器包含IC时，此要求将转换为高压晶体管，并经过优化以承受大电场. 同样，它们在通常用于CW操作的低电压（<10V）上也无法正常工作. 设计符合电压范围远端产品规格的变送器仍然是一个严峻的挑战.

宽范围的输出电压并不是制造超声发射器设备的唯一问题，还有更多挑战.

转化率

基于前面提到的电压摆幅和工作频率范围，可能必须产生高达8V / ns的压摆率. 结合代表发射器的典型并联负载100Ω和300pF，可以看出，在最严酷的条件下，发射器将提供接近3A的瞬态电流（参见图2）.

图2具有±100V电源的典型超声发射器输出，相应的瞬时电流流入100Ω和300pF并联负载中

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