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構緊湊的超聲設備達到“高端”CWD的指標。


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，通過分析當前使用的CWD接收器方案，設計人員開發(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接收機無需折衷診斷特性。

 

CWD基本概念

典型的相控陣CWD架構中，64至128個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)射單元的信號是方波信號，典型頻率為1.0MHz至7.5MHz多普勒頻率。將適當相位的信號作用到發(fā)射單元來聚焦發(fā)射波束。同樣，CWD接收信號通過對每個接收單元的信號進行相位調整、求和進行聚焦。

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

對于一個64通道的CWD接收機，其SNR的要求非常極端。每個接收通道的噪聲不相關，結果對于64個通道的噪底，波束成型后的信號噪底可能比單個通道的噪底高出18dB。然而每個通道的CWD是相關的，波束成型后的CWD信號會比單個通道的CWD信號高出36dB?？紤]到“求和增益”的作用，波束成型后SNR的要求會比單個通道高出18dB，達到175dBc/Hz! 更加困難的是，感興趣的低速多普勒信號的頻率會在1kHz以內或低于雜波信號。由此可見超聲檢測設備面臨巨大的設計挑戰(zhàn)。

 

基于延時線的CWD波束成型

目前，超聲系統(tǒng)大多采用模擬延時線接收器實現(xiàn)CWD信號檢測(圖1)，來自超聲接收單元的輸入信號經(jīng)過緩沖、放大，LNA提供大約20dB的增益。LNA輸出被轉換成電流信號，隨后通過交叉開關和模擬延時線對RF頻率信號進行波束成型。


圖1. 基于CWD延時線的接收機簡化電路

這種架構很容易集成，因為它所需要的電壓-電流轉換器、模擬開關、無源延時線以及單路I/Q混頻器很容易集成。通過配置交叉開關求和，適當?shù)难訒r線抽頭切換信號，達到每個接收器的延時要求。

波束成型后的RF CWD信號混頻后得到基帶I、Q音頻信號，這兩路信號經(jīng)過帶通濾波后由高分辨率ADC進行數(shù)字轉換，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，這個處理過程對CWD的性能影響較大，以64通道設計為例，I/Q RF混頻器需要在處理波束成型信號時具有175dBc/Hz (1kHz頻偏)的動態(tài)范圍。

很難找到或設計能夠達到這一指標的混頻器，此外，本振驅動信號還必須保持極低的抖動。遺憾的是很難從市場上獲得能夠達到這樣指標的邏輯器件。雖然CWD延時線波束成型器能夠滿足結構緊湊的超聲系統(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CWD混頻器/波束成型器，簡化框圖如圖2所示。該架構中，每個通道都具有一個I/Q混頻器，在基帶端(而非RF端)進行波束成型求和；每路I/Q混頻器的LO相位可以調節(jié)在n (n = 8至16相)個相位的其中之一。LO相位的變化將改變接收信號的相位，達到波束成型的目的。


圖2. 低功耗雙極型LNA和CWD混頻器/波束成型電路能夠簡化高性能CWD接收機的設計

由于混頻器的實現(xiàn)基于每個通道，對每個通道混頻器的要求可以降低到157dBc/Hz (1kHz頻偏)。這一SNR指標雖然苛刻，但利用雙極型混頻器和標準邏輯器件可以實現(xiàn)。混頻器輸出為電流，而且在聲波基帶進行無源求和，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?shù)募晒に?，很難實現(xiàn)高性能的CWD波束成型架構。但目前這一問題已經(jīng)得到解決，對于功耗不敏感的應用無需降低CWD和成像質量，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構成的超聲接收機的單通道簡化框圖。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。

對于功耗和空間要求苛刻的高端應用，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)不再受早期延時線CWD架構的制約，能夠達到出色的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，器件內部集成了八個高性能、低功耗超聲接收通道，每個通道包括：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。

構建CWD接收器的另外一個潛在問題是LNA放大器的SNR指標，為了降低功耗、減小尺寸，許多超聲設計人員選擇了CMOS LNA，這樣的器件可能適合某些能夠控制CWD性能的應用。利用幾何尺寸低于0.35µm的CMOS工藝制作放大器時需要特別注意這個問題，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噪聲會引起LNA增益的低頻調制，這是一個極其負面的影響。

較強的RF CWD雜波通過這種LNA時將產(chǎn)生較大的低頻調制噪聲，從而降低SNR指標和CWD檢測靈敏度。因此，為了滿足高性能的應用需求，應選擇類似于MAX2034 4通道超聲LNA的低功耗雙極型放大器。