简介 最先进的IC L 超声波装置 收发器 由于应用物理及电子学的研究及发展，医疗成 像领域受益极多，尤其在仪器、影像撷取及建模等方 面。由于超声波本身完全无侵人性因此在各种威像 模式中占有特殊地位，为内脏研究提供了可靠的方 法。超声波技术用于医疗用途已逾半世纪之久然 而这类的必要设备不仅体积庞大，而且价格昂贵 直到最近才特别以离散式部件进行制作。 由于半导体制程技术的进展，如此的趋势正在持 续变化之中，目前已能够完全以半导体Ic制作超声 波收发器。现在，运用低电压的Jc技术能够制作 德州仪器Ismail Oguzman及Arash Loloee 出显著高增益及低噪声效能的超声波接收器芯片。同 样地，在高电压方面，愈来愈多人关注驱动超声波传 感器的收发器Ic制作。本文概述超声波收发器芯片 设计上的进展及面临的难题。 综观超声波系统：传输及接收功能 简单来说超声波系统的运作原理是产生用于患 者身上的音波然后接收反射信号并加以处理以形 成患者身体的影像。传送至身体内的原始音波是由传 感器所产生而传感器一般是由发送器产生的电子脉 、冲所发动。同样地反射音波是由传感器所接收，然 68-一CompoTech China2010 07 医 疗 电 子 后转换回电子形式，产生的信号经过最终处理即可 确定相关身体部位的内部结构。 图1显示完整医疗超声波系统的典型结构。传输 路径能够以多种不同的方法达成。此路径包含一个波 束形成器，以及多个电位转换器、闸极驱动器与高电 压开关，其输出会传送至超声波传感器。通常以压电 材质制作的传感器能够将高电压电子信号转换为音 波 这是系统的最终输出。 就某些系统而言，在透过数字逻辑驱动输出级的 传输路径中，信号始终维持数字性质，不过，您也能 够以模拟方式建立信号，并传输至传感器，而其中需 要一个能够将波束形成器输出转换为模拟格式的数字 类比转换器(DAC)接着在将信号传送至传感器之 前，需要针对产生的信号进行模拟放大。 超声波系统的接收路径使用的是模拟方法。由于 接收信号的振幅远低于传输信号，因此前端包括一个 低噪声放大器，以及某种增益控制区块。过滤非相关 高频率部份之后 产生的信号会透过模拟数字转换器 (ADC)转换为数字形式，而模拟数字转换器的输出 则由波束形成器来处理。 超声波收发器系统的其他重要部份包括能够交错 进行多个通道活动的多任务器以及能够控制转换器 及收发器电子部件之间信号流量的传输接收开关。 传输接收开关的其中一项重要功能是在传输事件期 间保护接收器，因为传输过程会产生远高出接收器区 块可承受的极高传输线路电压。 超声波系统需求：传输路径的难题 电压范圈及运作舞率 本文目前所述的超声波系统能够产生各种信号样 式来满足不同成像模式的需求。在某个极端情况中， 通常会发现B模式及谐波成像应用需要高电压(6O V100 V)低负载周期(0520)信号。在 另一种极端情况中连续波(CW)都卜勒型成像模 式需要低电压(3V1OV)、1负载周期信号。 这表示，在1MHz 20 MHz基本频率范围中， 相应的负载周期条件需要超声波系统的收发器电路产 生土3V100V的输出电压。 显然收发器输出的100V需求需要高电压开 关。收发器包括一个Ic时，则需要能够承受大电场 的高电压晶体管，因此，收发器无法在一般用于CW 运作的低电压(10V)下发挥效用。设计能够在电 压范围的两种极端情况下达到产品规范的收发器，仍 图2：100 V电源供应下的一般超声波收发器输出，以及流入1Q及3OO pF平行负载的相应瞬间电流。 201007电子与电脑一 69 医疗电子 ed ical Electron ics 然是不易解决的难题。 输出电压的宽范围并不是制作超声波收发器部件 唯一的难题，其他方面的挑战将在以下逐一阐述。 回转率 根据前文所述的电压摆幅及运作频率收发器 可能必须产生高达8 Vns的回转率。由于传感器 需要1OOQ及300pF的一般平行负载，因此可看出 收发器在最严苛的情况下会提供接近3 A的瞬时电 流(图2)。 谐波失一 超声波收发器的理想输出是正弦曲线信号，这类 信号可满足最高电压振幅及运作频率需求。您可以产 生矩形脉冲，完全不需要产生这类难以产生的模拟信 号。由于受到传感器本身低通滤波特性的先天限制 这类脉冲仅局限于前几个谐波。在其余的偶次谐波 中，第二个谐波一般最具破坏性。因此第二个谐波的 抑制量便成为衡量超声波收发器的主要质量因子。 脉冲对称性及归零 一般很容易就能够看出超声波收发器输出的对 称性需求，然而输出信号不一定是长脉冲序列，而 且其中可能包括一对前后均为0V的正负极脉冲， 因此 信号归至0V的质量至关重要。这有时称为 tO-一CompoTech China2010 07 “阻尼”函数(图 3)，并且会对某些超 声波模式产生重大影 响，例如，以人体非 线性为主要信息来源 的谐波威像。 因此，由正脉冲 归至0V与由负脉冲 归至0V的对称性， 以及这两者进行的速 度快慢，便成为决定 输出信号线性质量的 因素。 导通电阻 导通状态中的输出晶体管电阻对于超声波收发 器的运作至关重要。首先，导通电阻与负载两者会共 同决定输出信号的升降时间，以设定可达到的输出频 率。其次，导通电阻会直接影响功耗。根据前述的电 压及电流范围，在超声波传输事件期间，会出现大量 的功耗。相较于CW都I-勒型成像模式的低电压与 持续运作，B模式或谐波成像等情况的高电压与负载 周期之间的相互作用会决定这类功耗的程度。 超声波收发器系统的其他重要效能参数也包括输 出信号抖动与相位噪声，以及信道之间的延迟匹配。 半导体发挥作用 过去数十年来，半导体技术一直是通讯及计算机 产业不断进展的根基，目前更即将为医疗技术带来同 等的突破性发展，尤其是在成像应用中。超声波也不 例外，其中经历了由传统使用的离散式系统转换为完 全整合式半导体芯片型解决方案的过程。由于半导体 lc具有高速、低功耗及小体积等先天优势，因此能 够协助医疗成像厂商缩短产品上市时间、达到终端设 备的可移植性、提升产品可靠性及效能并且满足成 本效益的需求。 目前可透过单芯片Ic解决方案来实现传输接 收及传输接收开关功能其中可用的Ic收发器都 能够产生高达8 Vns回转率的4-1OOV输出电压， 医 疗 电 子 以及低于-40 dBc的二阶谐波失真。透过主动式阻 尼架构，即可实现脉冲对称性及快速归零。例如，德 州仪器的TX734是一款4-90V、2A、3级、4通 道、具有主动式阻尼功能的整合式收发器。此整合式 超声波脉冲器以及1 6信道模拟前端芯片AFE5851 与8通道传输接收开关TX810，都是超声波系统 可用的IC解决方案。 结论 过去几十年来，医疗成像领域有许多重大的进 展。在这些进展中，超声波技术扮演着独特的角色， 从产科医学到血管成像，乃至于某些程序中使用的针 头引导，甚至是某些良性及恶性肿瘤的治疗等方面的 应用，超声波均适合做为诊断工具。半导体lc技术 使得如此的发展更为加速，各式各样Ic发挥了超声 波系统所有主要的功能，使得临床医生及其他用户能 够享受可移植性、影像高分辨率及产品高可靠性等重 要成果。躲 References 1WAIlison “Fundamental Physics for Probing and Imaging ”Oxford University Press26 2BHaider Power Drive Ckcuits for Diagnostic Medical Ultrasound IEEE Proceedings of the 1 8th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，June 2006 3MA AverkiouDNRoundhand J EPowers “A New Imaging Technique Based on the Nonlinear Properties of Tissues”lEfE Ultrasonics Symposium1 997 4B Haider and R Y Chiao Higher Order Nonlinear Ultrasonic Imaging”IEEE Ultrasonics Symposium，1 999 关于作者 Isma_l Oguzman现任德州仪器资深Ic设计工程师 另担 任德州仪器技术小组成员，本身拥有美国乔治亚州亚特兰大市 乔治亚理工学院物理学硕士与博士学位 以及土耳其伊斯坦 堡科技科技大学电机工程学士学位。IsmaiI的电子信箱为ti ismailoguzmanlistticorn。 Arash Looee现任德州仪器资深Ic设计工程师另担任德 州仪器技术小组成员，本身拥有美国德州达拉斯市南美以美大 学电机工程硕士与博士学位以及美国德州北德州大学丹顿分 校物理学学士学位，目前也在美国德州大学达拉斯分校讲授模 拟电路的课程。Arash的电子信箱为ti_arashloloeelist titom。 第四届“恩智浦杯创新设计大赛火热开赛 恩智浦半导体(NXP Semiconductors)宣布第 四届恩智浦杯创新设计大赛正式起跑。今年恩智浦 设定的竞赛主题为“嵌入创意，照亮绿色 芯 未 来”，旨在鼓励学生们尽情点亮创意以对地球人 类与生活的关怀为出发打造创新且节能的绿色照 明设计。进入决赛的设计选手不但能有机会获得大 奖，而且将受邀至际秋季灯饰展参观学习 接受恩智浦技术专家的咨询辅导，与恩智浦一起建 构绿色节能的环境。 随着环保意识的普遍提升，绿色科技已成为业 内的普遍趋势及产业新标准。作为领先的高性能混合 信号解决方案供应商，恩智浦致力于以其创新技术有 力支持节能照明市场的电子产品设计，打造更多绿色 节能的优质产品。大赛本着恩智浦绿色应用设计 健 康、环保和灵活(Health，Environment，MobiI ty)” 的概念，邀请参赛选手展现绿色、实用的创意设计， 尽情挥洒想象力和创造力。 本届比赛将基于恩智浦指定的照明驱动方案或微 控制器方案中的任一款产品，进行 绿色照明的智能 LED驱动和控制方案(Smart LED Driving and Control for Green Lighting) 的应用设计。中国大陆 台 湾、香港与澳门等地区在内的电子、计算机等工科专 业的大学、院校或研究所在读学生可以1至3人为单 位单独或组队报名参赛报名时间为自6,El 25日至9月 10日止。参赛选手需根据比赛相关规定，通过设计作 品阐述本队的设计思维与设计架构。此后比赛将分为 两个阶段 评审先根据6个项目包括绿色应用、设计 创意、系统架构、设计文档条理、以及附加信息数据 (如设计代码、原理图等)进行综合评分，选出1O组 设计进入下阶段实际制板的决赛。决赛阶段，专业评 审团将评选出最佳创意奖、最佳绿色照明应用奖、最 佳技术表现奖，最具潜力奖等奖项。 关于第四届恩智浦杯创新设计大赛的详细信息， 请访问WWWcnnxpcomcampus。 201007电子与电脑一 71