超声技术是医疗诊断和其他应用中广泛使用的无创工具，已经从静态图像转向动态图像，从黑白呈现转向彩色多普勒图像。这些重要的增强功能很大程度上归功于数字超声技术的引入。虽然这些进步提高了超声成像的有效性和多功能性，但对于这些系统来说，通过前端超声探头和驱动探头并捕获返回信号的模拟前端(AFE)的进步来提供更高的图像质量同样重要。

　　噪声是实现这种改善图像质量的障碍之一，因此设计目标是提高系统的信噪比(SNR)。这部分可以通过解决系统中各种电源轨引起的噪声来实现。请注意，这种噪声不是单个简单的实体。相反，它具有各种特征和属性，这些特征和属性决定了它最终如何影响系统性能。

　　本文将介绍超声成像的基本原理，然后重点介绍影响图像质量的不同因素，主要是来自电源的噪声。它将使用来自 DC-DC 稳压器的设备 ADI公司 作为电源组件的例子，可以大大提高SNR和其他方面的超声系统性能。

　　超声成像基础知识

　　这个概念很简单：产生一个尖锐的声脉冲，然后在遇到障碍物或器官之间的各种界面及其不同的声阻抗时“聆听”它的回波反射。通过重复执行这些脉冲返回序列，反射可用于创建反射表面的图像。

　　对于大多数超声模式，压电换能器阵列发送有限数量的波周期(通常为两到四个)作为脉冲。每个周期中这些波的频率通常在2.5至14兆赫兹(MHz)的范围内。该阵列通过类似于相控阵射频天线的波束成形技术进行控制，因此可以聚焦和控制整个超声脉冲以创建扫描。然后，换能器切换到接收模式，以感测来自体内的反射波的返回。

　　请注意，发射/接收定时比通常约为 1%/99%，脉冲重复频率通常在 1 到 10 kHz 之间。通过定时脉冲从其传输到接收的回波并了解超声能量在身体组织中传播的速度，可以计算从换能器到反射波的器官或界面的距离。返回波的振幅决定了经过相当多的数字后处理后分配给超声图像中反射的像素的亮度。

　　了解系统要求

　　尽管基本原理在概念上很简单，但完整的高端超声成像系统是一个复杂的设备(图 1)。系统的最终性能在很大程度上取决于传感器和模拟前端(AFE)，而数字化反射信号的后处理允许算法来增强这种情况。

　　毫不奇怪，各种类型的系统噪声是图像质量和性能的限制因素之一，同样类似于数字通信系统中考虑误码率(BER)与SNR。

　　图 1：完整的超声成像系统是大量模拟、数字、电源和处理功能的复杂组合;AFE 定义了系统性能的边界。(图片来源：ADI公司)

　　压电换能器阵列和有源电子器件之间有一个发射/接收(T/R)开关。该开关的作用是防止驱动传感器的高压发射信号到达并损坏低压接收侧AFE。接收到的反射经过放大和调理后，被传递到AFE的模数转换器(ADC)，在那里进行数字化并经过基于软件的图像处理和增强。

　　超声系统的每种不同成像模式对动态范围(因此SNR)或噪声要求都有不同的要求：

　　对于黑白图像模式，需要70分贝(dB)的动态范围;本底噪声很重要，因为它会影响在远场中看到最小超声回波的最大深度。这称为穿透，这是黑白模式的关键特征之一。

　　对于脉搏波多普勒(PWD)模式，需要130 dB的动态范围。

　　对于连续波多普勒(CWD)模式，需要160 dB。请注意，1/f噪声对于PWD和CWD模式尤为重要，因为这两个图像都包含低于1 kHz的低频频谱元素，并且相位噪声会影响高于1 kHz的多普勒频谱。

　　这些要求不容易满足。由于超声换能器频率通常在1 MHz至15 MHz之间，因此会受到该范围内任何开关频率噪声的影响。如果PWD和CWD频谱(从100 Hz到200 kHz)存在互调频率，则明显的噪声频谱将出现在多普勒图像中，这在超声系统中是不可接受的。为了获得最大的系统性能和图像质量(清晰度、动态范围、无图像斑点和其他品质因数)，重要的是要查看导致信号质量损失和SNR下降的源。

　　第一个是显而易见的：由于衰减，来自身体深处组织和器官(如肾脏)的回报远远弱于来自靠近换能器的那些。因此，反射信号被AFE“增益”，使其尽可能多地占据AFE的输入范围。为此，使用自动增益控制(AGC)功能。此AGC功能类似于无线系统中使用的功能，其中AGC评估无线RF接收信号强度(RSS)，并在数十分贝的跨度内动态补偿其随机，不可预测的变化。

　　但是，超声应用中的情况与无线链路的情况不同。相反，路径衰减是近似已知的，声能传播速度的速度也是已知的——软组织中为每秒1540米(m/s)，或比空气中传播速度快约5倍，约为330米/秒——因此衰减率也是已知的。

　　基于这些知识，AFE使用可变增益放大器(VGA)，该放大器被布置为时间增益补偿(TGC)放大器。该VGA的增益为线性dB，其配置使得线性与时间斜坡控制电压增加增益与时间的关系，以在很大程度上补偿衰减。这最大限度地提高了信噪比和AFE动态范围的使用。

　　噪声类型及其解决方法

　　虽然体内和患者引起的信号噪声超出了超声系统设计人员的控制范围，但必须管理和控制内部系统噪声。为此，重要的是要了解噪声类型、它们的影响以及可以采取哪些措施来减少它们。主要关注领域是开关稳压器噪声;信号链、时钟和电源引起的白噪声;以及与布局相关的噪音。

　　开关稳压器噪声：大多数开关稳压器使用简单的电阻来设置开关频率。该电阻器标称值的不可避免地容差引入了不同的开关频率和谐波，因为不同独立稳压器的频率相互混合和交叉调制。考虑到即使是精度为1%的严格容差电阻，也会导致400 kHz DC-DC稳压器中的谐波频率为4 kHz，从而使谐波更难控制。

　　更好的解决方案是选择具有同步功能的开关稳压器IC，该IC通过其封装引脚上的SYNC连接实现。利用此功能，外部时钟可以将信号分配给各个稳压器，以便它们都以相同的频率和相位切换。这消除了标称频率和相关谐波产物的混合。

　　例如， LT8620 是一款高效率、高速同步单芯片降压型开关稳压器，可接受高达 65 V 的宽输入电压范围，静态电流仅为 2.5 微安 (μA)(图 2)。其低纹波“突发模式”操作可实现低至极低输出电流的高效率，同时将输出纹波保持在 10 毫伏 (mV) 峰峰值以下。SYNC引脚允许用户建立与200 kHz至2.2 MHz外部时钟的同步。

　　图 2：高效 LT8620 降压型开关稳压器包括一个 SYNC 引脚，因此其时钟可与其他系统时钟同步，从而最大限度地降低时钟互调效应。(图片来源：ADI公司)

　　另一种技术是使用开关稳压器，该稳压器采用随机扩频时钟将产生的电磁干扰(EMI)分布到更宽的频段，从而降低其在任何特定频率下的峰值。虽然对于一些SNR不太重要且更关心满足EMI要求的应用来说，这是一个有吸引力的解决方案，但它会在更广泛的频谱上产生的谐波中引入不确定性，使其更难控制。例如，出于EMI考虑，开关频率扩展为20%，导致400 kHz电源中的谐波频率介于0至80 kHz之间。因此，虽然这种降低EMI“尖峰”的方法可能有助于满足相关的监管要求，但对于超声设计的特殊SNR需求，它可能适得其反。

　　恒定频率的开关稳压器有助于避免此问题。ADI公司的静音开关稳压器和μModule稳压器系列具有恒定频率开关功能。同时，它们通过可选择的扩频技术提供EMI性能，以提供出色的瞬态响应，而不会引入与扩频相关的不确定性。

　　静音开关稳压器系列也不仅限于低功耗稳压器。例如， LTM8053 为 40 V在 (最大值)、3.5 A连续、6 A峰值降压稳压器，包括开关控制器、电源开关、电感器和所有支持组件。只需输入和输出滤波电容即可完成设计(图 3)。它支持 0.97 至 15 V 的输出电压范围和 200 kHz 至 3 MHz 的开关频率范围，每个范围均由单个电阻器设置。

　　图 3：静音开关器系列的 LTM8053 成员可提供 3.5 A 连续电流/6 A 峰值电流;它接受 3.4 至 40 V 的输入，可在 0.97 至 15 V 的宽范围内提供输出。(图片来源：ADI公司)

　　LTM8053 独特的封装有助于保持低 EMI 以及较高的电流输出。静音开关器 μModule 稳压器中的铜柱倒装芯片封装有助于降低寄生电感并优化尖峰和死区时间，从而在小型封装中实现高密度设计和大电流能力(图 4)。如果需要更大的电流，可以并联多个LT8053器件。

　　图 4：LTM8053 (和其他静音开关器件)集成了一个铜柱倒装芯片，从而在小型封装中实现了高密度设计和大电流能力，同时最大限度地降低了寄生电感。(图片来源：ADI公司)

　　静音开关稳压器的技术和拓扑结构不仅限于单输出稳压器。这 LTM8060 是四通道，40 V在 静音开关 μModule 稳压器，具有可配置的 3 A 输出阵列(图 5)。它的工作频率高达 3 MHz，采用紧凑型(11.9 mm × 16 mm × 3.32 mm)包覆成型球栅阵列 (BGA) 封装。

　　图 5：LTM8060 是一款四通道 μModule 可配置阵列，每通道输出 3 A，采用紧凑封装，尺寸仅为 11.9 mm×16 mm × 3.32 mm(图片来源：ADI公司)

　　这种四通道器件的一个有趣方面是，其输出可以以不同的配置并联，以满足不同的负载电流需求，最高可达 12 A(图 6)。

　　图 6：LTM8060 的四个 3 A 输出可以布置在不同的并联配置中，以满足应用的 DC 电源轨要求。(图片来源：ADI公司)

　　总之，静音开关稳压器在噪声、谐波和热性能方面具有许多优势(图 7)。

　　图 7：所示是静音开关稳压器系列相对于重要设计角度的关键属性。(图片来源：ADI公司)

　　白噪声：超声系统中也有许多白噪声源，这会导致背景噪声和图像“斑点”。这种噪声主要来自信号链、时钟和电源。在敏感模拟元件的电源引脚上增加一个低压差(LDO)稳压器可以解决这个问题。

　　ADI的下一代LDO稳压器，如 LT3045，具有约 1 μV(μV) rms(10 Hz 至 100 kHz)的超低噪声水平，并在 260 mV 的典型压差电压下提供高达 500 mA 的电流输出(图 8)。工作静态电流标称值为2.3 mA，关断模式下降至远低于1 μA。其他低噪声LDO可提供200 mA至3 A的电流。

　　图 8：LT3045 LDO 稳压器以其在 200 mA 至 3 A 电流范围内约 1 μV rms 的超低噪声而著称(图片来源：ADI公司)

　　电路板布局：在大多数印刷电路板布局中，来自开关电源的大电流信号走线与相邻的低电平信号走线之间存在冲突，因为来自前者的噪声会耦合到后者中。这种开关噪声通常是由输入电容、顶部MOSFET、底部MOSFET和布线、布线和键合引起的寄生电感产生的“热回路”产生的。

　　标准解决方案是增加缓冲电路以减少电磁辐射，但这会降低效率。静音开关电源架构通过使用双向辐射创建相反的热回路(称为“分离”)来提高性能并保持高效率，从而将 EMI 降低约 20 dB(图 9)。

　　图 9：通过建立分离电流路径的相对“热回路”，静音开关可将 EMI 显著降低约 20 dB。(图片来源：ADI公司)

　　效率与噪声

　　如果在电源噪声与潜在效率之间进行权衡，那么超声应用中对超低噪声的需求似乎应该占上风。毕竟，在“大局”系统级别，再增加几毫瓦的耗散应该不会成为太大的负担。此外，为什么不增加换能器脉冲的能量来增加脉冲信号强度，从而增加反射的信噪比呢?

　　但这种权衡还有另一个复杂性：手持式数字探头的自发热，该探头包含换能器、压电元件驱动器、AFE 和其他电子电路。探头的一些电能在压电元件、透镜和背衬材料中耗散，从而导致换能器发热。随着换能器头中声能的浪费，这将导致探头发热和温度升高。

　　探头表面允许的最高温度是有限制的。IEC 标准 60601-2-37(修订版 2007)将换能器传输到空气中时将此温度限制为 50°C，在传输到合适的模型(标准身体模拟器)时限制为 43°C;后一个限制意味着皮肤(通常在33°C)最多可以加热10°C。因此，传感器加热是复杂传感器的一个重要设计考虑因素。这些温度限制可能会有效地限制可以使用的声学输出，与可用的直流功率无关。

　　结论

　　超声成像是一种广泛使用、无价、无创且无风险的医学成像工具。虽然基本原理在概念上很简单，但设计一个有效的成像系统需要大量复杂的电路，以及多个直流稳压器为其各种子电路供电。这些稳压器和相关功率必须高效，但由于反射声信号能量具有极端的SNR和动态范围要求，因此噪声也必须非常低。如图所示，ADI公司的LDO和静音开关IC满足这些要求，而不会影响空间、EMI或其他关键属性。