如何使用超低噪聲電源提高超聲系統的圖像質量

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

超聲波技術是醫療診斷和其他應用中廣泛使用的無創工具，已經從靜態圖像進化到動態圖像，從黑白呈現變為彩色多普勒圖像。這些重大進步主要是由于引入了數字超聲技術。雖然這些進步提高了超聲成像的有效性和通用性，但同樣重要的是，這些系統借助在頭端超聲探頭、用于驅動探頭并捕捉返回信號的模擬前端 (AFE) 方面的進步，可提供質量更高的圖像。

實現圖像質量改善的障礙之一是噪聲，因此設計目標是提高系統的信噪比 (SNR)。這可以部分地通過解決系統中各種電源軌引起的噪聲問題來實現。請注意，這類噪聲并非簡單的個體。相反，這類噪聲具有不同的特點和屬性，決定了其最終如何影響系統性能。

本文將介紹超聲成像的基本原理，然后重點介紹影響圖像質量的不同因素，其中主要介紹電源噪聲。本文將以[Analog Devices]的DC-DC 穩壓器為例介紹電源器件，這些器件可以顯著改善信噪比和超聲系統其他方面的性能。

超聲波成像的基本原理

概念很簡單：產生一個尖銳的聲學脈沖，然后“聆聽”脈沖在遇到障礙物或器官之間的各種界面及其各種不同的聲學阻抗時的回聲反射。通過重復進行這些“脈沖 - 返回”操作，就可以利用反射創建反射面的圖像。

對于大多數模式的超聲，壓電換能器陣列以脈沖形式發送有限數量個周期波（通常為 2 至 4 個）。這些波在每個周期的頻率通常在 2.5 - 14 MHz 之間。該陣列通過類似于相控陣射頻天線的波束成形技術進行控制，因此對整個超聲脈沖進行聚焦并加以引導，從而形成掃描。然后，換能器切換為接收模式，以檢測來自人體內部反射波的返回情況。

請注意，發射/接收的時間比率通常約為 1%/99%，脈沖重復頻率通常在 1 - 10 kHz 之間。通過對脈沖從發射到接收回聲的過程進行計時，并知道超聲能量在身體組織中的傳播速度，就可以計算出從換能器到將波反射回的器官或界面的距離。經過大量的數字式后處理，回波振幅決定了超聲圖像中分配給反射部分的像素亮度。

了解系統要求

盡管基本原理在概念上很簡單，但完整的高端超聲成像系統是一種復雜的設備（圖 1）。這種系統的最終性能主要由傳感器和模擬前端 (AFE) 決定，而對數字化反射信號進行后處理則允許通過算法來增強這種情況。

毫不奇怪，不同的系統噪聲是圖像質量和性能的限制因素之一，這類似于考慮數字通信系統中的誤碼率 (BER) 與信噪比。

圖 1：一個完整的超聲成像系統是大量模擬、數字、電源和處理功能的復雜組合；AFE 決定了系統的性能界限。（圖片來源：Analog Devices）

在壓電換能器陣列和有源電子設備之間有一個發射/接收 (T/R) 開關。該開關用于阻止驅動換能器的高壓發射信號到達低壓接收側的 AFE，造成后者損壞。在先后經過放大和調節后，接收到的反射信號被傳遞到 AFE 的模數轉換器 (ADC) 進行數字化，然后進行基于軟件的圖像處理和增強。

超聲系統的每一種不同的成像模式對動態范圍都有不同的要求，因此對信噪比或噪聲的要求也不同：

• 對于黑白圖像模式，需要有 70 dB 的動態范圍；本底噪聲很重要，因為會影響到在遠場能夠看到的最小超聲回波的最大深度。這就是所謂的穿透力，是黑白模式的關鍵特征之一。
• 對于脈沖波多普勒 (PWD) 模式，需要有 130dB 的動態范圍。
• 對于連續波多普勒 (CWD) 模式，需要 160dB 的動態范圍。請注意，1/f 噪聲對 PWD 和 CWD 模式特別重要，因為這些圖像包括 1kHz 以下的低頻頻譜元素，而相位噪聲會影響高于 1kHz 的多普勒頻譜。

這些要求很難滿足。由于超聲換能器的頻率通常在 1 MHz 到 15 MHz 之間，因此會受到此范圍內任何開關頻率噪聲的影響。如果在 PWD 和 CWD 頻譜內存在互調頻率（從 100 Hz 到 200 kHz），多普勒圖像中就會出現明顯的噪聲頻譜，這在超聲系統中是不可接受的。為了達到最高的系統性能和圖像質量（清晰度、動態范圍、無圖像斑點和其他品質系數），研究導致信號質量受損和信噪比下降的源頭便顯得非常重要。

第一個顯而易見：由于衰減，來自身體深處的組織和器官（如腎臟）的回波要比靠近換能器的器官回波弱得多。因此，反射信號被 AFE“提高了增益”，使其盡可能多地占據 AFE 的輸入范圍。為此，使用了自動增益控制 (AGC) 功能。這種 AGC 功能類似于無線系統中使用的 AGC。在無線系統中，AGC 會評估無線射頻接收信號強度 (RSS)，并對其在幾十分貝范圍內隨機的、不可預測的變化進行動態補償。

然而，超聲應用的情況與無線鏈路不同。相反，路徑衰減已知，正如聲能在軟組織中的傳播速度為 1540 m/s，或者說比在空氣中的傳播速度（約 330 m/s）快五倍，因此衰減率也是已知的。

基于這一知識，AFE 使用可變增益放大器 (VGA)。該 VGA 被用于時間增益補償 (TGC) 放大器。該 VGA 的增益為線性 dB；其配置方式是：“線性 - 時間”斜坡控制電壓會增大“增益 - 時間”，從而在很大程度上補償衰減。這會最大限度地提高信噪比并發揮 AFE 動態范圍的作用。

噪聲類型及如何消除

盡管超聲系統設計者無法控制體內和病人引起的信號噪聲，但必須管控內部系統噪聲。所以，了解噪聲類型、噪聲影響以及如何減少噪聲非常重要。主要關注方面包括開關穩壓器噪聲、由信號鏈、時鐘和電源造成的白噪聲、與布局相關的噪聲。

• 開關穩壓器噪聲：大多數開關穩壓器使用一個簡單的電阻器來設置開關頻率。由于不同的獨立穩壓器的頻率會相互混合并交叉調制，因此該電阻器的標稱值公差會不可避免地造成不同的開關頻率和諧波?？紤]到即使是一個誤差為 1% 的嚴格公差電阻器也會在 400 kHz 的 DC-DC 穩壓器中產生 4 kHz 的諧波頻率，進而導致諧波更難控制。

一個較好的解決方案是選擇具有同步功能的開關穩壓器 IC，且同步功能通過該開關穩壓器的某個封裝引腳上的 SYNC 連接來實現。利用該特點，外部時鐘可以將信號分配給各個穩壓器，使這些穩壓器都以相同的頻率和相位進行切換。這樣就消除了額定頻率和相關諧波產物的混合。

例如，[LT8620]是一款高效率、高速度、同步單片式降壓開關穩壓器，可接受高達 65 V 的寬輸入電壓范圍，并且靜態電流消耗僅 2.5 μA（圖 2）。該器件的低紋波“猝發模式”可在非常低的輸出電流下保持高能效，并同時將輸出紋波維持在 10 mV 峰峰電壓以下。使用一個 SYNC 引腳，用戶可在 200 kHz 至 2.2 MHz 范圍內與外部時鐘同步。

圖 2：高效的 LT8620 降壓型開關穩壓器包括一個 SYNC 引腳，因此其時鐘可與其他系統時鐘同步，從而最大限度地減少時鐘互調效應。（圖片來源：Analog Devices）

另一種技術是使用開關穩壓器。這種開關穩壓器采用隨機擴頻時鐘，可將產生的電磁干擾 (EMI) 擴展到更寬的頻段，以降低其在任何特定頻率下的峰值。對于某些對 SNR 要求不高、更關注滿足 EMI 要求的應用來說，雖然這種技術是一種具有吸引力解決方案，但它在更廣泛的頻譜上產生的合成諧波中引入了不確定性，使得合成頻率更難控制。例如，鑒于 EMI，20% 的開關頻率擴頻導致 400 kHz 電源中的諧波頻率在 0 到 80 kHz 之間。因此，雖然這種降低 EMI“尖峰”的方法可能有助于滿足相關的監管規定，但對于超聲設計的特殊 SNR 需求來說可能會適得其反。

恒頻開關穩壓器有助于避免這一問題。ADI 的 Silent Switcher 穩壓器和 μModule 穩壓器系列具有恒頻開關功能。同時，這種穩壓器通過可選擇的擴頻技術實現 EMI 性能，以達到出色的瞬態響應性能，而不會引入與擴頻相關的不確定性。

Silent Switcher 穩壓器系列也不僅限于低功率穩壓器。例如，[LTM8053]是一款采用 40 V 在 （最大值）且具有 3.5 A 連續電流、6 A 峰值電流的降壓穩壓器，包括一個開關控制器、電源開關、一個電感器和所有輔助器件。只需要輸入和輸出濾波電容器就可完成設計（圖 3）。該器件支持 0.97 V 至 15 V 的輸出電壓、200 kHz 至 3 MHz 開關頻率，且這兩者均通過單獨的電阻器來設定。

圖 3：Silent Switcher 產品族的 LTM8053 器件可提供 3.5 A 連續/6 A 峰值電流；采用 3.4 V 至 40 V 輸入且具有 0.97 V 至 15 V 的寬輸出范圍。（圖片來源：Analog Devices）

LTM8053 的獨特封裝有助于在保持較高電流輸出的同時確保低 EMI。Silent Switcher μModule 穩壓器中的銅柱倒裝片封裝有助于減少寄生電感，優化尖峰和死區時間，從而能在小封裝中實現高密度設計和大電流能力（圖 4）。如果需要更大的電流，可將多個 LT8053 器件并聯。

圖 4：LTM8053（及其他 Silent Switcher 器件）集成了一個銅柱倒裝片，可在小封裝中實現高密度設計和大電流能力，同時最大限度地減小寄生電感。（圖片來源：Analog Devices）

Silent Switcher 產品線技術和拓撲結構并不限于單輸出穩壓器。[LTM8060] 是一款四通道、40 V在Silent Switcher μModule 穩壓器，具有一個可配置 3A 輸出陣列（圖 5）。該器件的工作頻率高達 3 MHz，采用緊湊的 (11.9 mm × 16 mm × 3.32 mm) 超模壓球柵陣列 (BGA) 封裝。

圖 5：LTM8060 是一款四通道 μModule 可配置陣列器件，具有 3 A/通道輸出，封裝緊湊，尺寸僅為 11.9 mm × 16 mm × 3.32 mm。（圖片來源：Analog Devices）

這款四通道器件有意思的方面是，其輸出能以不同的配置并聯，以滿足最高可達 12 A 的不同負載電流需求（圖 6）。

圖 6：LTM8060 的四個 3A 輸出可以采用具有不同并聯配置的布局，以滿足應用的 DC 電源軌要求。（圖片來源：Analog Devices）

總之，Silent Switcher 穩壓器在噪聲、諧波和熱性能方面擁有許多優勢（圖 7）。

| | | 低頻噪聲 | 開關噪聲諧波 | 高散熱性能 |
| ---------------- | ------------------------------------------------------- | ----------------------------------------- | -------------------------------------------- |
| 架構 | Silent Switcher 3 器件具有超低噪聲基準 | Silent Switcher 技術結合 Cu 柱封裝 | Silent Switcher 技術結合封裝內散熱器 |
| 特性 | 在低 f 噪聲方面與 LDO 穩壓器性能相當 | 低 EMI，低開關噪聲
開關頻率快，微小空槽 | 高功率密度
更低的熱阻 |
| 在應用中的優勢 | 在保持同等圖像質量的同時，消除了對 LDO 后穩壓器的需求 | 高頻率，高效率 | 相同電流水平下，最大限度地減少了性能降級。 |

圖 7：所示為 Silent Switcher 產品族穩壓器相對于重要設計觀點的關鍵屬性。（圖片來源：Analog Devices）

• 白噪聲：超聲系統中也有許多白噪聲源，這將導致背景噪聲和圖像“斑點”。這種噪音主要來自于信號鏈、時鐘和電源。在敏感模擬元件的電源引腳上添加一個低壓差 (LDO) 穩壓器即可解決這個問題。

ADI 的下一代 LDO 穩壓器（如 [LT3045]）具有約 1 μV rms（10 Hz 至 100 kHz）的超低噪聲水平，并在 260 mV 典型壓差電壓下提供高達 500 mA 的輸出電流（圖 8）。工作靜態電流的標稱值為 2.3 mA，關斷條件下遠低于 1 μA。其他低噪聲 LDO 可覆蓋 200 mA 至 3 A 范圍內的電流。

圖 8：LT3045 LDO 穩壓器因其在 200 mA 至 3 A 的電流范圍內具有約 1 μV rms 的超低噪聲而備受矚目。

• 電路板布局：在大多數 PC 板布局中，來自開關電源的大電流信號跡線與相鄰的低電平信號跡線之間存在沖突問題，因為前者的噪聲會耦合至后者。這種開關噪聲通常是由輸入電容、頂側 MOSFET、底側 MOSFET 以及由于接線、布線和粘合而產生的寄生電感所產生的“熱環”。

標準解決方案是增加一個吸收電路，以減少電磁輻射，但這樣會降低效率。Silent Switcher 架構通過使用雙向發射創建相反的熱環路（稱為“分離”）來提高性能，且即使在高開關頻率下也能保持高效率，從而將 EMI 降低約 20 dB（圖 9）。

圖 9：通過建立一個相對立的“熱循環”，將電流流動路徑分離，Silent Switcher 能將 EMI 大幅降低約 20 dB。（圖片來源：Analog Devices）

效率與噪聲

看起來，如果在電源噪聲與潛在效率之間有一個權衡，那么在超聲應用中應該優先考慮對超低噪聲的需求。畢竟在“大視野”系統層面上，多出幾毫瓦功耗應該不會帶來多么大的負擔。此外，為什么不增加換能器的脈沖能量以增加脈沖信號強度，從而增加反射信噪比呢？

但是這種權衡還帶來另一個復雜的問題：包含換能器、壓電元件驅動器、AFE 和其他電子電路的手持式數字探頭的自發熱。探頭的一些電能在壓電元件、透鏡和背襯材料中耗散，從而導致換能器發熱。伴隨著換能器頭部的聲能浪費，這將導致探頭發熱和溫升。

傳感器表面的最高允許溫度會被限制。IEC 標準 60601-2-37（2007 年修訂版）規定，當傳感器向空氣中發射信號時，其溫度限制為 50°C，而當向合適的假人（標準人體模擬器）發射時，該溫被度限制為 43°C；后一個限制值意味著皮膚（通常為 33°C）最多可以被加熱 10°C。因此，在復雜的傳感器中，傳感器發熱是重要的設計考慮因素。這些溫度限制值可能有效地限制了可用的聲學輸出，但與可用的直流電源無關。

結語

超聲波成像是一種使用廣泛的、寶超值的無創、無風險醫學成像工具。雖然基本原理在概念上簡單，但設計一個有效的成像系統則需要大量的復雜電路，以及為其各個子電路供電的多個直流穩壓器。這些穩壓器和相關電源必須具有高能效，但也必須具有非常低的噪聲，因為對反射的聲學信號能量有極嚴苛的信噪比和動態范圍要求。如圖所示，Analog Devices 的 LDO 和 Silent Switcher IC 可以滿足這些要求，而不影響空間、EMI 或其他關鍵屬性。