超声系统的信号链设计注意事项

7.超声模拟电路的主要参数

超声信号有其自身的特点。正如我们在前面部分所讨论的那样，系统中经常会观察到超过100dB的动态范围。低频音频电路、高频数字电路、低噪声放大器、低噪声时钟电路存在于同一系统、同一电路板或甚至同一芯片上。AFE设计和系统设计必须解决这些挑战。

过载恢复

过载信号通常是指高压发射脉冲通过高压收发开关（T/R switch）的泄漏大信号或者是强回波信号。若AFE设计中未考虑过载恢复，它们会降低LNA、PGA、ADC和CW电路的瞬态响应性能。模拟设计人员面临着在有限功耗预算条件下，在大动态范围内实现瞬时恢复响应且响应性能一致的挑战。作为一种较为常见的设计方案，应首先在高压收发开关设计中应用足够的限流限压技术，这可消除对模拟前端的第一级即低噪声放大器的过载影响。在LNA设计中，钳位二极管通常可防止LNA进一步饱和。  

分析两种常见的过载情况。第一种是由于高压收发开关导通，考虑到超声成像的死区时间通常在3到5us左右，因此超声模拟前端的过载恢复时间必须达到微秒量级，。目前由基MOSFET的高压收发开关处理，仅允许<< 1Vpp发射泄漏直通；而基于二极管桥构成的高压收发开关，其泄漏电压可达2Vpp。因此大多数AFE设计为可处理~2Vpp过载信号，以满足各种收发开关的性能。另一种过载情况是由于来自血管壁的大反射信号，超声模拟前端必须立即恢复，以检测血液中的小回波。第二种情况在多普勒应用中极其常见，其性能决定了血流检测灵敏度和准确度。下图所示为模拟血管壁强回波，然后是来自血液的小信号的反应。下述信号具有60dB的动态范围，即5周期250mVpp信号和5MHz时的5周期250uVpp信号；小信号配置为具有0°或180°相移。下图所示为超声模拟前端的响应以及0°和180°响应之间的差异，即类似于多普勒应用中的相位检测相似。小信号和相位差的提取保证了多普勒应用中的良好性能。