适用于多个系统的设计：再塑超声波成像系统设计(2)

除功耗以外，AFE 噪声是超声波系统设计人员需要考虑的第二个因素。超声波变送器的接收信号量级可能会在 10uVPP 到 1VPP 之间变化[1]。能够探测到的信号越小，系统的灵敏度也就越高。输入等效电流和输入等效电压噪声都会影响系统灵敏度。一般而言，0.7 nV/rt(Hz)~1.5 nV/rt(Hz) (RTI) 的噪声参数用于从高端到低端的系统。一些现实系统应用证实这些噪声参数足以产生高质量的图像。虽然可以使用一款更低噪声的放大器，但是其对最终超声波图像质量并无显著提高，因为需要考虑输入等效电流噪声和发射/接收 (T/R) 开关的噪声。除输入等效电压噪声以外，闪烁噪声（即 1/f 噪声）也是成像应用中的一个重要因素。在存在混频的连续波 (CW) 模式下，低频噪声频谱移至载波频率，从而降低了相关频率的信噪比 (SNR)。具有白噪声性能的放大器优于其宽泛的工作频率。

在一些超声波应用中，增益控制范围在达到图像动态范围的过程中起着重要的作用。当 VCA 具有更高的增益控制范围时，最终图像也就拥有一个更宽泛的动态范围，从而得到更高的图像质量。组合 ADC 的 SNR，系统的动态范围可由以下方程式计算得出：

动态范围=SNR+增益控制范围（方程式 1）

例如，一个包含了 12 比特、70dB SNR 以及 40dB 增益控制范围 VCA 的系统可以获得 110dB 的动态范围。换句话就是说，考虑到人体 0.7dB/cmMHz 的衰减系数、10cm 的成像深度以及 7.5MHz 的变送器，由 10*2*0.7*7.5 可以计算得到105dB 的动态范围。在目前的一些超声波系统中，10~15MHz 的探针通常被用于对一些小范围进行成像。因此，通常会需要 100dB 以上的动态范围，从而得出这样的结论：大增益控制范围的 AFE 是首选。另外，更高总体增益的 AFE 是探测小信号和补偿其他电路带来的插入损耗（例如：无源高阶滤波器的插入损耗）的一种辅助。

放大器饱和与过载恢复也是重要的系统参数。相比单独进行讨论，将这两个参数放在一起进行评估和计算更为有价值。基本上来说，放大器的理想输入信号范围受限于其线性输出电压（与电源电压有关）和增益。

因此，较低的增益和较高的电源电压有益于该参数。但是，低增益会降低输入等效电压噪声，而高电源电压会增加总功耗，因此必须使用一种折中的方法。就一些便携式及中端系统而言，通常会选用 200 - 400mVPP 的参数。超声波放大器饱和通常是由高压脉冲泄漏或近表面物体反射的大信号引起的，这些表面物体的声阻抗差异性极大。此类例子包括表皮组织或骨骼，而在表皮组织或骨骼中仅有少量的临床信息。大多数情况下，这些区域的信息丢失可能不会影响临床诊断。但是，如果放大器不能及时恢复的话，那么就会有大量的信息丢失。AFE 的快速过载恢复时间确保了超声波系统能够尽可能多地获取有用信息。AFE 的过载恢复时间可以用　ADC 时钟周期数量表示。一个时钟周期的过载恢复时间较为理想。

超声波放大器饱和带来的另一个影响是谐波失真增加。由于使用了普及的造影剂，越来越多的系统（甚至是便携式系统）都要求整个系统的低二次谐波失真，以保证顺利的谐波成像。一般而言，变送器接收到的谐波信号会高达 40dB（低于基础信号），具体情况取决于造影剂声学属性、发送器电压和组织特性的综合因素。因此，放大器的 HD2 应低于 40dBc，这使系统能够获得理想的谐波图像。另外，高 HD2 可能会引起人为的多普勒移频。在一些临床情况中，这种人为因素可能会影响诊断的准确性。在最终多普勒图像中，人为多普勒移频会造成多普勒系统的方向隔离。一些文献 [2;3] 表明， 对一些 CW 和 PW 多普勒系统而言，45~50dB 的方向隔离可能就足够了。由上述因素，当 HD2 低于 40dBc 时，应规定 AFE 的线性输入范围。(责任编辑：admin)