采用高度集成的低功耗、雙極型放大器和連續(xù)波多普勒（CWD）混頻器/波束成型電路能夠使下一代結(jié)構(gòu)緊湊的超聲設(shè)備達(dá)到“高端”CWD的指標(biāo)。超聲系統(tǒng)中要求苛刻的臨床診斷工具是連續(xù)波多普勒（CWD）接收器。對小尺寸、低成本的要求不得不犧牲CWD系統(tǒng)的靈敏度性能，通過分析當(dāng)前使用的CWD接收器方案，設(shè)計(jì)人員開發(fā)出了新一代解決方案，該方案采用了已經(jīng)投產(chǎn)的高集成度、低功耗雙極型放大器和CWD混頻器/波束成型芯片組。新方案能夠保證CWD接收機(jī)無需折衷診斷特性。

　　典型的相控陣CWD架構(gòu)中，64至128個(gè)超聲傳感器在孔徑中心附近均分成兩部分，一半的傳感器單元用于發(fā)送器，聚焦超聲CWD發(fā)射波束，另一半用于接收器，聚焦接收波束。作用在發(fā)射單元的信號是方波信號，典型頻率為1.0MHz至7.5MHz多普勒頻率。將適當(dāng)相位的信號作用到發(fā)射單元來聚焦發(fā)射波束。同樣，CWD接收信號通過對每個(gè)接收單元的信號進(jìn)行相位調(diào)整、求和進(jìn)行聚焦。

　　“波束成型”CWD接收信號由固態(tài)組織反射的強(qiáng)信號（通常稱其為雜波）以及流動(dòng)的血液反射回來的較弱的多普勒信號組成。每個(gè)相控陣接收通道輸入端的典型雜波可能高達(dá)200mVP-P，而接收機(jī)參考輸入的噪底會低至1nV/。為了優(yōu)化接收性能，需要每通道的SNR達(dá)到大約157dBc/Hz。

　　對于一個(gè)64通道的CWD接收機(jī)，其SNR的要求非常極端。每個(gè)接收通道的噪聲不相關(guān)，結(jié)果對于64個(gè)通道的噪底，波束成型后的信號噪底可能比單個(gè)通道的噪底高出18dB。然而每個(gè)通道的CWD是相關(guān)的，波束成型后的CWD信號會比單個(gè)通道的CWD信號高出36dB?？紤]到“求和增益”的作用，波束成型后SNR的要求會比單個(gè)通道高出18dB，達(dá)到175dBc/Hz! 更加困難的是，感興趣的低速多普勒信號的頻率會在1kHz以內(nèi)或低于雜波信號。由此可見超聲檢測設(shè)備面臨巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　波束成型后的RF CWD信號混頻后得到基帶I、Q信號，這兩路信號經(jīng)過帶通濾波后進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。RF至基帶的混頻處理通常是接收鏈路保證SNR的瓶頸，這個(gè)處理過程對CWD的性能影響較大，對于64通道設(shè)計(jì)示例，I、Q RF混頻器需要在處理波束成型信號時(shí)具有173dBc/ (1kHz頻偏)的動(dòng)態(tài)范圍。能夠達(dá)到這一指標(biāo)的混頻器很難實(shí)現(xiàn)，此外，本振驅(qū)動(dòng)信號還必須保持極低的抖動(dòng)。遺憾的是很難從市場上獲得能夠達(dá)到這樣指標(biāo)的邏輯器件—雖然CWD延時(shí)線能夠滿足結(jié)構(gòu)緊湊的超聲系統(tǒng)的要求，因此，上述性能的局限性是亟待解決的問題。

圖1  基于CWD延時(shí)線的接收機(jī)簡化電路　　

　　為了獲得更高性能，在CWD系統(tǒng)中引入一個(gè)CWD混頻器/波束成型器，簡化框圖如圖2所示。該架構(gòu)中，每個(gè)通道都具有一個(gè)I/Q混頻器，在基帶端（而非RF端）進(jìn)行波束成型求和；每路I/Q混頻器的LO相位可以調(diào)節(jié)在n （n = 8至16相）個(gè)相位的其中之一。LO相位的變化將改變接收信號的相位，達(dá)到波束成型的目的。

　　由于混頻器的實(shí)現(xiàn)基于每個(gè)通道，對每個(gè)通道混頻器的要求可以降低到157dBc/Hz （1kHz頻偏）。這一SNR指標(biāo)雖然苛刻，但利用雙極型混頻器和標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件可以實(shí)現(xiàn)。混頻器輸出為電流，而且在聲波基帶進(jìn)行無源求和，可以滿足CWD波束成型的SNR要求。

圖2  低功耗LNA和CWD混頻器/波束成型電路能夠簡化CWD接收機(jī)設(shè)計(jì)，獲得高性能　

　　過去，由于缺乏適當(dāng)?shù)募晒に?，很難實(shí)現(xiàn)高性能的波束成型架構(gòu)。但目前這一問題已經(jīng)得到解決，完全集成的8通道VGA和8通道CWD I/Q混頻器以及配套的可編程LO驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)開始供貨，圖3所示給出了這類器件MAX2038接收鏈路的示圖。采用這種架構(gòu)可以使超聲系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)異的CWD性能，不存在上述延時(shí)線CWD架構(gòu)的局限性。

圖3  簡化后的單通道超聲接收機(jī)，采用MAX2038單芯片8路I/Q混頻器和MAX2034 4路LNA，有效提高系統(tǒng)性能　

　　構(gòu)建CWD接收器的另外一個(gè)潛在問題是LNA放大器的SNR指標(biāo)，為了降低功耗、減小尺寸，許多超聲設(shè)計(jì)人員選擇了CMOS LNA，這樣的器件可能適合某些能夠控制CWD性能的應(yīng)用。利用幾何尺寸低于0.35?m的CMOS工藝制作放大器時(shí)需要特別注意這個(gè)問題，在如此小尺寸的制造工藝中生產(chǎn)出的電路往往具有較大的1/f噪聲，1/f噪聲會引起LNA增益的低頻調(diào)制，這是一個(gè)極其負(fù)面的影響。

　　較強(qiáng)的RF CWD雜波通過這種LNA時(shí)將產(chǎn)生較大的低頻調(diào)制噪聲，從而降低SNR指標(biāo)和CWD檢測靈敏度。因此，為了滿足高性能的應(yīng)用需求，應(yīng)選擇類似于MAX2034 4通道超聲LNA的低功耗雙極型放大器。