CTDS ADC 在医疗超声系统中的应用

孟想成真

　　至今，设计人员都面对ADC选择的折衷考虑。流水线转换器提供高分辨率和宽动态范围，但其功耗相当高。另一种方法，分立时间Δ∑转换器几乎不需要太大的功率，但严格受速度所限。

　　CTDS ADC

　　连续时间Δ∑(CTDS) 技术可填补转换器的空白。Xignal公司最近推出的产品可工作在40Msample/s(相当于流水线转换器的50~60Msample/s)，具有 12位或14位分辨率、高功能集成度(包含精确的片上时钟源)，其功耗仅70mW。此产品也具有1个电阻输入级，这很容易驱动，而不用借助缓冲放大器。

　　图1示出CTDS ADC 与流水线转换器相对性能比较，此图是根据IEEE认可的FOM(性能因数)测量。FOM是每次转换的能量量测。FOM也示出工艺结构未来的标度，连续时间Δ∑器件将沿给出较高性能水平的路线图发展。

　　图2标出1个完整的模/数转换系统。左手边的图示出1个完整的系统对于流水线转换器需5个外部电路元件。它们是可编程增益放大器(通过分离的DAC进行增益控制)；去除噪声的抗混淆滤波器；缓冲ADC本身容性输入的输入驱动器；提供精确定时基准的高性能时钟和锁相环。与此相反，连续时间Δ∑实现方法去除了所需的抗混淆滤波和输入驱动器，而Xignal的实现方法把所有其他功能都集成在片上。

　　CTDS转换技术的优点是：更快和更简单的系统设计，较低的功耗，对动态范围或速度不需折衷考虑。在多通道应用中，上述CTDC ADC的优点能增值，而且能使设计人员采用新的和有益的系统结构，而这在以前是不可能的。此技术的应用范围是广泛的，包括电子业的所有领域，特别是来自各种传感器的模拟信号需要转换为数字信号的领域。

　　医疗超声应用

　　在医疗超声系统中，超声换能器发射超声波，超声波被目标物反射并重新被换能器接收。为了扫描1个较大的区域并在一定的距离聚集在目标上，需要在目标小，需要在一维或二维阵列中配置多发送/接收元件以便形成波束。波束的聚焦和方向可以电控。

　　换能器通过灵活的缆线连接到处理数据的数据处理单元。每个换能元件通过自己的数据通道或多路转换电路连接到处理单元。高端系统配量高达512个通道，中等性能系统可达256个通道，便携系统可达128个通道。

　　根据目标到传感器头的距离和目标性质，经缆线接收和发送的模拟信号幅度是宽范围的。因此，缆线是由若干低损耗同轴芯组成，这是超声系统是昂贵的元件之一。尽管如此，缆线损耗和换能器接口上的损耗是高性能和相当昂贵接收器的要求。

　　信号完整性

　　若ADC做得紧靠换能器，则会改善信号完整性。模拟前端与ADC集成一起并把器件直接放置在换能器中将会降低对接收器性能的要求，而且数字传输与模拟信号处理单元相比更加可靠、成本更低。然而，CDTS技术开发之前所用的模拟前端，其流水线ADC每个通道耗电高达0.5W。这对于1个中等系统(128个通道)其耗电达64W，所产生的热会影响换能器头的性能并对病人和医生造成很大的不适。相反，在同样系统中采用CTDS方案耗电只有8.75W，甚至耗电会更小(采用多通道ADC器件共享某些资源，如PLL跨接多通道)。用1个8通道12位ADC可以实现功耗40mW/通道或128通道耗电5.12W。

　　便携系统要求缩小超声扫描器的尺寸。在实现小型和低成本系统中，ADC功耗是重要的设计参量，这种小型系统转换发生在换能器头或处理单元中，系统要求最少的冷却。新系统也可能是电池供电，所以使功耗最小是更关键的因素。

　　继续研究

　　人们研究在连续波多普勒应用中用数字波束形成器替代模拟波束形成器而且经过同样的数字处理通路处理来自几个超声节点的所有数据。数字域所增加的功耗可以采用较低电源电压1.2V或更低的先进CMOS工艺来降低。用这样的低电压一般的ADC技术不可能达到所要求的性能。连续时间Δ∑技术用1.2V电源能提供所要求的性能并将随着CMOS工艺技术的发展会进一步降低功耗和减小尺寸。

　　在换能器头中采用CTDS ADC的超声系统简化结构示于图3。除ADC外，有源换能器包含低功率可变增益放大器、串行器和数字接口，这能大大地降低用于互连主处理单元的缆线数量。

　　CDTS ADC 的优点是在最低可能的功耗下提供所需的高速度、高分辨率。在汽车、医疗、工业和测试测量设备的与传感器相关的应用中，此技术可以用于构成新的结构，使模/数转换靠近传感器。(冰)