如何使用超低雜訊電源提升超音波系統影像品質

超音波技術是醫療診斷和其他應用中廣泛運用的非侵入式工具，已經從靜態影像轉向動態影像，從黑白呈現轉向彩色的都卜勒影像。這些重要增進，很大程度上歸功於數位超音波技術的引進。雖然這些進展提高了超音波成像的效果與多功能性，但對於這些系統來說，超音波探頭以及驅動探頭並擷取回傳訊號的類比前端 (AFE) 有所進步，進而提升影像品質也同等重要。

雜訊是提升影像品質的阻礙之一，因此設計的目標在於提高系統的訊噪比 (SNR)。有個改善措施就是克服系統中多個電源軌所形成的雜訊。請注意，這類雜訊並非單一簡單的問題，而是具有多種特徵和屬性，最終會決定如何影響系統效能。

本文將介紹超音波成像的基本原理，然後重點說明會影響影像品質的不同因素，主要是來自電源的雜訊。會以 Analog Devices 的 DC-DC 穩壓器裝置當作電源元件的範例，說明其如何大幅改善 SNR 與超音波系統效能的其他層面。

超音波成像的基礎知識

這個概念很簡單：產生一個尖銳的聲音脈衝，然後「聆聽」其遇到障礙物或器官之間的各種接合處所發出的回聲反射，以及不同的聲音阻抗。重複執行這些脈衝回傳過程，就可利用反射來產生反射表面的影像。

在大多數超音波模式下，壓電傳感器陣列會發送有限數量的聲波週期 (通常為兩至四個) 作為脈衝。每個週期中的聲波頻率通常介於 2.5 至 14 MHz 的範圍內。此陣列會透過類似於相位陣列 RF 天線的波束成型技術進行控制，因此可以聚焦和引導整超音波脈衝，以建立掃描。接著，傳感器會切換到接收模式，來感測反射波從體內的回傳。

請注意，發射／接收計時比通常約為 1%/99%，脈衝重複頻率通常介於 1 至 10 kHz 之間。從脈衝發射到接收回聲的過程進行計時，並且瞭解超音波能量傳透身體組織時的速度，就可計算從傳感器到反射聲波的器官或接合處的距離。經過適當的數位後製後，回波的振幅就可決定與超音波影像中反光對應的像素亮度。

瞭解系統要求

儘管基本原理在概念上很簡單，但完整的高階超音波成像系統仍屬複雜的裝置 (圖 1)。系統的最終效能在很大程度上取決於傳感器和類比前端 (AFE)，對數位化的反射訊號進行後製，即可讓演算法進行增強。

不意外地，各種類型的系統雜訊是限制影像品質和效能的因素之一，類似於數位通訊系統中的位元錯誤率 (BER) 與 SNR 的考量。

圖 1：完整的超音波成像系統是大量類比、數位、電源和處理功能的複雜組合；AFE 可界定系統效能的邊界。(圖片來源：Analog Devices)

壓電傳感器陣列和主動式電子元件之間有一個發射／接收 (T/R) 開關。此開關的作用是預防驅動傳感器的高壓發射訊號抵達並破壞低壓接收側 AFE。接收到的反射經過放大和調節後，會傳遞到 AFE 的類比數位轉換器 (ADC)，在那裡進行數位化以及軟體式影像處理和增強。

超音波系統的各種不同成像模式都對動態範圍 (以及 SNR ) 或雜訊有不同的要求：

• 若是黑白影像模式，需要 70 dB 的動態範圍；背景雜訊很重要，因為會對在遠場中看到最小超音波回波的最大深度。這稱為穿透，更是黑白模式的關鍵特點之一。
• 若是脈搏波都卜勒 (PWD) 模式，則需要 130 dB 的動態範圍。
• 若是連續波都卜勒 (CWD) 模式，則需要 160 dB。請注意，對 PWD 與 CWD 模式來說，1/f 雜訊尤其重要，因為這兩種影像都包含低於 1 kHz 的低頻頻譜元素，而且相位雜訊會影響高於 1 kHz 的都卜勒頻譜。

這些要求並不容易滿足。由於超音波傳感器的頻率通常介於 1 MHz 至 15 MHz 之間，因此會受到該範圍內任何切換頻率雜訊的影響。如果 PWD 和 CWD 頻譜 (從 100 Hz 至 200 kHz) 中具有交互調變頻率，則明顯的雜訊頻譜將出現在都卜勒影像中，這對超音波系統來說不可接受。為了達到最大的系統效能和影像品質 (清晰度、動態範圍、影像無斑點、其他品質因數)，務必要探查導致訊號品質損失和 SNR 衰減的根源。

第一個顯而易見：由於衰減，來自身體深處組織和器官 (如腎臟) 的回波，比起靠近傳感器的回波微弱許多。因此，反射訊號會由 AFE 進行增益，因此就會佔據 AFE 絕大多數的輸入範圍。也因此，會使用自動增益控制 (AGC) 功能。此 AGC 功能類似於無線系統所用的功能。AGC 會評估無線 RF 接收訊號強度 (RSS)，並在數十 dB 的程度內對其隨機、非預期的變化進行動態補償。

但是，與無線連結相比，超音波應用的情況則有所不同。相反地，路徑的衰減幾乎是已知，也知道聲波能量的傳播速度，在軟組織中約為 1540 m/s，比起在空氣中傳播 (330 m/s)，幾乎是五倍快，也因此可知衰減率。

基於此知識，AFE 會使用可變增益放大器 (VGA)，並將其配置成時間增益補償 (TGC) 放大器。此 VGA 的增益為線性 dB，更配置成會讓線性對時間的斜坡控制電壓提升增益對時間的關係，以針對衰減進行大幅補償。這會讓 SNR 最大化，並利用 AFE 的動態範圍。

雜訊類型及其解決方法

雖然體內和患者引起的訊號雜訊超出了超音波系統設計人員的控制範圍，但仍須控管內部系統雜訊。為此，必須要瞭解雜訊類型、造成的影響，以及可以採取哪些措施來減少雜訊。要關注的主要領域是切換式穩壓器雜訊；訊號鏈、時脈和電源引起的白雜訊；以及與佈局相關的雜訊。

• 切換式穩壓器雜訊：大多數切換式穩壓器皆採用一個簡易電阻來設定切換頻率。此電阻不可避免的在標稱值上有寬容度，因此會引進不同的切換頻率與諧波，因為分別獨立的穩壓器頻率會彼此混合且交叉調變。即便是是精度為 1% 的嚴格容差電阻，也會對 400 kHz 的 DC-DC 穩壓器造成 4 kHz 的諧波頻率，因此諧波的控制更加困難。

有個較好的解決方案就是挑選具有同步功能的切換式穩壓器 IC；可透過封裝上一個引腳的 SYNC 連接實作此功能。透過此功能，外部時脈可將一道訊號分佈到多個穩壓器，因此皆可在相同頻率與相位下切換。因此就不需要混合標稱頻率和相關的諧波產品。

例如，LT8620 是一款高效率、高速的同步單晶片降壓型切換式穩壓器，可接受高達 65 V 的寬廣輸入電壓範圍，且僅消耗 2.5 μA 的靜態電流 (圖 2)。其低漣波 Burst 模式操作可在超低輸出電流下達到高效率，同時將輸出漣波保持在 峰對峰 10 mV 以下。SYNC 引腳能讓使用者建立對應到 200 kHz 至 2.2 MHz 外部時脈的同步化作業。

圖 2：高效率的 LT8620 降壓型切換式穩壓器含有一個 SYNC 引腳，因此其時脈可與其他系統時脈同步，能將時脈交互調變的效應降至最低。(圖片來源：Analog Devices)

另一種技術是採用具有隨機展頻時脈的切換式穩壓器，可將產生的電磁干擾展延到更大頻段上，藉此降低任意特定頻率上的峰值。雖然對一些較不重視 SNR，但更關心符合 EMI 要求的應用來說，這是一個有吸引力的解決方案，但會在更大頻譜上產生諧波，因此更難控制，而帶來不確定性。例如，基於 EMI 考量，而將切換頻率展延 20%，會在 400 kHz 電源供應器中產生介於 0 至 80 kHz 之間的諧波頻率。因此，雖然這個降低 EMI 尖波的作法可能有助於符合相關的法規要求，但對於超音波設計的特殊 SNR 需求，可能適得其反。

恆定頻率的切換式穩壓器有助於避免此問題。Analog Devices 的 Silent Switcher 穩壓器和 μModule 穩壓器系列就具有恆定頻率切換。此外更可選擇展頻技術來提供 EMI 效能，以達到優異的暫態響應，而不會帶來與展頻相關的不確定性。

Silent Switcher 穩壓器系列也不僅限於低功率穩壓器。例如，LTM8053 就是一款 40 V_IN (最大值 )、3.5 A 連續電流、6 A 峰值的降壓型穩壓器，其中含有切換控制器、電源開關、電感和所有支援元件。只需要輸入和輸出濾波電容就可完成設計 (圖 3)。可支援 0.97 至 15 V 的輸出電壓範圍，以及 200 kHz 至 3 MHz 的切換頻率範圍，各可由單一電阻設定。

圖 3：Silent Switcher 系列的 LTM8053 產品可提供3.5 A 連續電流／6 A峰值電流；可接受 3.4 至 40 V 的輸入，並可提供 0.97 至 15 V 寬廣範圍的輸出。(圖片來源：Analog Devices)

LTM8053 獨特的封裝有助於維持低 EMI 以及較高的電流輸出。Silent Switcher μModule 穩壓器採用的銅柱覆晶封裝有助於降低寄生電感，並可尖波和失效時間最佳化，在小封裝內達到高密度的設計與大電流能力 (圖 4)。如果需要更大的電流，可以並聯多個 LT8053 裝置。

圖 4：LTM8053 (和其他 Silent Switcher 裝置) 整合了銅柱覆晶，可在小型封裝中達到高密度設計和大電流能力，同時將寄生電感降至最低。(圖片來源：Analog Devices)

Silent Switcher 系列的技術與拓撲並非僅限於單輸出穩壓器。LTM8060 是一款四通道、40 V_INSilent Switcher μModule 穩壓器，具有可配置的 3 A 輸出陣列 (圖 5)。工作頻率高達 3 MHz，採用緊湊型 (11.9 mm x 16 mm x 3.32 mm) 包覆成型球柵陣列 (BGA) 封裝。

圖 5：LTM8060 是一款四通道 μModule 可配置陣列，每通道輸出 3 A，採用緊湊封裝，尺寸僅有 11.9 mm x 16 mm x 3.32 mm。(圖片來源：Analog Devices)

此四通道裝置有個有趣之處在於，輸出能以不同配置進行並聯，以配合不同的負載電流需求，最高可達 12 A (圖 6)。

圖 6：LTM8060 的四通道 3 A 輸出能以不同的並聯配置佈局，以配合應用的 DC 電軌要求。(圖片來源：Analog Devices)

總之，Silent Switcher 穩壓器在雜訊、諧波和熱效能方面具有許多優勢 (圖 7)。

圖 7：在此列出 Silent Switcher 系列穩壓器在重點設計層面上的關鍵屬性。(圖片來源：Analog Devices)

• 白雜訊：超音波系統中也有許多白雜訊源，這會導致背景雜訊和影像「斑點」。這種雜訊主要來自訊號鏈、時脈和電源。在敏感的類比元件電源引腳上添加一個低壓降 (LDO) 穩壓器就可解決這個問題。

ADI 新一代的 LDO 穩壓器，例如 LT3045 就具有約 1 μV rms (10 Hz 至 100 kHz) 的超低雜訊位準，並可在 260 mV 的典型壓降電壓下提供高達 500 mA 的電流輸出 (圖 8)。工作靜態電流標稱值為 2.3 mA，關斷模式下會降低至小於 1 μA。還有其他低雜訊 LDO 可提供 200 mA 至 3 A 電流。

圖 8：LT3045 LDO 穩壓器知名之處在於，可在 200 mA 至 3 A 電流範圍內達到約 1 μV rms 的超低雜訊。Analog Devices)

• 電路板佈局：在大多數印刷電路板佈局中，來自切換式電源的大電流訊號走線與相鄰的低位準訊號走線之間具有衝突，因為來自前者的雜訊會耦合到後者中。這種切換雜訊通常是由輸入電容、頂端 MOSFET、底部 MOSFET 產生的「熱迴路」，以及接線、佈線和接合引起的寄生電感而產生。

標準解決方案是添加緩衝電路來減少電磁輻射，但這會降低效率。Silent Switcher 架構可利用雙向輻射建立相反的熱迴路 (稱為「分離」)，以提高效能並維持高效率，可將 EMI 降低約 20 dB (圖 9)。

圖 9：Silent Switcher 可建立相反的「熱迴路」來分離電流路徑，可將 EMI 大幅降低約 20 dB。(圖片來源：Analog Devices)

效率與雜訊的關係

看起來，如果需要在電源雜訊與潛在效率之間進行取捨，那麼在超音波應用中對超低雜訊的需求應該要優先考量。畢竟，從「總體」系統層面來看，多幾毫瓦的耗散應該不會成為太大的負擔。此外，為什麼不增加傳感器的脈衝能量來提升脈衝訊號強度，進而就可提升反射的 SNR？

但這種取捨會有另一個問題：手持式數位探頭會自體發熱，因為其中含有傳感器、壓電元件驅動器、AFE 和其他電子電路。探頭的一些電能會在壓電元件、透鏡和背襯材料中耗散，進而導致傳感器發熱。此外，傳感器頭還有聲波廢能，這會導致發熱並在探頭上升溫。

傳感器表面可允許的最高溫度有所限制。IEC 標準 60601-2-37 (修訂版 2007) 針對傳感器傳輸到空氣忠實，將此溫度限制在 50°C，傳輸到合適的模型 (標準身體模擬器) 時，則限制在 43°C；後者的限值意味著皮膚 (通常在 33°C) 最多可以升溫 10°C。因此，傳感器發熱在複雜的傳感器設計中，是重大的考量因素。這些溫度限制，對於可以採用的聲音輸出能有效侷限，而不受可用 DC 電源的影響。

結論

超音波成像是一種廣泛運用、無價、非侵入，且零風險的醫學成像工具。雖然基本原理在概念上很簡單，但要設計一個有效的成像系統需要大量的複雜電路，還要多個 DC 穩壓器對各種子電路供電。這些穩壓器和相關電源必須高效，但也要達到超低雜訊，因為反射的聲音訊號能量對 SNR 與動態範圍有極高的要求。如本文所述，Analog Devices 的 LDO 和 Silent Switcher IC 可滿足這些要求，且不影響空間、EMI 或其他關鍵屬性。

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1. Maxim/Analog Devices，教學課程 4696，《超音波成像系統概述及其主要子功能所需的電氣元件》
2. Analog Devices，《Analog Devices 的 Silent Switcher™ 技術》(影片)
3. Analog Devices，《低雜訊 Silent Switcher μModule 和 LDO 穩壓器可改進超音波雜訊和影像品質》
4. Analog Devices，《Silent Switcher 裝置安靜且簡單》