Yüksek çözünürlüklü Tıbbi Ultrasound Görüntüleme için Güçlendiricileri Tasarlamak
Giriş Giriş Giriş
Yüksek çözünürlüklü tıbbi ultrason görüntüleme, transdüser serisini yönlendiren, temel doğrusallığı ve düşük gürültüyü korumak için klinikler için gerekli olan temel bilgileri yerine getirebilmeleri için vazgeçilmez bir teşhis aracı haline gelmiştir.Her ultrason sistemi kalbinde, transducer serisini yönlendiren güçlendiricidir.Bu kritik bileşen, son derece kontrollü, yüksek gerilimli pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pul pulsları ve düşük gürültüyü korur.
Ultrasound Power Amplifiers için Anahtar Performans Gereksinimleri
Ultrasound power amplifikleri, görüntü kalitesini, sistemini doğrudan etkileyen eşsiz bir performans ölçümlerini yerine getirmelidir ve hasta güvenliğini anlamak için bu gereksinimlerin gerekli olduğunu anlamak gerekir.
Linearity and Distortion
Linearity muhtemelen yüksek çözünürlüklü görüntüleme için en kritik parametredir. Kombinasyonda lineer olmayanlar, ultrason görüntüsünde eserler olarak ortaya çıkan harmonik distiyonlar ve üçüncü sipariş ayarlama noktası (IP3) ve 1 dBc) alınan yankı sinyallerin bütünlüğünü korumak için.For advanced-enhanced ultrason, yükselticiler ve önyüklemeler gibi gelişmiş görüntüleme modları için, bu yükselticiler son derece düşük ikinci ve üçüncü sipariş ayarlama noktası (tipik olarak aşağıda –40 dBc).
Band Wide ve Frekans Aralığı
Tıbbi ultrason sistemleri geniş bir frekans aralığı üzerinde çalışır, genellikle 1 MHz'den 15 MHz'e kadar teşhis görüntüleme için, yüksek frekanslı translar 30 MHz'e veya daha fazla of ophthalmic ve küçük-animal görüntüleme için çalışır. Güç yükselteçleri ve tüm işletim bant genişliğine karşı faz yanıtlarını korumalıdır.
Güç Çıktısı ve Verimliliği
Ultrasound vericiler, 50 V'nin 200 V'ye kadar yüksek çıkış gerilimlerini gerektirir ve 60'ın üzerinde bir akustik baskı oluşturmak için yüksek verimlilik sağlar. Güç değiştiricileri yüksek verimlilik sağlarken, ısı oluşturma limitleri sistemi görevi döngüsü ve güvenilirlik sağlar. Power-added verimlilik (PAE) temel bir lineerlik seviyesi için daha iyi bir performansa sahip olmak için daha iyi bir doğrusallık sağlamalıdır.
Gürültü Şekilleri
Düşük gürültü, alınan sinyallerin dinamik aralıklarını korumak için gereklidir. Kombinasyonun gürültü rakam doğrudan sistemdeki genel sinyal-noise oranına katkıda bulunur (SNR). Yüksek çözünürlüklü görüntüleme için, 2 dB'nin altındaki bir gürültü genellikle gereklidir, özellikle de yükselticinin dijital dönüşüme başlamadan önce zayıf yankı sinyalleri onaylaması gerekir. ancak birçok ultrason sisteminde, güç yükselticisi yalnızca düşük çözünürlükte kullanılırken, düşük çözünürlükte bir amplifikatör (LNA) şarj edilir.
Dinamik Aralığı ve Pulse Control
Kombinasyon geniş dinamik bir dizi çıkış seviyesiyle, çok düşük amplitübürlerin derin doku penetrasyonu için yüksek enerjili patlamalara kadar taşınması gerekir.Sürücüksel hız kontrolü, amplitüd ve odaklanma için zamanlama gereklidir. Modern ultrason sistemleri genellikle çok seviyeli pulları çok yönlü dalgalı ovuşturma ile kullanmak, yükselticinin bant genişliğine ve yarık oranına ek talepler koymak.
Tasarım Challenges and Trade-Offs
Yüksek doğrusallık, geniş bant genişliği, yüksek verimlilik ve düşük gürültünün eşzamanlı memnuniyeti temel ticaret-offların dikkatli bir şekilde navigasyon gerektirir. Aşağıda deneyimli tasarımcılar tarafından kullanılan en önemli zorluklar ve pratik çözümler vardır.
Linearity vs. Verimliliği
Bu klasik ticaret-off özellikle ultrason PA tasarımında akut. Sınıfı A amplifikatörler mükemmel doğrusallık sunar ancak temel olarak %50'nin teorik olarak verimli olmasını gerektirir ve istenen dalgaformunu yeniden inşa etmek için dış filtreleme gerektirir.Ortalama AB yükselteçleri, geçiş aşamasını yüksek bir geçişle birlikte geliştirmektir.
Wideband Impedance Matching
Ultrasound transducers, sabit elementleri kullanarak karmaşık bir dürtü sunar. Güç amplitüdünün çıkış bağlantı ağı, transistörlerin transistörlerin sınırsız yüklenmesine izin vermek için sık sık sık kullanılabilir. Bilgisayar destekli optimizasyon, gerçek-frezegenler için pratik hale gelir.
Termal Yönetim
Kompakt bir hacimdeki yüksek güç dağılımı, ısıtımı ve güvenilirliği yüksek olan yüksek çözünürlükte yüksek ısıtıcı sıcaklıklara yol açıyor. GaN-on-SiC transistörleri yüksek ısı iletkenliği sunar, ancak dikkatli ısı battır ve ısı pompasının süresiz değişkenliği kullanılarak ısıtılırsa, ısıtılır.
Stability and Parasitic Oscillations
Yüksek frekanslarda çalışan yüksek yükselteçli yükselteçler, özellikle de düşük seviyeli zemin uçaklarla resitik rezonanslar ile resitik boşluklar ortaya çıkabilir.Inst tasks can occur from undesired feedback ways through parasitic cleances in the power supply, or ground loops. Proper order with low-inductance zemin uçaklar, decoupling cleors where the entire frequency has.
EMI ve Shielding
Güç yükselticisi tarafından üretilen elektromanyetik müdahale, giriş ve çıkış kablolarının dikkatli bir şekilde korunması ve ortak modların kullanımı standart uygulamalardır. bile lineer yükselteçler ısıtılabilir.Pektif etkiler ve önyargı devre gürültüleri nedeniyle geniş bantlar oluşturabilir.Proper kalkanlama giriş ve çıkış kablolarının dikkatli bir şekilde kullanılması ve ortak modları güç tedarik hatlarında chokesin kullanımı standart uygulamalardır.
Ultrasound Systems için Amplifier Topologys for Ultrasound Systems
Tasarımcılar çeşitli yükselteç sınıflarından ve mimarilerden seçim yapabilirler, her biri ultrason uygulamaları için farklı avantajları ve dezavantajları sunar.
Sınıf AB Ampirasyonları
Sınıf AB, iyi lineerlik ve orta verimlilik nedeniyle ultrason güçlendiricileri için en yaygın olarak kullanılan topoloji olmaya devam ediyor.Çok fazla sayıda transistör kullanarak veya karma güç kullanarak yükseltilebilir. Modern GaN FETs yüksek gerilim, yüksek frekanslı AB sınıflama tasarımları daha pratik olarak 10 MHz'e ulaşırken, daha fazla sayıda transistöre ulaşır.
Sınıf Diyodları
Sınıf D geçiş yükselteçleri yüksek verimlilik sunar (muhtemelen% 100) transistörleri anahtar kelimeler olarak çalıştırarak. Ultraks() veya sigma-delta modulation encodes the input signal into a ikili geçiş dalgası, which is then low-pass filtered to return the key challenges is achieve enough noise and lineity for ultrason frequency. Advanced modulation, such as ternary switch (üç seviyeli bir geçiş)
Sınıf E ve Sınıf F Amplifiers
Sınıf E yükselteçleri yüksek verimlilik elde eder (tipik olarak >80%) çıktı gerilim ve mevcut dalgaformları aynı anda yüksek gerilim ve mevcut akıştan kaçınmak için yapılandırarak.Tek bir transkript cihazı kullanır ve yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte ağ sağlar.F F amplifikleri dalgaformunu daha da daraltmak için harmonik ayarlanır. ancak, doğal olmayan topolojiler, dijital ön-fret sinyalleri için uygun hale getirir.
En Geliştirme İzleme ve Tedarik Modulation
En Geliştirme (ET) dinamik olarak, sabit bir PA (örneğin, Sınıf AB)'nin kaynaklanmış sinyalin zarfını takip etmek için, bu teknik, yüksek verimlilikte bile güç geri yüklemede bulunur, çünkü tedarik gerilimi her zaman doğru algılama ve yüksek bant genişliği tedarik değiştiricisi için yakındır.
Doherty Architecture
Temel istasyon ve radar uygulamaları daha yaygın olsa da, Doherty mimarisi, geniş dinamik bir aralıkta verimlilik artırmak için ultrason için uyarlanabilir.Fücreteci bir amplifikatör ( Sınıfı AB'de gerçekleştirilen) ve geniş çaplı ultrason sistemleri için zorlu bir yükseltici (biyasal efekt geliştirmeye devam etmektedir.
Yüksek hacimli Ultrasound PAs için gerçekleştirilen kombi seçimi
Aktif ve pasif bileşenlerin seçimi doğrudan yükselteçin performans sınırlarını belirler. Uygulama gereksinimlerine dayanan dikkatli seçim önemlidir.
Transistor Teknolojileri
[FONT:0)Gallium Nitr (GaN) ), yüksek frekanslı yüksek frekanslı yükselteçli yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek elektron hareketliliği, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte % 50-200 W çıktı gücü sunar.
[FONT=0]Silicon LDMOS[Döneticileri 1) hala olgunluk ve düşük maliyet nedeniyle birçok ticari ultrason sisteminde kullanılır.(ve en belirgin 5 MHz) maliyetinin en belirgin olduğunu gösterir.
SiGe BiCMOS is emerging for fully integrated transceiver front-ends. While SiGe transistors cannot deliver the high output power of GaN, they enable monolithic integration of the PA, LNA, and switching network for small-element arrays. The PAE of SiGe amplifiers is typically lower (around 50%), but the system-level benefits of integration and reduced parasitics can offset this for certain applications.
Pasif Bileşenleri
Ultrasonatörler ve ultrason eşleştirme ağları için dönüştürücüler yüksek akım (yakın amfi) ve yüksek frekans (toplama veya aşırı kaybı olmadan) yüksek frekanslı (ESR) DC'nin bloke edilmesi ve ayarlanması için kullanılır.Screterler / yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte kullanılır.
PCB Layout ve Shielding
Güç yükselticisinin fiziksel düzeni istikrar ve performans için kritiktir. Anahtar kurallar şunları içerir: Bir metal ile kapıyı tutmak ve bağlantıları mümkün olduğunca kısa ve doğrudan yapmak; transistör kaynağın yakınında zemine kadar kullanmak; yüksek akım çıkış yollarını hassas giriş devrelerine ayırmak; ve en azından bir iç tabakada sürekli bir zemin uçak dahil etmek.
Gelişmiş Linearizasyon ve Kontrol Teknikleri
Yüksek çözünürlüklü görüntülemenin sıkı doğrusallık gereklilikleriyle tanışmak için, birçok modern ultrason PAs gelişmiş doğrusallaştırma yöntemleri kullanıyor.
Dijital Pre-Distortion (DPD)
DPD kablosuz altyapıda yaygın olarak kullanılmaktadır ve ölçümde kullanılan devre dışı bırakılmıştır.In ultrason, sinyalin geniş bant doğası (tipik olarak 1-15 MHz) ve gerçek zamanlı işlem için ihtiyaç duyulan yüksek hızlı dijital işleme gerektirir. FPGA- temelli uygulamalar ACLR (yaratıcı kanal sızıntı oranına dayanan) tahminler.In ultrason, 10-20 dB, yüksek güç çıkışı olmadan yüksek güç çıkışının geniş bant doğası.
Feedback Linearization
Olumsuz geri bildirimler, girişteki çıktıyı karşılaştırarak ve bir düzeltme uygular. En Geliştirme geri bildirim (polar modulation) veya Cartesian geri bildirimler kullanılabilir.Rektör ultrason sinyalleri ile stabiliteyi korumak, geri bildirim aşamasının üzerinden geçiş yapmak için zorlanır.
Verimlilik için Tedarik Modulation for GDPR
Daha önce de belirtildiği gibi, zarf takip (ET) sinyal zarfı ile yapılan taşıma tedarikini senkronize eder. ultrasonda, sinyalin kısa, yüksek hacimli pul pul pul pul pul pul pulslar ile birlikte, ET ortalama güç tüketimini önemli ölçüde azaltabilir.
Çok-Level Pulsing
Basit bir ikili (yüksek/düşü) pul iletilmesi yerine, modern ultrason sistemleri çoklu gerilimli raylarla bir sınıf D amplitüdünü doğrudan kullanarak, tek bir bloka üç seviye, 5 seviye) entegre etmek için güçlendiricisini gerektirir.Bu yaklaşım karmaşık bir zamanlama ve düşük anahtarlama eserlerine sahip olmak için.
Ultrasound Power Amplifier Design
Daha yüksek çözünürlük, daha derin penetrasyon ve daha küçük form faktörlerinin sürekli peşinde, güç yükseltici teknolojisindeki yenilikleri kullanmaya devam ediyor.
Kirişle Birleşme ASICs
Ultrason sistemleri binlerce elementle tamamen dijital kirişlere doğru hareket ettikçe, ASIC'nin kirişlileştirmesi ile güçlendiricisi optimizasyonu cazip hale gelir. Monolithic integration interconnect parasitics, basitleştirici kablolamalar ve önümüzdeki beş yıl içinde yüksek uç sistemlerde görünmeleri beklenir.
Super-Resolution için daha yüksek Frequencies for Super-Resolution
Super-de ultrason teknikleri 30 MHz'in üzerindeki frekansları gerektirir, güç yükselticisi, daha yüksek frekanslara ihtiyaç duymalı ve 100 MHz'den fazla bant genişliğine sahip yüzlerce milimetreyi daha iyi doğrusallaştırmalı.Bu, mevcut GaN teknolojisinin sınırlarını zorlar ve dağıtılmış elementleri kullanarak yenilikçi eşleştirme ağı tasarımları gerektirir ve hatta daha yüksek frekanslara yönelik trendleri kullanarak daha yüksek frekanslara da düşük gürültü rakamlarına ve daha iyi lineerleri korumak için daha düşük gürültü sinyalleri alt uzunlukta dalga saç telleri korumak için daha iyi doğrusal hale getirir.
AI-Optimized PA Control
Mekanik öğrenme algoritmaları, güçlendirici parametrelerini (biyalar, tedarik gerilimi, pre-distortion katları) görüntüleme geri bildirimlerine dayanarak gerçek zamanlı olarak adapte edilebilir. AI, her klinik senaryo için en iyi ticaret-off öğrenebilir.Bu özellikle de taşınabilir ve el ultrason cihazları için değerli.
Gelişmiş Termal Yönetim Malzemeleri
Elmas substratlar, grafik tabanlı termal arayüzler ve mikrofluidic soğutma, yüksek çözünürlükte yüksek ısılı görüntülemede aktif sıcaklık yönetmeliğinin uygulanması için araştırılmıştır.Bu malzemeler daha yüksek çıktı gücü kesintilerine olanak sağlayabilir, görüntü kalitesi olmadan daha küçük ultrason problarına izin verebilir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Yüksek çözünürlüklü tıbbi ultrason için güç yükselteçleri tasarlamak, RF mühendisliğinde uzmanlığı gerektiren çok yönlü bir meydan okumadır, yarı iletken fizik, termal yönetim ve sinyal işleme.Daha iyi görüntü kalitesi için sürekli zorlama, daha düşük güç tüketimi ve daha küçük sistem büyüklüğü sürücüleri yükselteçli teknolojiler ve bileşen teknolojileri devam ediyor. GaN tabanlı Sınıf AB ve Sınıf D yükselteçleri şu anda en iyi performans dengesi ve pratikliği en iyi şekilde sunmak için, takip etmek ve dijital ön-distorasyonlar ve verimlilik sınırlarını zorlamaya devam eder.
Burada tartışılan tasarım ilkeleri hakkında daha fazla okuma için, [[Dönetici:0)Analog Cihazlarının Ultrad gücü yükselteç tasarım değerlendirmeleri), [[Üye Olmayanlar Uygulama Notları Güç yükselteçleri[Döneticileri hakkında genel bir bakış açısına göre);