超声波设备的发送器

图2 ±100V电源时典型的超声波发送器输出，以及流入100Ω和300pF并行负载的相应瞬时电流

谐波失真
超声波发送器的理想输出是一种正弦信号，其满足了最高电压振幅和工作频率要求。您可以生成一个矩形脉冲，而非创建这种难以生成的模拟信号。受限于变送器的低通滤波特性以后，这种脉冲被降低至仅其谐波的前几个。其余偶次谐波中，第二个谐波一般为罪魁祸首。因此，第二谐波的抑制量成为超声波发送器的主要品质因数。

脉冲对称性和归零
我们可以直观地理解超声波发送器输出的对称性要求。然而，这里需要深入理解的是输出信号不必为一个长脉冲群。它可能包括一个单正极和负极脉冲对，脉冲对的前后均为0V。同样，信号归至0V的质量变得至关重要。有时，它被称为“阻尼”函数（见图3），并对一些超声波模式产生巨大的影响，例如，人体非线性为主要信息源的谐波成像等。

图3 快速归零（阻尼）函数

因此，由正脉冲归至0V与由负脉冲归至0V的对称性以及它们发生速度的快慢成为决定输出信号线性质量的因素。

导通电阻
导通状态下输出晶体管的电阻对超声波发送器的运行至关重要。首先，导通电阻与负载一起决定了输出信号的升降时间，其设定可达到的输出频率。其次，它直接影响功耗。根据前面提到的电压和电流范围，在超声波发送事件期间，会出现大量的功耗。这种功耗的程度取决于 B 模式显示或谐波成像等情况的高压和低占空比与CW多普勒型成像模式的低压和持续工作之间的相互作用。

超声波发送器系统的其他重要性能参数还包括输出信号抖动和相位噪声，以及通道之间的延迟匹配。

半导体的出现
过去几十年，半导体技术一直都是通信和计算机行业进步的基础。现在，它们即将给医疗技术带来类似的突破，特别是在成像应用中。超声波也不例外，它见证了从习惯使用的分立系统转至完全集成的半导体芯片型解决方案这样一场正在进行的运动。由于其固有的高速、低功耗和小体积等优势，半导体IC可以帮助医学成像厂商缩短其产品上市时间、实现终端设备的便携性、提高产品可靠性和性能，同时保持成本的可控性。

现在，可以通过单片IC解决方案来实现收/发以及收/发开关功能。目前可用的一些IC发送器均能够产生高达8V/ns转换速率的±100V输出电压，以及低于40dBc的第二谐波失真。通过有源阻尼架构，可以实现脉冲对称性和快速归零。例如，TI的TX734是一款±90V、±2A、3级、4通道、具有有源阻尼功能的集成发送器。该集成超声波脉冲发生器与AFE5851（一款16通道模拟前端芯片）和TX810（一款8通道收/发开关）均为超声波系统IC解决方案的例子。

结论
过去几十年，医学成像领域取得了许多重大进步。超声波技术在这些进步中扮演一种特别的角色，经证明其为诸多应用的一种通用诊断工具。这些应用范围广泛，从产科学到血管成像，到一些程序中的针头引导，甚至包括某些良性和恶性肿瘤的治疗。半导体IC技术正以一种越来越快的步伐支持这种发展。由于各种IC的出现，实现了超声波系统的所有主要功能，从而让广大临床医生和其他用户都能够享受到便携性、高图像分辨率和高产品可靠性等重要技术进步。