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CN115347876A - 一种超声回声信号接收的模拟前端电路 - Google Patents

一种超声回声信号接收的模拟前端电路 Download PDF

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CN115347876A CN202211266473.7A CN202211266473A CN115347876A CN 115347876 A CN115347876 A CN 115347876A CN 202211266473 A CN202211266473 A CN 202211266473A CN 115347876 A CN115347876 A CN 115347876A
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李靖
王中山
张天赐
江鹏昊
张艺馨
宁宁
于奇
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Abstract

本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体涉及一种超声回声信号接收的模拟前端电路。本发明采用低噪声放大器LNA提供离散增益，时间增益补偿放大器TGC提供连续增益，通过引入反馈网络，以补偿回声信号随时间变化的传播衰减，解决传统离散增益补偿不能完全补偿问题以及不能实现随时间变化的连续可调增益问题；大幅压缩了回波信号的动态范围DR，同时避免了离散增益阶跃导致的成像伪影；并且避免了增益大范围之间的瞬间切换，节省芯片面积，尤其适用于超声回声信号接收电路中。

Description

一种超声回声信号接收的模拟前端电路
技术领域
本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体涉及一种超声回声信号接收的模拟前端电路。
背景技术
近些年国内经济快速发展，人口老龄化的加速以及大部分民众对疾病预防的相关知识了解不足，使得近些年国内心血管疾病发生率不断攀升，心血管病已经给居民和社会带来较大的经济负担；面对如此庞大的患者群体，寻找更好更有效的诊断和治疗方法显得尤为重要。
超声成像在产科和心脏病学等的医疗应用中被广泛用于辅助诊断和指导治疗；虽然超声成像已经存在了几十年，但超声成像仪器呈现出小型化趋势，逐渐从手持探头扫描仪逐渐演化出内窥镜和成像导管，甚至是药丸和贴片成像仪器。
超声回声信号接收系统总体动态范围为瞬时信号动态范围加上传播衰减；模拟前端接收路径中的一个重要功能是时间增益补偿，它通过补偿声波在体内传播时所经历的传播衰减来减小回声信号的总体动态范围(DR)，补偿后的信号交由模数转换器（ADC）处理。
由于这种衰减，来自深层组织的回波信号比来自附近结构的回波需要传播更长的时间，因此到达得更晚，这导致回声幅度随时间呈指数下降。
目前，在模拟前端中通常的解决方案是，低噪声放大器（LNA）起到对回波信号进行放大的作用；由于传输衰减，超声接收探头的第一个回波信号的幅度远高于后达到的回波信号的幅度，可以通过调节时间增益补偿放大器（TGC）的增益，以适应对不同传播时间的衰减；通过提供随时间以分贝线性增加的离散增益来补偿其传播衰减，期望在不同深度上提供统一的回波幅度。
一方面，离散增益只能补偿一部分传播衰减，不能完全补偿传播衰减，以致在不同深度上不能提供统一的回波幅度，致使模数转换器（ADC）处理模拟前端输出信号仍需要较大的动态范围。
另一方面，传统的超声信号放大器采用由输入电阻（电容）和反馈电阻（电容）的比值决定，在使用过程中，增益大范围之间的瞬间切换会致使接收信号中断和数字干扰，这可能会导致明显的图像伪影；一般解决方案是通过减小步长使增益阶跃变小，可以减轻图像伪影，但需要大量的增益步长数来覆盖全部增益范围，从而导致需要大量芯片面积来实现电路。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有模拟前端不能完全补偿传播衰减导致的图像伪影和芯片面积较大的问题，本发明提供了一种超声回声信号接收的模拟前端电路，其由低噪声放大器（LNA）提供离散增益以及时间增益补偿放大器（TGC）提供连续增益，二者组合实现随时间变化的连续可调增益的模拟前端电路，解决传统离散增益补偿不能完全补偿问题，并缓解由于增益大范围之间的瞬间切换导致的图像伪影问题。
本发明的技术方案如下：
一种超声回声信号接收的模拟前端电路，包括低噪声放大器LNA、时间增益补偿放大器TGC和输出电容CL，如图1所示。
所述低噪声放大器LNA包括输入阻抗Z1、反馈阻抗Z2和运算放大器01；输入阻抗Z1的一端作为输入接输入信号VI，另一端作为输出与运算放大器01的反相输入端连接；反馈阻抗Z2的一端与运算放大器01的反相输入端连接，另一端与运算放大器01的输出端连接；运算放大器01的正相输入端接共模电平VREF，输出端接时间增益补偿放大器TGC的输入端，输出电压VO。
通过调整反馈阻抗Z2与输入阻抗Z1的比值实现对输入信号VI的预放大，低噪声放大器LNA对输入信号VI预放大后输出电压VO传输给时间增益补偿放大器TGC处理。
所述时间增益补偿放大器TGC包括输入阻抗Z3、反馈网络11和运算放大器10；输入阻抗Z3的一端作为时间增益补偿放大器TGC的输入端接运算放大器01的输出端，另一端作为输出端接运算放大器10的反相输入端；反馈网络11的输入端与运算放大器10的反相输入端连接，反馈网络11的输出端与运算放大器10的输出端连接；运算放大器10的正相输入端接共模电平VREF，运算放大器10的输出端接反馈网络11的输出端和输出电容CL，并作为时间增益补偿放大器TGC的输出端，输出电压VOUT。
反馈网络11包括阻抗Z4、阻抗Z5和阻抗Z6，阻抗Z4与阻抗Z5串联在运算放大器10的反相输入端和输出端之间；阻抗Z6一端连接在阻抗Z4与阻抗Z5之间，另一端接共模电平VREF；
时间增益补偿放大器TGC的增益由反馈网络11的等效阻抗和输入阻抗Z3比值决定，其中阻抗Z6的阻值为随时间连续变化的可调阻抗，阻抗Z6的阻值低于输入阻抗Z3一个量级，阻抗Z4和阻抗Z5阻值相等，阻抗Z4的阻值为输入阻抗Z3的1/2；通过控制阻抗Z6的阻值随时间连续变化从而实现反馈网络11的等效阻抗随时间的连续变化，进而实现增益随时间的连续变化以适应对不同传播时间的衰减的补偿；极大程度节省芯片面积。
所述输出电容CL一端与运算放大器10的输出端连接，另一端接地，作为负载。
本发明的等效电路图如图2所示，假设在输入端有一个扰动电压（即输入信号VI），运算放大器01、02增益足够大，则运算放大器01、02的输入节点电压VM、VN为虚地；
低噪声放大器LNA交流小信号传输函数表示为式（1.1）；
Figure 88034DEST_PATH_IMAGE003
Gain,LNA为低噪声放大器LNA的增益，低噪声放大器LNA的输出电压VO将通过输入电阻R1形成电流I1；
Figure 346977DEST_PATH_IMAGE004
所述反馈网络11中VX电压，VX为阻抗Z6、阻抗Z4和阻抗Z5三者之间的节点电压，根据基尔霍夫电压定律KVL，可以得到：
Figure 507831DEST_PATH_IMAGE005
VX将通过阻抗Z4形成电流I2；
Figure 776002DEST_PATH_IMAGE006
由于运算放大器虚断，在VN点的KCL方程为：
Figure 705912DEST_PATH_IMAGE007
Gain,TGC为时间增益补偿放大器TGC的增益；时间增益补偿放大器TGC的交流小信号传输函数表示为式（1.6）；
Figure 932494DEST_PATH_IMAGE008
解得本发明超声回声信号接收的模拟前端电路的交流小信号传输函数表示为式（1.7）：
Figure 908540DEST_PATH_IMAGE009
Gain,TOATAL为本发明超声回声信号接收的模拟前端电路的电路总增益，其值为低噪声放大器增益Gain,LNA和时间增益补偿放大器增益Gain,TGC的乘积。
由式子（1.7）可以得出，通过控制随时间连续变化的阻抗Z6即可实现整体电路增益随时间的连续变化。
进一步的，所述反馈阻抗Z2与输入阻抗Z1为可变电阻，通过调整反馈阻抗Z2和/或输入阻抗Z1大小进而调整Z2和Z1的比值实现对输入信号VI的预放大，输出电压VO传输给时间增益补偿放大器TGC处理。以更加灵活的调整Z2和Z1比值实现对输入信号VI的预放大，还可改善时间益补偿放大器TGC连续可调增益有限的情况，满足在不同输入信号下的整体电路满足信号放大所需的增益，使得整体电路在不同输入信号下期望得到在幅值上统一的输出信号。
本发明采用由低噪声放大器LNA提供离散增益以及时间增益补偿放大器TGC提供连续增益组合实现随时间变化的连续可调增益，相比传统随时间变化的离散增益补偿，一定程度上更好补偿地超声回声信号随时间的衰减，大幅度压缩了回波信号的动态范围DR，一定程度上降低模数转换器ADC对模拟前端输出信号的处理能力，减小模数转换器ADC的设计难度。传统离散增益大范围之间的瞬间切换导致的成像伪影，一般解决方案通过减小增益步长、增加大量增益步长数，一定程度上耗费芯片面积，本发明通过离散增益和连续增益结合的方式避免了增益大范围之间的瞬间切换，节省芯片面积，同时避免了传统离散补偿增益大步长阶跃导致的成像伪影。可应用于超声回声信号接收电路中。
附图说明
图1本发明的电路图；
图2本发明的交流小信号等效电路图；
图3实施例的电路图；
图4实施例实现随时间变化的连续可调增益图；
图5传统离散增益补偿回声信号得到的输出波形图；
图6实施例补偿回声信号得到的输出波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
如图3所示，本发明提供一种超声回声信号接收模拟前端电路，包括了低噪声放大器LNA、时间增益补偿放大器TGC、以及输出电容CL，其中：
所述低噪声放大器LNA包括输入阻抗Z1（电阻R1）、反馈阻抗Z2（反馈网络00）以及运算放大器01。
反馈网络00包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关S1、开关S2和开关S3；电阻R2、电阻R3和电阻R4串联在开关S1和运算放大器01的输出端之间；开关S1串联在运算放大器01的反相输入端和R2之间，开关S2串联在运算放大器01的反相输入端和电阻R2与电阻R3之间，开关S3串联在运算放大器01的反相输入端和电阻R3与电阻R4之间，运算放大器01的正相输入端接共模电平VREF。其中，电阻R2阻值为的12倍电阻R1的阻值，电阻R3阻值为的3倍电阻R1的阻值，电阻R4阻值为的1倍电阻R1的阻值。
所述时间增益补偿放大器TGC包括输入阻抗Z3（输入电阻R5）、反馈网络11以及运算放大器10；反馈网络11的输入端与运算放大器10的反相输入端连接，反馈网络11的输出端与运算放大器10的输出端连接，运算放大器10的正相输入端接共模电平VREF。
反馈网络11包括：阻抗Z4（电阻R6）、阻抗Z5（电阻R7）和阻抗Z6（电阻R8），电阻R6阻值与电阻R7阻值均为输入电阻R5阻值的1/2；电阻R6与电阻R7串联在运算放大器10的反相输入端和输出端之间；电阻R8一端连接在电阻R6与电阻R7之间，另一端接共模电平。其中电阻R8的阻值为随时间连续变化的可调电阻。
所述输出电容CL一端与运算放大器10的输出端连接，另一端接地，作为负载。
本发明的工作原理如下，回声信号随时呈指数衰减，开始的信号幅值较大，低噪声放大器LNA的反馈网络00操作如下：开关S1断开、开关S2断开以及开关S3闭合，反馈网络00的等效阻值与电阻R1阻值相等，闭环放大增益为6dB；同理当信号幅值衰减12dB，低噪声放大器LNA的反馈网络00操作如下：开关S1断开、开关S2闭合以及开关S3断开，反馈网络的等效阻值为电阻R1阻值的4倍，闭环放大增益为12dB；同理当信号幅值衰减24dB时，低噪声放大器LNA的反馈网络00操作如下：开关S1闭合、开关S2断开以及开关S3断开，反馈网络的等效阻值为电阻R1阻值的16倍，闭环放大增益为24dB。与此同时，时间增益补偿放大器TGC在不同增益的低噪声放大器LNA工作模式下提供从6dB到18dB的连续增益，两者组合实现6dB到42dB的随时间变化的连续可变增益，本实施例获得了随时间变化的连续性可调增益，如图4所示。
传统离散增益只能提供离散的6dB到42dB（步长6dB）的增益，获得的补偿后波形，如图5所示，可以明显看出回声信号补偿后呈锯齿状，补偿后的动态范围DR依然很大；本发明实现增益随时间的变化连续增加，更好的补偿了回声信号的传输衰减，获得了在不同传播衰减下提供统一的回波幅度，如图6所示；大幅度压缩了回波信号的动态范围DR，一定程度上减轻模数转换器ADC对模拟前端输出信号的处理能力。传统离散增益大范围之间的瞬间切换导致的成像伪影，一般解决方案通过减小增益步长、增加大量增益步长数，一定程度上耗费芯片面积，本方案通过离散增益和连续增益结合的方式避免了增益大范围之间的瞬间切换，节省芯片面积，同时避免了传统离散补偿增益大步长阶跃导致的成像伪影。
通过以上实施例可见，本发明采用低噪声放大器LNA提供离散增益，时间增益补偿放大器TGC提供连续增益，通过引入反馈网络，以补偿回声信号随时间变化的传播衰减，解决传统离散增益补偿不能完全补偿问题以及不能实现随时间变化的连续可调增益问题；大幅压缩了回波信号的动态范围DR，同时避免了离散增益阶跃导致的成像伪影；并且避免了增益大范围之间的瞬间切换，节省芯片面积，尤其适用于超声回声信号接收电路中。

Claims (4)

1.一种超声回声信号接收的模拟前端电路，其特征在于：包括低噪声放大器LNA、时间增益补偿放大器TGC和输出电容CL；
所述低噪声放大器LNA包括输入阻抗Z1、反馈阻抗Z2和运算放大器01；输入阻抗Z1的一端作为输入接输入信号VI，另一端作为输出与运算放大器01的反相输入端连接；反馈阻抗Z2的一端与运算放大器01的反相输入端连接，另一端与运算放大器01的输出端连接；运算放大器01的正相输入端接共模电平VREF，输出端接时间增益补偿放大器TGC的输入端，输出电压VO；
所述时间增益补偿放大器TGC包括输入阻抗Z3、反馈网络11和运算放大器10；输入阻抗Z3的一端作为时间增益补偿放大器TGC的输入端接运算放大器01的输出端，另一端作为输出端接运算放大器10的反相输入端；反馈网络11的输入端与运算放大器10的反相输入端连接，反馈网络11的输出端与运算放大器10的输出端连接；运算放大器10的正相输入端接共模电平VREF，运算放大器10的输出端接反馈网络11的输出端和输出电容CL，并作为时间增益补偿放大器TGC的输出端，输出电压VOUT；
反馈网络11包括阻抗Z4、阻抗Z5和阻抗Z6，阻抗Z4与阻抗Z5串联在运算放大器10的反相输入端和输出端之间；阻抗Z6一端连接在阻抗Z4与阻抗Z5之间，另一端接共模电平VREF；其中阻抗Z6的阻值为随时间连续变化的可调阻抗，阻抗Z6的阻值低于输入阻抗Z3一个量级，阻抗Z4和阻抗Z5阻值相等，阻抗Z4的阻值为输入阻抗Z3的1/2；
所述输出电容CL一端与运算放大器10的输出端连接，另一端接地，作为负载。
2.如权利要求1所述超声回声信号接收的模拟前端电路，其特征在于：
所述反馈阻抗Z2与输入阻抗Z1为可变电阻，通过调整反馈阻抗Z2和/或输入阻抗Z1大小进而调整Z2和Z1的比值实现对输入信号VI的预放大，输出电压VO传输给时间增益补偿放大器TGC处理。
3.如权利要求1所述超声回声信号接收的模拟前端电路，其特征在于：
所述低噪声放大器LNA的反馈阻抗Z2为电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关S1、开关S2和开关S3构成的反馈网络00；电阻R2、电阻R3和电阻R4串联在开关S1和运算放大器01的输出端之间；开关S1串联在运算放大器01的反相输入端和R2之间，开关S2串联在运算放大器01的反相输入端和电阻R2与电阻R3之间，开关S3串联在运算放大器01的反相输入端和电阻R3与电阻R4之间。
4.如权利要求3所述超声回声信号接收的模拟前端电路，其特征在于：所述电阻R2阻值为的12倍电阻R1的阻值，电阻R3阻值为的3倍电阻R1的阻值，电阻R4阻值为的1倍电阻R1的阻值。
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