วิธีปรับปรุงคุณภาพของภาพระบบอัลตราซาวนด์โดยใช้วัสดุที่มีสัญญาณรบกวนต่ำเป็นพิเศษ

เทคโนโลยีอัลตราซาวนด์ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ไม่รุกล้ำที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการวินิจฉัยทางการแพทย์และการใช้งานอื่น ๆ ได้เปลี่ยนจากภาพคงที่ไปเป็นภาพไดนามิก และจากการนำเสนอภาพขาวดำเป็นภาพ Doppler สี การปรับปรุงที่สำคัญเหล่านี้มีสาเหตุหลักมาจากการเปิดตัวเทคโนโลยีอัลตราซาวนด์ดิจิตอล แม้ว่าความก้าวหน้าเหล่านี้ได้เพิ่มประสิทธิภาพและความคล่องตัวของการถ่ายภาพอัลตราซาวนด์ ระบบเหล่านี้ก็มีความสำคัญเท่าเทียมกันเพื่อให้คุณภาพของภาพดีขึ้นผ่านความก้าวหน้าของโพรบอัลตราซาวนด์ส่วนหัวและส่วนหน้าแบบอะนาล็อก (AFE) ที่ขับเคลื่อนโพรบและจับภาพ สัญญาณย้อนกลับ

อุปสรรคประการหนึ่งในการบรรลุคุณภาพของภาพที่ดีขึ้นนี้คือสัญญาณรบกวน ดังนั้นเป้าหมายในการออกแบบคือการเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ของระบบ สามารถทำได้ส่วนหนึ่งโดยการจัดการเสียงรบกวนเนื่องจากรางจ่ายไฟต่าง ๆ ในระบบ โปรดทราบว่าเสียงดังกล่าวไม่ใช่สิ่งเดียวที่เรียบง่าย แต่จะมีลักษณะและแอตทริบิวต์ต่าง ๆ ที่กำหนดว่าสุดท้ายแล้วผลกระทบต่อประสิทธิภาพของระบบจะเป็นอย่างไร

บทความนี้จะกล่าวถึงหลักการพื้นฐานของการถ่ายภาพอัลตราซาวนด์ จากนั้นจึงเน้นที่ปัจจัยต่างๆ ที่ส่งผลต่อคุณภาพของภาพ โดยหลัก ๆ แล้วจะมีสัญญาณรบกวนจากอุปกรณ์จ่ายไฟ จะใช้อุปกรณ์ควบคุม DC-DC จาก Analog Devices เป็นตัวอย่างของส่วนประกอบแหล่งจ่ายไฟที่สามารถปรับปรุง SNR และประสิทธิภาพด้านอื่น ๆ ของระบบอัลตราซาวนด์ได้อย่างมาก

พื้นฐานของการถ่ายภาพอัลตราซาวนด์

แนวคิดนั้นเรียบง่าย: สร้างเสียงอะคูสติกที่คมชัด จากนั้น "ฟัง" เสียงสะท้อนของมันเมื่อพบสิ่งกีดขวางหรือส่วนต่อประสานต่าง ๆ ระหว่างอวัยวะและอิมพีแดนซ์อะคูสติกที่แตกต่างกัน เมื่อทำลำดับการย้อนกลับของแรงกระตุ้นเหล่านี้ซ้ำ ๆ จะสามารถใช้การสะท้อนเพื่อสร้างภาพของพื้นผิวที่สะท้อนได้

สำหรับโหมดอัลตราซาวนด์ส่วนใหญ่ อาร์เรย์ของตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกจะส่งรอบคลื่นจำนวนจำกัด (โดยทั่วไปคือ 2-4 รอบ) เป็นพัลส์ ความถี่ของคลื่นเหล่านี้ในแต่ละรอบมักจะอยู่ในช่วง 2.5 ถึง 14 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) อาร์เรย์ถูกควบคุมด้วยเทคนิคบีมฟอร์มมิ่งที่คล้ายคลึงกับเสาอากาศ RF แบบเฟสอาร์เรย์ ดังนั้นจึงสามารถโฟกัสและควบคุมพัลส์อัลตราซาวนด์โดยรวมเพื่อสร้างการสแกนได้ จากนั้นทรานสดิวเซอร์จะเปลี่ยนเป็นโหมดรับเพื่อรับรู้การกลับมาของคลื่นสะท้อนจากภายในร่างกาย

โปรดทราบว่าอัตราส่วนเวลาส่ง/รับโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 1%/99% โดยความถี่ของการเกิดซ้ำของพัลส์มักจะอยู่ระหว่าง 1 ถึง 10 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) โดยการจับเวลาพัลส์จากการส่งสัญญาณไปยังเสียงสะท้อนที่ได้รับและการทราบความเร็วที่พลังงานอัลตราซาวนด์แพร่กระจายผ่านเนื้อเยื่อของร่างกาย จึงเป็นไปได้ที่จะคำนวณระยะทางจากทรานสดิวเซอร์ไปยังอวัยวะหรือส่วนต่อประสานที่สะท้อนคลื่น แอมพลิจูดของคลื่นที่ส่งกลับจะกำหนดความสว่างของพิกเซลที่กำหนดให้กับการสะท้อนในภาพอัลตราซาวนด์ หลังจากผ่านกระบวนการหลังการประมวลผลแบบดิจิทัลจำนวนมาก

ทำความเข้าใจข้อกำหนดของระบบ

แม้ว่าแนวคิดของหลักการพื้นฐานจะเรียบง่าย แต่ระบบภาพอัลตราซาวนด์ระดับไฮเอนด์ที่สมบูรณ์ก็เป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อน (รูปที่ 1) ประสิทธิภาพสูงสุดของระบบถูกกำหนดโดยทรานสดิวเซอร์และส่วนหน้าแบบอะนาล็อก (AFE) เป็นส่วนใหญ่ ในขณะที่การประมวลผลภายหลังของสัญญาณสะท้อนดิจิทัลช่วยให้อัลกอริทึมสามารถปรับปรุงสถานการณ์ได้

ไม่น่าแปลกใจเลยที่สัญญาณรบกวนของระบบประเภทต่างๆ เป็นหนึ่งในปัจจัยจำกัดด้านคุณภาพและประสิทธิภาพของภาพ เช่นเดียวกับการพิจารณาอัตราข้อผิดพลาดบิต (BER) เทียบกับ SNR ในระบบสื่อสารดิจิทัล

รูปที่ 1: ระบบภาพอัลตราซาวนด์ที่สมบูรณ์เป็นการผสมผสานที่ซับซ้อนของฟังก์ชันอนาล็อก ดิจิตอล พลังงาน และการประมวลผลจำนวนมาก AFE กำหนดขอบเขตของประสิทธิภาพของระบบ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

มีสวิตช์ส่ง/รับ (T/R) ระหว่างอาร์เรย์ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้งานอยู่ บทบาทของสวิตช์นี้คือป้องกันสัญญาณส่งแรงดันสูงที่ขับทรานสดิวเซอร์ไม่ให้เข้าถึงและทำให้ AFE ฝั่งรับแรงดันต่ำเสียหาย หลังจากที่ภาพสะท้อนที่ได้รับถูกขยายและปรับสภาพแล้ว ภาพสะท้อนจะถูกส่งต่อไปยังตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ของ AFE ซึ่งจะแปลงเป็นดิจิตอลและผ่านการประมวลผลและปรับปรุงภาพโดยใช้ซอฟต์แวร์

แต่ละโหมดการถ่ายภาพที่แตกต่างกันของระบบอัลตราซาวนด์มีข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับช่วงไดนามิกและดังนั้น SNR หรือข้อกำหนดด้านเสียง:

• สำหรับโหมดภาพขาวดำ ต้องใช้ช่วงไดนามิก 70 เดซิเบล (dB) พื้นเสียงมีความสำคัญเนื่องจากส่งผลต่อความลึกสูงสุดซึ่งสามารถมองเห็นเสียงสะท้อนของอัลตราซาวนด์ที่เล็กที่สุดได้ในระยะไกล สิ่งนี้เรียกว่าการแทรกซึม ซึ่งเป็นหนึ่งในคุณสมบัติหลักของโหมดขาวดำ
• สำหรับโหมด Doppler คลื่นพัลส์ (PWD) จำเป็นต้องมีช่วงไดนามิก 130 dB
• สำหรับโหมด Doppler คลื่นต่อเนื่อง (CWD) จำเป็นต้องใช้ 160 dB โปรดทราบว่าสัญญาณรบกวน 1/f มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับโหมด PWD และ CWD เนื่องจากทั้งสองภาพมีองค์ประกอบสเปกตรัมความถี่ต่ำที่ต่ำกว่า 1 kHz และสัญญาณรบกวนเฟสส่งผลกระทบต่อสเปกตรัมความถี่ Doppler ที่สูงกว่า 1 kHz

ข้อกำหนดเหล่านี้ไม่ง่ายที่จะปฏิบัติตาม เนื่องจากความถี่ของทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์โดยทั่วไปอยู่ที่ 1 MHz ถึง 15 MHz จึงได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนความถี่สลับภายในช่วงนี้ หากมีความถี่อินเตอร์มอดูเลตภายในสเปกตรัม PWD และ CWD (ตั้งแต่ 100 Hz ถึง 200 kHz) สเปกตรัมสัญญาณรบกวนที่ชัดเจนจะปรากฏในภาพ Doppler ซึ่งระบบอัลตราซาวนด์ไม่สามารถยอมรับได้ เพื่อประสิทธิภาพสูงสุดของระบบและคุณภาพของภาพ (ความชัดเจน ช่วงไดนามิก ไม่มีจุดของภาพ และตัวเลขอื่น ๆ ที่เป็นประโยชน์) สิ่งสำคัญคือต้องดูแหล่งที่มาที่ทำให้คุณภาพสัญญาณลดลงและ SNR ลดลง

ข้อแรกชัดเจน: เนื่องจากการลดทอน การส่งกลับจากเนื้อเยื่อและอวัยวะที่อยู่ลึกเข้าไปในร่างกาย (เช่น ไต) จะอ่อนแอกว่าจากส่วนที่ใกล้กับทรานสดิวเซอร์มาก ดังนั้น สัญญาณที่สะท้อนกลับจะถูก "รับ" โดย AFE เพื่อให้ครอบคลุมช่วงอินพุตของ AFE มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สำหรับสิ่งนี้ จะใช้ฟังก์ชันการควบคุมอัตราขยายอัตโนมัติ (AGC) ฟังก์ชัน AGC นี้คล้ายคลึงกับฟังก์ชันที่ใช้ในระบบไร้สาย โดยที่ AGC จะประเมินความแรงของสัญญาณที่ได้รับ RF แบบไร้สาย (RSS) และชดเชยแบบไดนามิกสำหรับการเปลี่ยนแปลงแบบสุ่มที่คาดเดาไม่ได้ในช่วงหลายสิบเดซิเบล

อย่างไรก็ตาม สถานการณ์ในแอปพลิเคชันอัลตราซาวนด์จะแตกต่างไปจากการเชื่อมโยงแบบไร้สาย แต่จะทราบค่าการลดทอนของเส้นทางโดยประมาณ เช่นเดียวกับความเร็วของการแพร่กระจายของพลังงานอะคูสติก 1540 เมตรต่อวินาที (m/s) ในเนื้อเยื่ออ่อน หรือประมาณห้าเท่าเร็วกว่าการแพร่กระจายในอากาศที่ประมาณ 330 m/sและดังนั้น ยังทราบอัตราการลดทอน

จากความรู้นี้ AFE ใช้แอมพลิฟายเออร์อัตราขยายผันแปร (VGA) ซึ่งถูกจัดให้เป็นแอมพลิฟายเออร์ชดเชยอัตราขยายเวลา (TGC) อัตราขยายของ VGA นี้เป็นเส้นตรงในเดซิเบลและถูกกำหนดค่าให้แรงดันไฟฟ้าควบคุมการลาดเชิงเส้นเทียบกับเวลาเพิ่มอัตราขยายเทียบกับเวลาเพื่อชดเชยการลดทอนในระดับมาก สิ่งนี้จะเพิ่ม SNR สูงสุดและการใช้ช่วงไดนามิกของ AFE

ประเภทของเสียงรบกวนและวิธีแก้ไข

แม้ว่าสัญญาณรบกวนในร่างกายและสัญญาณรบกวนของผู้ป่วยจะอยู่นอกเหนือการควบคุมของผู้ออกแบบระบบอัลตราซาวนด์ แต่สัญญาณรบกวนภายในระบบจะต้องได้รับการจัดการและควบคุม ด้วยเหตุนี้ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจประเภทเสียงรบกวน ผลกระทบ และสิ่งที่สามารถทำได้เพื่อลดเสียงรบกวน ประเด็นหลักที่น่ากังวลคือการเปลี่ยนสัญญาณรบกวนของเรกูเลเตอร์ เสียงสีขาวเนื่องจากสายสัญญาณ นาฬิกา และกำลังไฟ และเสียงรบกวนที่เกี่ยวข้องกับเลย์เอาต์

• เสียงรบกวนของสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์: ตัวควบคุมการสลับส่วนใหญ่ใช้ตัวต้านทานอย่างง่ายในการตั้งค่าความถี่การสลับ ความคลาดเคลื่อนที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของค่าเล็กน้อยของตัวต้านทานนี้ทำให้เกิดความถี่สวิตชิ่งและฮาร์มอนิกที่แตกต่างกัน เนื่องจากความถี่ของเรกูเลเตอร์อิสระที่แตกต่างกันผสมและมอดูเลตข้ามซึ่งกันและกัน พิจารณาว่าแม้แต่ตัวต้านทานที่มีความทนทานสูงที่มีความคลาดเคลื่อน 1% ก็ยังให้ความถี่ฮาร์มอนิก 4 kHz ในตัวควบคุม DC-DC 400 kHz ทำให้ควบคุมฮาร์มอนิกได้ยากขึ้น

ทางออกที่ดีกว่าคือการเลือก IC ควบคุมการสลับที่มีคุณสมบัติการซิงโครไนซ์ที่ใช้งานผ่านการเชื่อมต่อ SYNC บนหนึ่งในพินของแพ็คเกจ เมื่อใช้คุณสมบัตินี้ นาฬิกาภายนอกสามารถกระจายสัญญาณไปยังเรกูเลเตอร์ต่าง ๆ เพื่อให้พวกมันสลับที่ความถี่และเฟสเดียวกัน ซึ่งจะช่วยลดการผสมกันของความถี่ที่ระบุและผลิตภัณฑ์ฮาร์มอนิกที่เกี่ยวข้อง

ตัวอย่างเช่น LT8620 เป็นสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์แบบซิงโครนัสโมโนลิธิกความเร็วสูงประสิทธิภาพสูงที่ยอมรับช่วงแรงดันอินพุตที่กว้างถึง 65 โวลต์ และใช้กระแสไฟนิ่งเพียง 2.5 ไมโครแอมแปร์ (μA) (รูปที่ 2) การทำงานแบบ “โหมดต่อเนื่อง” ที่มีแรงกระเพื่อมต่ำช่วยให้กระแสเอาท์พุตมีประสิทธิภาพในระดับสูงจนถึงกระแสเอาต์พุตต่ำมาก ในขณะที่รักษาแรงกระเพื่อมเอาท์พุตให้ต่ำกว่า 10 มิลลิโวลต์ (mV) จากยอดถึงสูงสุด พิน SYNC ช่วยให้ผู้ใช้สามารถซิงโครไนซ์กับนาฬิกาภายนอกได้ตั้งแต่ 200 kHz ถึง 2.2 MHz

รูปที่ 2: ตัวควบคุมสวิตช์สเต็ปดาวน์ LT8620 ที่มีประสิทธิภาพสูงมีพิน SYNC เพื่อให้การตอกบัตรสามารถซิงโครไนซ์กับนาฬิการะบบอื่นได้ ช่วยลดผลกระทบจากการปรับสัญญาณนาฬิกาให้เหลือน้อยที่สุด (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

อีกเทคนิคหนึ่งคือการใช้สวิตชิ่งเรกูเลเตอร์ที่ใช้การตอกบัตรสเปกตรัมแบบสุ่มเพื่อกระจายสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่สร้างขึ้นไปยังแถบความถี่ที่กว้างขึ้น ลดค่าสูงสุดที่ความถี่ใดความถี่หนึ่ง แม้ว่านี่จะเป็นโซลูชันที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานบางประเภทที่มีความสำคัญต่อ SNR น้อยกว่าและเกี่ยวข้องกับการปฏิบัติตามข้อกำหนดของ EMI มากกว่า แต่ก็ทำให้เกิดความไม่แน่นอนในฮาร์โมนิกผลลัพธ์ที่จะสร้างขึ้นในสเปกตรัมที่กว้างขึ้น ทำให้ควบคุมได้ยากขึ้น ตัวอย่างเช่น การกระจายความถี่สวิตชิ่ง 20% สำหรับการพิจารณา EMI ส่งผลให้เกิดความถี่ฮาร์มอนิกระหว่างศูนย์ถึง 80 kHz ในแหล่งจ่ายไฟ 400 kHz ดังนั้น ในขณะที่วิธีการนี้ในการลด "spike" ของอีเอ็มไออาจช่วยให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านกฎระเบียบที่เกี่ยวข้อง แต่อาจสวนทางกับความต้องการ SNR พิเศษของการออกแบบอัลตราซาวนด์

ตัวควบคุมการสลับที่มีความถี่คงที่ช่วยหลีกเลี่ยงปัญหานี้ ตระกูลตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสวิตช์เงียบและตัวควบคุม μModule ของ ADI มีคุณสมบัติการสลับความถี่คงที่ ในขณะเดียวกัน พวกเขานำเสนอประสิทธิภาพ EMI ด้วยเทคนิคสเปรดสเปกตรัมที่เลือกได้ เพื่อให้การตอบสนองชั่วคราวที่ยอดเยี่ยมโดยไม่ทำให้เกิดความไม่แน่นอนที่เกี่ยวข้องกับสเปรดสเปกตรัม

ตระกูลเรกูเลเตอร์ Silent Switcher ไม่ได้จำกัดเฉพาะเรกูเลเตอร์กำลังต่ำเท่านั้น ตัวอย่างเช่น LTM8053 เป็น 40 V_IN (สูงสุด), 3.5 A ต่อเนื่อง, 6 A สูงสุด, เรกูเลเตอร์แบบ step-down ที่มีตัวควบคุมสวิตชิ่ง สวิตช์เปิด/ปิด ตัวเหนี่ยวนำ และส่วนประกอบสนับสนุนทั้งหมด ต้องใช้ตัวเก็บประจุตัวกรองอินพุตและเอาต์พุตเท่านั้นจึงจะเสร็จสิ้นการออกแบบ (รูปที่ 3) รองรับช่วงแรงดันเอาต์พุตตั้งแต่ 0.97 ถึง 15 โวลต์ และช่วงความถี่สวิตชิ่งที่ 200 kHz ถึง 3 MHz แต่ละตัวตั้งค่าโดยตัวต้านทานตัวเดียว

รูปที่ 3: สมาชิกตระกูล LTM8053 ของ Silent Switcher สามารถส่งกระแสไฟสูงสุด 3.5 A ต่อเนื่อง/6 A; ยอมรับอินพุต 3.4 ถึง 40 โวลต์ และสามารถให้เอาต์พุตในช่วงกว้าง 0.97 ถึง 15 โวลต์ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

การบรรจุที่ไม่เหมือนใครของ LTM8053 ช่วยรักษา EMI ต่ำพร้อมกับเอาต์พุตปัจจุบันที่สูงขึ้น แพ็คเกจชิปพลิกเสาทองแดงในตัวควบคุม µModule ของ Silent Switcher ช่วยลดการเหนี่ยวนำของปรสิตและปรับสไปค์และเดดไทม์ให้เหมาะสม ทำให้การออกแบบความหนาแน่นสูงและความสามารถกระแสไฟขนาดใหญ่ในแพ็คเกจขนาดเล็ก (รูปที่ 4) หากต้องการกระแสไฟมากขึ้น สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ LT8053 หลายเครื่องพร้อมกันได้

รูปที่ 4: LTM8053 (และอุปกรณ์ Silent Switcher อื่น ๆ) รวมชิปพลิกเสาทองแดง ทำให้การออกแบบความหนาแน่นสูงและความสามารถกระแสไฟขนาดใหญ่ในแพ็คเกจขนาดเล็ก ในขณะที่ลดการเหนี่ยวนำปรสิต (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เทคโนโลยีและโทโพโลยีของสายผลิตภัณฑ์ Silent Switcher ไม่จำกัดเฉพาะเรกูเลเตอร์เอาต์พุตเดียว LTM8060 เป็นควอดแชนเนล 40 V_IN เรกูเลเตอร์ Silent Switcher μModule พร้อมอาร์เรย์เอาต์พุต 3 A ที่กำหนดค่าได้ (รูปที่ 5) ทำงานได้สูงสุด 3 MHz และบรรจุในขนาดกะทัดรัด (11.9 มม. × 16 มม. × 3.32 มม.) ซึ่งเป็น Ball Grid Array (BGA) แบบหล่อขึ้นรูป

รูปที่ 5: LTM8060 เป็นอาร์เรย์ที่กำหนดค่าได้ μModule สี่ช่องสัญญาณพร้อมเอาต์พุต 3 A/ช่องสัญญาณในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัดที่มีขนาดเพียง 11.9 มม. × 16 มม. × 3.32 มม. (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

แง่มุมหนึ่งที่น่าสนใจของอุปกรณ์ Quad-channel นี้คือเอาต์พุตสามารถต่อขนานในการกำหนดค่าต่าง ๆ เพื่อให้ตรงกับความต้องการกระแสโหลดที่แตกต่างกัน สูงสุด 12 A (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: เอาต์พุต 3 A สี่ตัวของ LTM8060 สามารถจัดเรียงในรูปแบบขนานที่แตกต่างกันเพื่อให้ตรงกับข้อกำหนดราง DC ของการใช้งาน (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

โดยสรุป ตัวควบคุม Silent Switcher ให้ประโยชน์มากมายในด้านเสียงรบกวน ฮาร์มอนิกส์ และประสิทธิภาพการระบายความร้อน (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: แสดงเป็นคุณสมบัติหลักของเรกูเลเตอร์ตระกูล Silent Switcher เทียบกับมุมมองการออกแบบที่สำคัญ (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices)

• เสียงสีขาว : นอกจากนี้ยังมีแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนสีขาวจำนวนมากในระบบอัลตราซาวนด์ ซึ่งนำไปสู่สัญญาณรบกวนพื้นหลังและ "จุด" ของภาพ สัญญาณรบกวนนี้มาจากสายสัญญาณ นาฬิกา และกำลังไฟเป็นหลัก การเพิ่มตัวปรับแรงดันต่ำ (LDO) ที่ขาจ่ายไฟของส่วนประกอบอะนาล็อกที่มีความละเอียดอ่อนสามารถแก้ไขปัญหานี้ได้

ตัวควบคุม LDO รุ่นต่อไปของ ADI เช่นLT3045 มีระดับเสียงรบกวนต่ำเป็นพิเศษที่ประมาณ 1 ไมโครโวลต์ (μV) rms (10 Hz ถึง 100 kHz) และให้กระแสเอาต์พุตสูงสุด 500 mA ที่แรงดันตกคร่อมทั่วไปที่ 260 mV (รูปที่ 8) กระแสไฟนิ่งขณะใช้งานอยู่ที่ 2.3 mA และลดลงต่ำกว่า 1 μA ในโหมดปิดเครื่อง LDO สัญญาณรบกวนต่ำอื่นๆ มีให้ครอบคลุมกระแสตั้งแต่ 200 mA ถึง 3 A

รูปที่ 8: ตัวควบคุม LDO LT3045 มีสัญญาณรบกวนต่ำเป็นพิเศษประมาณ 1 μV rms ในช่วงกระแสตั้งแต่ 200 mA ถึง 3 A (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์อนาล็อก)

• เค้าโครงกระดาน : ในเลย์เอาต์บอร์ดพีซีส่วนใหญ่ มีข้อขัดแย้งระหว่างสัญญาณกระแสสูงจากสวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลายกับสัญญาณระดับต่ำที่อยู่ติดกัน เนื่องจากสัญญาณรบกวนจากแบบแรกสามารถรวมเข้ากับสัญญาณแบบหลังได้ สัญญาณรบกวนการสลับนี้มักเกิดจาก "วงจรร้อน" ที่สร้างขึ้นโดยตัวเก็บประจุอินพุต, MOSFET ด้านบน, MOSFET ด้านล่าง และตัวเหนี่ยวนำแบบกาฝากเนื่องจากการเดินสาย การเดินสาย และการเชื่อม

วิธีแก้ปัญหามาตรฐานคือการเพิ่มวงจรสนับเบอร์เพื่อลดการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่จะลดประสิทธิภาพลง สถาปัตยกรรม Silent Switcher ปรับปรุงประสิทธิภาพและคงไว้ซึ่งประสิทธิภาพสูงแม้ในความถี่การสลับที่สูง โดยการสร้าง hot loop ตรงข้ามกัน (เรียกว่า "การแยก") โดยใช้การปล่อยก๊าซแบบสองทิศทาง ลด EMI ประมาณ 20 dB (รูปที่ 9)

รูปที่ 9: ด้วยการสร้าง “hot loop” ที่อยู่ตรงข้ามกันซึ่งแยกเส้นทางการไหลของกระแส Silent Switcher จะลด EMI ลงอย่างมากประมาณ 20 dB (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ประสิทธิภาพเทียบกับเสียงรบกวน

อาจดูเหมือนว่าหากมีการประนีประนอมระหว่างเสียงของแหล่งจ่ายไฟกับประสิทธิภาพที่เป็นไปได้ ความจำเป็นในการใช้เสียงต่ำเป็นพิเศษในการใช้งานอัลตราซาวนด์ควรมีความสำคัญมากกว่า ท้ายที่สุดแล้ว การกระจายพลังงานอีกสองสามมิลลิวัตต์ไม่ควรเป็นภาระในระดับระบบ "ภาพใหญ่" มากนัก นอกจากนี้ ทำไมไม่เพิ่มพลังงานที่พัลส์โดยทรานสดิวเซอร์เพื่อเพิ่มความแรงของสัญญาณพัลส์และทำให้ SNR สะท้อนกลับ

แต่การแลกเปลี่ยนนี้มีความยุ่งยากอื่น: ความร้อนในตัวเองในโพรบดิจิตอลแบบพกพาที่มีทรานสดิวเซอร์, ไดรเวอร์องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก, AFE และวงจรอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ พลังงานไฟฟ้าบางส่วนของหัววัดจะกระจายไปในชิ้นส่วนเพียโซอิเล็กทริก เลนส์ และวัสดุด้านหลัง จึงทำให้เกิดความร้อนที่ตัวแปลงสัญญาณ นอกจากพลังงานเสียงที่สูญเสียไปในหัวทรานสดิวเซอร์แล้ว ยังส่งผลให้เกิดความร้อนและอุณหภูมิสูงขึ้นที่โพรบ

มีข้อจำกัดเกี่ยวกับอุณหภูมิพื้นผิวของทรานสดิวเซอร์สูงสุดที่อนุญาต มาตรฐาน IEC 60601-2-37 (Rev 2007) จำกัดอุณหภูมินี้ไว้ที่ 50°C เมื่อทรานสดิวเซอร์ไปในอากาศ และ 43°C เมื่อส่งสัญญาณไปยัง Phantom ที่เหมาะสม (เครื่องจำลองร่างกายมาตรฐาน); ขีดจำกัดหลังหมายความว่าผิวหนัง (โดยทั่วไปอยู่ที่ 33°C) สามารถให้ความร้อนได้สูงสุด 10°C ดังนั้น การให้ความร้อนของทรานสดิวเซอร์จึงเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในการออกแบบทรานสดิวเซอร์ที่ซับซ้อน ขีดจำกัดของอุณหภูมิเหล่านี้อาจจำกัดเอาต์พุตอะคูสติกที่ใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่ขึ้นกับไฟ DC ที่มีอยู่

สรุป

การถ่ายภาพอัลตราซาวนด์เป็นเครื่องมือสร้างภาพทางการแพทย์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ล้ำค่า ไม่รุกล้ำ และปราศจากความเสี่ยง แม้ว่าหลักการพื้นฐานจะเรียบง่ายตามแนวคิด แต่การออกแบบระบบภาพที่มีประสิทธิภาพจำเป็นต้องใช้วงจรที่ซับซ้อนจำนวนมาก พร้อมด้วยตัวควบคุมกระแสตรงหลายตัวเพื่อจ่ายไฟให้กับวงจรย่อยต่างๆ หน่วยงานกำกับดูแลและพลังงานที่เกี่ยวข้องเหล่านี้ต้องมีประสิทธิภาพ แต่ยังมีเสียงรบกวนต่ำมากเนื่องจาก SNR และไดนามิกเรนจ์ที่สูงมากบนพลังงานสัญญาณอะคูสติกที่สะท้อนกลับ ดังที่แสดงไว้ LDO และ Silent Switcher IC จากอุปกรณ์อะนาล็อกเป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้โดยไม่สูญเสียพื้นที่ว่าง EMI หรือแอตทริบิวต์หลักอื่นๆ

เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง

1. อุปกรณ์ Maxim/Analog, บทช่วยสอน 4696, “ภาพรวมของระบบภาพอัลตราซาวนด์และส่วนประกอบทางไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับฟังก์ชันย่อยหลัก ”
2. อุปกรณ์อนาล็อก “เทคโนโลยี Silent Switcher™ โดยอุปกรณ์อะนาล็อก ” (วิดีโอ)
3. อุปกรณ์อนาล็อก “เสียงรบกวนต่ำ Silent Switcher μModule และ LDO Regulators ปรับปรุงคุณภาพเสียงอัลตราซาวนด์และภาพ ”
4. อุปกรณ์อนาล็อก “อุปกรณ์ Silent Switcher นั้นเงียบและเรียบง่าย ”