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应用于实时三维超声心动图的时间增益运放

作　者: 姚家剑
导　师: 刘冉
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 时间增益补偿运算放大器经食管动态三维超声心动图模拟接口电路低功耗
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

经食管实时三维超声心动图是近几年发展起来的新研究方向。它将经食道维传感器探头所获得的图像按心脏运动周期收缩与舒张先后顺序依次调出,连续放映,即形成可显示心脏解剖结构层次、形成与活动状态的实时三维超声心动图。它能以立体方式显示心脏大血管各结构的形态、腔径、部位、走向、空间关系与活动状态等,且能从不同力方位显示心脏同一部位的病变。图像立体感强,直观与实体解剖十分相近。动态三维超声心动图的成像系统主要由以下几个部分组成：二维传感器阵列,模拟接口电路,信号和图像处理计算机。其中二维传感器阵列和模拟接口电路是集成在探头上面伸入人体的食道。信号和图像处理计算机位于人体外。探头和计算机之间用电缆传输模拟电压信号。模拟接口电路主要由三个部分组成：1.低噪声的运算放大器2.时间增益补偿的运算放大器3.电压信号的延时叠加电路。而本文主要研究时间增益补偿运算放大器与电路其它两部分的关系,制定相应指标,然后设计一个用于实时三维心动图的时间增益补偿运放。由于超声信号在穿过人的心脏过程,随着穿透深度的逐渐加深,信号会逐步衰减,而相应的二维接收传感器阵列所收到的回波信号也会减弱。信号的穿透深度是与信号传输时间成『正比的。所以,对于的超声回波信号随着时间的增加而不断衰减。为了能够得到一个比较均匀的实时三维超声心动图的影像,就需要对时间上后收到的较弱的信号进行补偿。并且,随着时『间J的消逝,这个增益补偿的强度也会慢慢的加强。这就是我们这个时间增益补偿运算放大器的作用。因为这个增益补偿运放是集成在探头上放入人的食道中,所以它对功耗的要求是非常高的。而它所接受信号的从70μVrms～0.7Vrms,这对于电路的噪声和增益的要求都是足够高。超声波信号的带宽从4.5MHz～7.5MHz,这也决定了运放的工作频段。在功耗、噪声、增益、带宽这四个指标的限制下,传统全局反馈电压运放被论证是不可行的。我们独创性的提出了局部反馈,全局开环的思路是设计这类低功耗、高增益、高带宽的运放的最佳方案。这个电路采用的是0.35μm的CMOS工艺。最终这个时间增益补偿运算放大器在满足所有其它指标后消耗的功耗是130μW,相应的电源电压是3.3V。它是目前为止,运用在经食道实时三维超声心动图中功耗最小时间增益补偿运算放大器。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-6
第一章绪论  6-13
  1.1 引言  6
  1.2 超声心动图  6-10
    1.2.1 超声心动图的发展历史  6-7
    1.2.2 实时三维超声成像原理  7-8
    1.2.3 实时三维超声心动图的临床应用  8
    1.2.4 两种实时三维超声心动图方法比较  8-10
  1.3 实时三维超声心动系统  10-11
    1.3.1 超声波发射和接受系统  10-11
    1.3.2 时间增益补偿运放  11
  1.4 课题意义  11-12
  1.5 论文的组织结构  12-13
第二章超声信号处理系统的原理  13-21
  2.1 超声影像系统  13-14
  2.2 二维矩阵传感器  14-16
  2.3 介质的谐波成像  16
  2.4 接口电路  16-20
    2.4.1 低噪声运放(LNA)  17
    2.4.2 时间增益补偿运放(TGC)  17-19
    2.4.3 延时叠加电路(波束成形器(beamformer))  19-20
  2.5 小结  20-21
第三章时间增益补偿运放(TGC)的指标  21-28
  3.1 TGC和二维矩阵传感器之间的关系  21-23
  3.2 TGC和低噪声运放之间的关系  23-24
  3.3 TGC和波束成形器之间的关系  24
  3.4 TGC和谐波成像之间的关系  24-26
  3.5 TGC的指标  26-28
第四章常用时间增益运放的设计方法  28-36
  4.1 采用分立元件来实现超声回波影像系统  28
  4.2 常用的TGC芯片设计方法  28-30
    4.2.1 多级级联电压运放  28-29
    4.2.2 电流反馈的运放  29-30
  4.3 电路拓扑结构的选择  30-34
    4.3.1 全局反馈运放  31-33
      4.3.1.1 拓扑结构1——单级反馈运放  31-32
      4.3.1.2 拓扑结构2——两级级联反馈运放  32-33
    4.3.2 局部反馈  33-34
  4.4 总结  34-36
第五章电路的实现  36-70
  5.1 几种跨导运放的比较  36-42
    5.1.1 输入信号减小法  36-37
    5.1.2 非线性相的抵消  37-39
    5.1.3 Caprio结构  39-40
    5.1.4 源级负反馈  40-42
  5.2 具体电路的实现  42-54
    5.2.1 共源共栅的旋转电压跟随器(Cascoded Flipped Voltage Follower)  42-48
      5.2.1.1 CASFVF的低频输出电阻  43-45
      5.2.1.2 CASFVF的高频稳定性  45-48
    5.2.2 通过CASFVF结构构成的跨导运放  48-50
    5.2.3 跨阻放大器  50
    5.2.4 主要电路  50-51
    5.2.5 凯尔文开关  51-53
    5.2.6 增益的设定  53
    5.2.7 输出级  53-54
  5.3 仿真结果  54-62
    5.3.1 交流仿真结果  54-57
      5.3.1.1 39dB增益  54-55
      5.3.1.2 26dB增益  55-56
      5.3.1.3 13dB增益  56
      5.3.1.4 0dB增益  56-57
    5.3.2 瞬态仿真结果  57-60
      5.3.2.1 39dB增益  57-58
      5.3.2.2 26dB增益  58-59
      5.3.2.4 13dB增益  59-60
      5.3.2.5 0dB增益  60
    5.3.3 不同增益级变换时候的转换时间  60-61
    5.3.4 噪声的仿真结果  61-62
    5.3.5 功耗统计  62
  5.4 版图和后端仿真结果  62-70
    5.4.1 交流后端仿真结果  63-66
      5.4.1.1 39dB  63-64
      5.4.1.2 26dB  64-65
      5.4.1.3 13dB  65
      5.4.1.4 0dB  65-66
    5.4.2 后端瞬态仿真  66-70
      5.4.2.1 39dB增益  66-67
      5.4.2.2 26dB增益  67-68
      5.4.2.3 13dB增益  68-69
      5.4.2.4 0dB增益  69-70
第六章总结  70-72
  6.1 全文总结  70-71
  6.2 未来工作的展望  71-72
参考文献  72-75
致谢  75-76

应用于实时三维超声心动图的时间增益运放

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