醫學成像領域正極大地受益于應用物理和電子學的研究和發展，特別是在諸如儀表設備、影像采集和建模等領域。由于具有完全無創傷性，超聲波在各種成像模式中占有特別的位置，其為內臟器官研究提供了一種可靠的方法。超聲波技術用于醫療目的已有半個多世紀。然而，這種必需的設備體積龐大且價格昂貴，直到最近才專門使用一些分立器件來制造。

由于半導體工藝技術的進步，這種趨勢正在發生變化。現在，可以完全使用半導體IC來制造超聲波收發器。更低電壓的IC技術現在讓具有顯著高增益和低噪聲性能的超聲波接收機芯片成為現實。同樣地，在更高電壓端，人們日益關注驅動超聲波變送器的發送器IC的制造。本文概述了超聲波發送器芯片設計的一些進展及其存在的諸多挑戰。

超聲波系統概述：發送和接收功能
簡而言之，超聲波系統的工作原理是產生用于患者身上的聲波，然后接收并處理反射信號來形成患者身體的影像。發送至身體內的原始聲波由一個變送器產生，其一般由發送器產生的電脈沖激發。類似地，反射聲波由變送器接收，然后轉換回電形式，最后對得到的信號進行處理，以確定相關身體部位的內部結構。

圖1顯示了一個完整醫療超聲波系統的典型構造。發送路徑的實現可以有幾種不同的方法。該路徑可能由一個波束形成器以及許多電平轉換器、柵極驅動器和高壓開關組成，其輸出被發送給超聲波變送器。一般而言，變送器由壓電材料制造，其將高壓電信號轉換為聲波，即系統的最終輸出。

圖1完整醫療超聲波系統的典型構造圖

一些系統中，在通過數字邏輯驅動輸出級的發送路徑中，從始至終都得到保持信號的數字屬性。然而，您也可以以一種模擬方式創建并發送信號到變送器。其涉及一個將波束形成器輸出轉換為模擬格式的數模轉換器(DAC)。然后，在將其發送到變送器以前，模擬放大被用于產生的信號。

超聲波系統的接收路徑方面，使用了一種模擬方法。因為接收信號的振幅遠低于發送信號，因此前端包括一個低噪聲放大器，其后為某種增益控制模塊。濾出非相關高頻部分以后，得到的信號通過一個模數轉換器(ADC)轉換為數字形式，而該模數轉換器的輸出則由波束形成器來處理。

超聲波收發器系統的其他重要部分包括一個對多個通道活動進行交互的多路復用器，以及一個控制變送器和收發器電子元件之間信號流量的收/發開關。收/發開關的一個關鍵功能是在發送事件期間保護接收機，因為發送事件涉及過高的發送線路電壓，其遠高出接收機模塊的承受能力。

超聲波系統要求：發送路徑挑戰電壓范圍和工作頻率
到目前為止所描述的超聲波系統可以產生各種信號圖像來滿足不同成像模式的要求。在極端范圍下，您可以獲得B型顯示和諧波成像應用要求的高壓(60～100V)、低占空比(0.5～2.0%)信號。在另一種極端情況下，可以獲得連續波(CW)多普勒型成像模式要求的低壓(3～10V)、100%占空比信號。

這就是說，在1～20MHz基頻范圍時，相應占空比條件下，要求超聲波系統的發送器電路產生±3V±100V的輸出電壓。

很明顯，發送器輸出的±100V需要一些高壓開關。當發送器包括一個IC時，這種要求轉變為高壓晶體管，并對其優化以承受大電場。同樣，它們在低壓(10V)下表現不佳，而這種低壓一般用于CW運行。設計一個發送器來滿足電壓范圍極遠端的產品規范仍然，存在一個嚴峻的挑戰。

輸出電壓的寬范圍并非是制造超聲波發送器器件方面的唯一難題，還有更多的挑戰。