Основной усилитель в ультразвуковых сканерах
Усилениеэхо-сигналов в УЗ сканерах имеет специфические особенности, которых нет ни водном другом устройстве для интроскопии.
УЗ колебанияпри распространении в мягких тканях претерпевают большие затухания, из-за чегодинамический диапазон эхо-сигналов достигает 120 дБ. Амплитуда эхо-сигналовопределяет яркость изображения и она должна быть одинаковой (при прочих равныхусловиях) у объектов, расположенных на разной глубине.
А это значит,что сигналы, приходящие с большей глубины в среднем нужно усиливать больше, чемсигналы, приходящие с меньшей глубины. При этом можно использовать дваинформативных признака – амплитудный и временной: импульсы большой амплитудынаиболее вероятно приходят с малых глубин, задержка же эхо по отношению кзондирующему импульсу однозначно связана с глубиной залегания объекта.
Как известно,динамический диапазон яркостей экрана монитора составляет 30 дБ (64 раза).Именно он несет в себе полезную информацию. Остальные же 90 дБ полногодинамического диапазона эхо-сигналов нужно сжать. Это сжатие производят как быс двух сторон – логарифмическим усилителем и блоком ВАРУ (временнойавтоматической регулировки усиления).
Логарифмическийусилитель реализует амплитудно-селективный признак усиления: сигналы с большойамплитудой он усиливает с малым коэффициентом усиления и наоборот. Онпредставляет собой усилитель переменного тока, амплитудная характеристикакоторого описывается выражением
Uвых = Uвых.н [lg(Uвх/Uвх.н + 1)],
где Uвых.н, Uвх.н – амплитуды выходного и входного напряжений, соответствующиеначальному участку амплитудной характеристики усилителя. Такая характеристиканазывается логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ). Ее примерный вид показанна рис.1./> />
Рисунок 1. Характеристикилогарифмического усилителя.
Блок ВАРУавтоматически изменяет коэффициент усиления во времени таким образом, чтобыкомпенсировать среднее систематическое затухание. Наиболее естественнойфункцией регулирования усиления во времени была бы растущая экспонента,поскольку ультразвук в тканях в среднем затухает по закону падающей экспоненты.
Однако напрактике такой закон регулирования осуществить трудно, поэтому используютдругие управляющие функции. Компенсация неинформативного среднего затухания, посути, означает сжатие динамического диапазона.
Получаемое спомощью УЗ сканеров изображение бывает достаточно сложным. Ряд второстепенных(для данного исследования) деталей мешает сосредоточить внимание на болеесущественных. Блок ВАРУ предоставляет оператору замечательную возможность спомощью ручной регулировки устранять мешающие фрагменты и наоборот,подчеркивать полезные – выделять область интереса.
Для этого наопределенных временных участках, соответствующих области интереса, усилениеэхо-сигналов увеличивают, а на других участках – уменьшают. На рис.2 глубиналокации объекта условно разбита на три зоны. Область интереса находится вовторой зоне, а в первой и третьей расположены «мешающие» фрагменты.
Чтобы ихослабить и выделить область интереса, в первой и третьей зонах скоростьнарастания функции усиления уменьшают по сравнению со скоростью среднейфункции, а во второй зоне – увеличивают. Таких зон регулировки усиления поглубине может быть от пяти до восьми. С помощью этих регулировок врач всоответствии со своим опытом и интуицией получает изображение, какое он считаетнаиболее адекватным исследуемому объекту./> />
Рисунок 2. Временнаярегулировка усиления.
Вусилительном тракте логарифмический усилитель и блок ВАРУ могут располагаться вразличной последовательности. одном из вариантов сигнал вначале поступает налогарифмический усилитель и затем усиливается в блоке ВАРУ, а во второмварианте – наоборот.
В каждом изэтих вариантов к отдельным частям тракта усиления предъявляются различные требования.Например, в первом варианте логарифмический усилитель должен сжиматьдинамический диапазон сигналов на 90 дБ, а 30 дБ предоставляется для регулировкив блоке ВАРУ.
/> />
Рисунок 3. Структурная схемаобщего усилителя.
Во второмслучае блок ВАРУ должен обеспечивать больший диапазон регулирования, что обычновызывает затруднения. Структурная схема общего усилителя, соответствующаяпервому варианту, приведена на рис.3.
Сигнал отприемо-передатчика поступает на полосовой фильтр, который может перестраиватьсяв зависимости от рабочей частоты датчика, затем на логарифмический усилитель иВАРУ. Далее он детектируется и дополнительно усиливается.
Логарифмическиеусилители выполняют на транзисторах и микросхемах. Хорошо известна, например,микросхема К174УП2. Она реализует кусочно-линейную аппроксимациюлогарифмической характеристики. Ее устройство и принцип действия поясняетрис.4.
/> />
Рисунок 4. Логарифмическийусилитель и его характеристика.
Этотлогарифмический усилитель собран по дифференциальной схеме. На рисунке показанаполовина схемы. Она состоит в свою очередь из двух идентичных секций, а каждаясекция содержит два дифференциальных каскада (ступени) ДК с генераторомстабильного тока I0. Сигнал на левый вход второгодифференциального каскада передается через делитель R2, R3.Токи левых транзисторов ДК суммируются транзистором VT1, а правых – транзистором VT2.
Приувеличении входного сигнала положительной полярности ток левого транзистораступени ДК1 растет, а правого – уменьшается. Приращения токов равны поабсолютной величине: />/>, где S — крутизна транзистора.
В отсутствиесигнала />.Когда приращения токов достигнут этой величины, наступает их ограничение, нотоки транзисторов второй ступени будут продолжать изменяться, так как сигнал наее вход поступает ослабленным делителем R2, R3.
Длярасширения диапазона ЛАХ к одному из входов подключают внешний резистор R0. На рис.4 показан также один из способов включениямикросхемы как дифференциального логарифмического усилителя и аппроксимация егоЛАХ.
Микросхема К174УП2обеспечивает сжатие амплитуд в диапазоне около 50 дБ. Этого оказываетсянедостаточно для целей УЗ эхоскопии, и логарифмическому усилителю на микросхемеобычно предшествует многоступенчатый усилитель-ограничитель, которыйосуществляет дополнительное сжатие. Функциональная схема такогокомбинированного усилителя приведена на рис 5.
/>
Рисунок 5.Комбинированный логарифмический усилитель.
Вначалесигнал усиливается многокаскадным усилителем, у которого в каждом каскаде имеютсядвусторонние диодные ограничители, которые принимают участие в формированииЛАХ. Первый каскад представляет собой резистивный делитель (R1, R2) и поэтому он не усиливает, а ослабляет сигнал. Следующийкаскад является повторителем, а остальные каскады осуществляют усиление.Разница в уровнях выходных сигналов соседних каскадов составляет 20 – 30 дБ.
Сигналыкаждого выхода многокаскадного усилителя поступают на входы отдельных секцийинтегрального ЛУ и сжимаются ими примерно в 5 раз. Входной сигнал, при которомнаступает ограничение тока в первой ступени секции, равен примерно100 мВ.Следовательно, во второй ступени ограничение наступит при напряжении около 0,6В, т.е. как раз при пороговом напряжении диодного ограничителя. Вначале такоеограничение наступит в последнем каскаде усилителя, затем во втором и, наконец,при самом большом входном сигнале (который наиболее вероятно придет изприповерхностной области) – в первом. Таким образом, многокаскадный усилительдает дополнительное сжатие сигнала на 50 – 60 дБ.
Блоки ВАРУразличных поколений УЗ сканеров отличаются количеством ступеней регулирования испособом воздействия на параметры схемы. Один из ранних методов ВАРУ основан наручной регулировке усиления в пределах нескольких временных зон. По окончаниирегулировки коэффициент усиления в каждой зоне оказывается фиксированным. Такойспособ не учитывает пространственного затухания эхо-сигналов. В более позднейразработке фирмы Aloka ВАРУосуществлялась на основе детектора с управляемой характеристикой. Примерреализации такого метода показан на рис.6.
/> />
Рисунок 6. ВАРУ с управляемымдетектором
Выходной ток Ic от согласующего дифференциальногокаскада поступает на двухтактный детектор, состоящий из диодов и транзисторов VT1 и VT2. На управляющий вход подается напряжение с периодом строкиТстр. В среднем оно изменяется по линейному закону (тонкая линия),но его крутизна может и регулироваться на отдельных участках – ближней идальней зонах. Под действием этого напряжения увеличивается постояннаясоставляющая тока в цепи диодов и эмиттерных переходов транзисторов VT1 и VT2. Это приводит к уменьшению их дифференциальногосопротивления rд. Найдем из эквивалентной схемы входной ток детектора Iд:
/> .
Отсюда видно,что с ростом Uупр входной ток детектора, а значит иего выходной сигнал, растут.
Для выделенияобъектов в ближней зоне Uупр изменяют по закону ломаной 1, длявыделения в дальней зоне – по закону ломаной 2, а смещая его вверх или вниз,регулируют общее усиление. Выходной ток детектора усиливается двухтактнымусилителем тока с очень малым дрейфом. Недостатками рассмотренной ВАРУ являетсямалое количество ступеней регулирования и неадекватность регулировочнойхарактеристики среднестатистическому закону затухания ультразвука.
Болеесовершенной является система ВАРУ, представленная на рис.7. Здесь используетсярегулируемый усилитель и специальный (полиномиальный) генератор управляющегонапряжения. Усилитель ВАРУ представляет собой аналоговый перемножитель сигналов.Его коэффициент усиления определяется формулой
/>
Рисунок 7.ВАРУ с полиномиальным управляющим генератором.
Ku= SR1, где S – крутизна транзисторовVT1 и VT2.
При воздействииуправляющего напряжения на базу транзистора VT3 его коллекторный ток растет, а значит растут и эмиттерныетоки транзисторов VT1 и VT2, что приводит к увеличению ихкрутизны и коэффициента усиления.
Управляющеенапряжение формируется с помощью интеграторов на операционных усилителях DA1 и DA2. Интегрируемое напряжение поступает от потенциометров иможет иметь различную полярность. Каждым из потенциометров осуществляетсярегулировка усиления в определенной зоне (глубине). Для этого они подключаютсяк интегратору коммутирующими ключами.
На интервале даннойзоны регулирования интегратор DA1интегрирует некоторое постоянное напряжение U0и его выходное напряжение будет равно
/>/> , где t = RC
Выходноенапряжение второго интегратора будет равно
/>.
Такимобразом, управляющее напряжение изменяется по закону параболы (отсюда иназвание генератора – полиномиальный). Параболический закон изменения ужедостаточно близок к экспоненциальному. Регулируя потенциометрами напряжение U0, можно изменять крутизну управляющего напряжения наотдельных участках, как это показано на рис.3. Процесс интегрированияинициируется строчным импульсом СИ, который замыкает ключи, разряжающиеконденсаторы интеграторов.