O regulador correto da fonte de alimentação pode minimizar o ruído da trilha CC e melhorar a qualidade da imagem de ultrassom

O ruído é um fator limitante do desempenho em sistemas médicos e outros sistemas de ultrassom. Obviamente, o simples termo "ruído" refere-se a muitos tipos distintos, alguns dos quais são inerentes à situação médica e do paciente, enquanto outros são de natureza eletrônica. O ruído dominante induzido pelo paciente é chamado de ruído "speckle" e se deve, em grande parte, a não uniformidade (não homogeneidade) dos tecidos e órgãos do paciente. Os projetistas de circuitos podem fazer pouco em relação ao ruído induzido pelo paciente, mas há muito o que fazer para poder minimizar as várias fontes e tipos de ruído nos componentes eletrônicos.

Entre essas possíveis fontes de ruído estão os reguladores CC/CC. Para minimizar o ruído, os projetistas podem usar reguladores LDO (low-dropout ou baixa queda de tensão), pequenos e silenciosos, que continuam a melhorar sua eficiência. Mesmo esses LDOs podem resultar em desperdício de energia com problemas de gerenciamento térmico associados. A alternativa eficiente ao LDO é o regulador de chaveamento, mas esses dispositivos têm alto ruído devido à sua natureza de chaveamento. Esse ruído precisa ser atenuado para que os projetistas possam tirar o máximo proveito desses dispositivos.

Inovações recentes no projeto de topologias de conversão de energia reduziram esse ruído, resultando em uma mudança na compensação de equilíbrio entre ruído e eficiência. Por exemplo, os reguladores de chaveamento monolíticos de alta potência podem alimentar eficientemente os CIs digitais com trilhas CC de baixo ruído, alta eficiência e requisitos mínimos de espaço.

Este artigo discute brevemente os desafios do ultrassom. Em seguida, ele apresenta as minúsculas famílias de CIs Silent Switcher da Analog Devices e usa o LT8625S como exemplo destacado para mostrar como esses inovadores reguladores de chaveamento atendem aos vários objetivos de cargas na faixa de tensão de um dígito, abaixo de 10 amperes (A), necessários para a geração de imagens de ultrassom de alto desempenho. Outros exemplos de CIs Silent Switcher são fornecidos para mostrar a abrangência da família.

O ultrassom tem problemas particulares de caminho de sinal

O princípio operacional da geração de imagens ultrassônicas é simples, mas o desenvolvimento de um sistema de geração de imagens de alto desempenho requer considerável experiência em projetos, muitos componentes especializados e atenção a detalhes sutis (Figura 1).

Figura 1: Um diagrama de blocos de alto nível de um sistema de imagens de ultrassom dá uma ideia da complexidade da implementação de um sistema baseado em um princípio físico simples. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O sistema de geração de imagens usa uma matriz de transdutores piezoelétricos que são pulsados para produzir uma frente de onda acústica. Muitos sistemas novos têm até 256 elementos transdutores desse tipo, cada um dos quais deve ser controlado de forma independente. As frequências transmitidas variam de 2 a 20 megahertz (MHz).

Ao ajustar o tempo relativo dos transdutores na matriz usando atrasos variáveis, os pulsos emitidos podem ser formados por feixes e direcionados a locais específicos. As frequências mais altas proporcionam uma boa resolução espacial, mas têm uma capacidade de penetração relativamente baixa, resultando em uma qualidade de imagem degradada. A maioria dos sistemas usa cerca de 5 MHz como um compromisso ideal.

Depois que o pulso é emitido, o sistema muda para o modo de recepção e capta os ecos do pulso acústico, que são criados sempre que a energia da onda acústica atinge uma barreira de impedância, como no limite entre diferentes tipos de tecidos ou órgãos. O tempo de atraso com o qual os ecos retornam em relação ao momento em que foram enviados fornece as informações de imagem.

Devido à atenuação inevitável do sinal de ultrassom à medida que ele passa pelo tecido duas vezes — uma para o caminho de ida e outra para o eco de retorno — o nível do sinal recebido abrange uma ampla faixa dinâmica. Ele pode ser tão alto quanto um volt e tão baixo quanto alguns microvolts, o que representa uma faixa de cerca de 120 decibéis (dB).

Observe que, para um sinal de ultrassom de 10 MHz e uma profundidade de penetração de 5 centímetros (cm), o sinal de ida e volta é atenuado em 100 dB. Portanto, para lidar com uma faixa dinâmica instantânea de cerca de 60 dB em qualquer local, a faixa dinâmica necessária seria de 160 dB (uma faixa dinâmica de tensão de 100 milhões para 1).

Pode parecer que a solução mais fácil para lidar com uma ampla faixa dinâmica, sinais de baixo nível e uma relação sinal-ruído (SNR) inadequada é simplesmente aumentar a potência emitida do transdutor. No entanto, além das demandas óbvias de energia que isso impõe, há limites rígidos para a temperatura da sonda ultrassônica que está em contato com a pele do paciente. As temperaturas máximas permitidas na superfície do transdutor estão especificadas na norma IEC 60601-2-37 (Rev. 2007) em 50°C, quando o transdutor estiver transmitindo para o ar, e 43°C quando estiver transmitindo para um fantoma adequado ao corpo humano.

Esse último limite implica que a pele (normalmente a 33°C) pode ser aquecida em no máximo 10°C. Portanto, não apenas a potência acústica deve ser limitada, mas qualquer dissipação dos componentes eletrônicos associados, incluindo reguladores CC/CC, também deve ser minimizada.

Para manter um nível de sinal relativamente constante e maximizar a SNR, é usada uma forma especial de controle automático de ganho (AGC), chamada compensação de ganho de tempo (TGC). O amplificador TGC compensa o decaimento exponencial do sinal, amplificando-o usando um fator exponencial que é determinado pelo tempo que o receptor está aguardando o pulso de retorno.

Observe que há diferentes tipos de modos de geração de imagens de ultrassom, conforme mostrado na (Figura 2):

• A escala de cinza produz uma imagem básica em preto e branco. Ela pode resolver artefatos tão pequenos quanto um milímetro (mm).
• Os modos Doppler detectam a velocidade de um objeto em movimento, rastreando o deslocamento de frequência do sinal de retorno e exibindo-o em cores falsas. É usado para examinar o sangue ou outros fluidos que circulam no corpo. O modo Doppler requer a transmissão de uma onda contínua para o corpo e a produção de uma transformada rápida de Fourier (FFT) do sinal de retorno.

Figura 2: Aparência em escala de cinza (A) e Doppler colorido (B) das artérias carótidas extracranianas no nível da bifurcação carotídea. Observe que os ramos da ACE (asterisco, canto inferior esquerdo de cada imagem) são melhor visualizados na imagem de Doppler colorido. (ACC: artéria carótida comum; ACI: artéria carótida interna; e ACE: artéria carótida externa (ACE). (Fonte da imagem: Radiologic Clinics of North America)

• Os modos venoso e arterial usam o Doppler em conjunto com o modo de escala de cinza. Eles são usados para mostrar o fluxo sanguíneo arterial e venoso em detalhes.

O diagrama de blocos simplificado deixa de fora alguns componentes principais, enquanto um diagrama mais detalhado revela funções adicionais (Figura 3).

Figura 3: Um diagrama de blocos mais detalhado de um sistema de ultrassom moderno torna sua complexidade mais aparente, bem como as muitas funções digitais incorporadas ao projeto. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Primeiro, há a função de fonte de alimentação. Independentemente de o sistema ser alimentado por linha CA ou bateria, ele requer vários reguladores CC/CC para desenvolver as várias tensões da trilha. Essas tensões variam de poucos volts para algumas funções a tensões muito mais altas para os transdutores piezoelétricos.

Além disso, como os sistemas de ultrassom modernos são em grande parte digitais, exceto pelos front-ends analógicos para os caminhos de transmissão e recepção, eles incluem FPGAs para implementar a formação de feixe controlada digitalmente e outras funções. Esses FPGAs exigem uma quantidade relativamente significativa de corrente, variando até 10 A.

Desempenho dos limites de ruído

Como acontece com a maioria dos sistemas de aquisição de dados, o ruído também é um dos fatores limitantes do desempenho dos sistemas de ultrassom médico. Além do ruído speckle induzido pelo paciente, há vários tipos de ruído de componentes e circuitos eletrônicos:

• O ruído gaussiano é um ruído "branco" estatisticamente aleatório que se deve, em grande parte, a flutuações térmicas ou a ruídos de circuitos eletrônicos de componentes ativos e passivos.
• O ruído de disparo (Poisson) se deve à natureza discreta das cargas elétricas.
• O ruído de impulso, às vezes chamado de ruído de sal e pimenta, pode ser visto em imagens digitais. Pode ser causado por distúrbios agudos e repentinos no sinal da imagem e é visto como uma ocorrência esparsa de píxeis brancos e pretos, daí o nome informal.

Essas fontes de ruído afetam a resolução e a qualidade da imagem. Eles são minimizados pela escolha adequada de componentes eletrônicos, como amplificadores e resistores de baixo ruído, além de filtros analógicos e digitais adequados. Além disso, alguns ruídos podem ser minimizados no pós-processamento por meio de algoritmos sofisticados de processamento de imagens e sinais.

Ruído do regulador: um fator fundamental

Há também uma questão relacionada ao ruído que deve ser abordada: o ruído de chaveamento dos reguladores CC/CC abaixadores (buck) que estão fornecendo energia principalmente para CIs digitais, como FPGAs e ASICs. O problema é que eles também afetam os circuitos sensíveis de processamento de sinais analógicos por meio de radiação eletromagnética (EM), bem como pela condução através de trilhas de alimentação e outros condutores.

Os projetistas tentam minimizar esse ruído usando contas de ferrite, layouts cuidadosos e filtragem na trilha de alimentação, mas esses esforços aumentam o número de componentes, aumentam o espaço da placa de circuito impresso e, muitas vezes, são apenas parcialmente bem-sucedidos.

Tradicionalmente, os projetistas que se esforçam para minimizar o ruído criado pelos reguladores CC/CC podem escolher um LDO com sua saída inerentemente de baixo ruído, mas com eficiência relativamente baixa de cerca de 50%. A alternativa é usar um regulador de chaveamento com uma eficiência de cerca de 90% ou mais, mas com ruído de impulso na saída da ordem de milivolts devido ao clock de chaveamento.

Diferentemente da maioria das decisões de engenharia, em que há compensações ao longo de um contínuo, a situação dos reguladores CC/CC exige a escolha de um lado ou de outro: baixo ruído com baixa eficiência versus alto ruído com alta eficiência. Não há compromisso, como aceitar um ruído 20% maior em um LDO em troca de um modesto aumento em sua eficiência.

O ruído inerentemente baixo do LDO pode ser comprometido por outro fator. Devido ao seu tamanho relativamente grande para níveis de corrente mais altos — principalmente devido a preocupações térmicas —, ele geralmente precisa ser colocado a uma distância maior da carga. Isso oferece uma oportunidade para que a trilha de saída do LDO capte o ruído emitido pelos componentes digitais do sistema, corrompendo a trilha limpa do circuito analógico sensível.

Uma solução para a colocação do LDO devido a problemas de gerenciamento térmico é usar um único regulador, localizado afastado, seja na lateral ou no canto da placa de circuito impresso. Isso ajuda a gerenciar os problemas de dissipação do LDO e possivelmente simplifica a arquitetura CC/CC ao nível de sistema. No entanto, essa solução aparentemente simples tem muitos problemas:

• A inevitável queda de IR entre o regulador e as cargas devido à distância e aos altos níveis de corrente (queda de ΔV = corrente de carga (I) × resistência da trilha (R)) significa que a tensão nas cargas não estará no valor nominal de saída do LDO e pode até ser diferente em cada carga. Essa queda pode ser minimizada com um aumento na largura ou na espessura da trilha da placa de circuito impresso ou com o uso de um barramento vertical, mas isso usa um espaço precioso da placa e aumenta a lista de materiais (BOM).
• O sensoriamento remoto pode ser usado para monitorar a tensão na carga, mas isso só funciona bem para uma carga de ponto único e não dispersa. Além disso, os condutores do sensoriamento remoto podem contribuir para a oscilação na trilha CC, pois a indutância da trilha de alimentação mais longa e os condutores de sensoriamento podem afetar o desempenho de transiente do regulador.
• Por fim, e o problema que costuma ser mais difícil de gerenciar, as trilhas de alimentação mais longas também estão sujeitas a mais captação de ruído de interferência eletromagnética (EMI) ou interferência de radiofrequência (RFI).

A superação do problema de EMI/RFI geralmente começa com o uso de capacitores de desvio adicionais, contas de ferrite na linha e outras medidas. No entanto, o problema costuma ser persistente. Além disso, esse ruído aumenta o desafio de atender às várias exigências regulatórias sobre emissões de ruído, dependendo de sua magnitude e frequência.

Os reguladores Silent Switcher resolvem o dilema da compensação

Uma solução alternativa e geralmente melhor é usar reguladores CC/CC individuais localizados o mais próximo possível de seus CIs de carga. Isso minimiza a queda de IR, a pegada nas placas de circuito impresso e a captação e radiação de ruído das trilhas. Entretanto, para que essa abordagem seja viável, é essencial ter reguladores pequenos, eficientes e com baixo ruído que possam ser colocados ao lado da carga e ainda atender a todos os seus requisitos de corrente.

É nesse ponto que os diversos reguladores Silent Switcher da Analog Devices resolvem os problemas. Esses reguladores não apenas fornecem saídas de tensão de um dígito em níveis de corrente de alguns amperes a 10 A, mas também o fazem com ruído extremamente baixo, uma façanha alcançada por meio de várias inovações de projeto.

Esses reguladores não são um "compromisso" ou uma troca posicionada em algum lugar ao longo da linha entre os atributos de baixo ruído dos LDOs e a eficiência dos reguladores de chaveamento. Em vez disso, seu projeto inovador permite que os engenheiros obtenham todos os benefícios de eficiência dos comutadores com níveis de ruído muito baixos e próximos aos de um LDO. De fato, eles permitem que os projetistas tenham o melhor de ambos os atributos quando se trata de ruído e eficiência.

Esses reguladores eliminam o pensamento convencional da diferença entre o LDO e o regulador de chaveamento. Eles estão disponíveis nos dispositivos Silent Switcher 1 (primeira geração), Silent Switcher 2 (segunda geração) e Silent Switcher 3 (terceira geração). Os projetistas desses dispositivos identificaram as várias fontes de ruído e criaram maneiras de atenuar cada uma delas, e cada geração subsequente produziu mais melhorias (Figura 4).

Figura 4: Os reguladores CC/CC Silent Switcher abrangem três gerações, sendo que cada geração subsequente se baseia e amplia o desempenho de sua antecessora. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os benefícios dos dispositivos Silent Switcher 1 incluem baixa EMI, alta eficiência e uma alta frequência de chaveamento que afasta muito do ruído restante de partes do espectro em que interferiria com a operação do sistema ou teria problemas regulatórios. Os benefícios do Silent Switcher 2 incluem todos os recursos da tecnologia do Silent Switcher 1, além de capacitores de precisão integrados, uma pegada menor e a eliminação da sensibilidade ao layout da placa de circuito impresso. Por fim, a série Silent Switcher 3 apresenta características de ruído ultrabaixo na faixa de baixa frequência de 10 Hertz (Hz) a 100 kHz, o que é especialmente importante para aplicações de ultrassom.

Devido ao seu fator de forma minúsculo de apenas alguns milímetros quadrados, juntamente com sua eficiência inerente, esses comutadores podem ser localizados muito perto do FPGA ou ASIC de carga. Isso maximiza o desempenho e elimina as disparidades entre o desempenho na ficha técnica e a realidade em uso.

Um resumo dos atributos térmicos e de ruído dos dispositivos Silent Switcher é apresentado na Figura 5.

Figura 5: Os usuários desses reguladores obtêm benefícios térmicos e de ruído tangíveis com o projeto dos Silent Switchers. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Muitas opções na matriz do Silent Switcher

Os reguladores do Silent Switcher estão disponíveis em vários grupos, versões e modelos com diferentes tensões e correntes nominais para atender aos requisitos específicos de um projeto de sistema, bem como em uma variedade de minúsculos invólucros (Figura 6).

Figura 6: Os diversos dispositivos que usam a tecnologia Silent Switcher oferecem muitas permutações de tensão, corrente, ruído e outros atributos. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os dispositivos de primeira e segunda geração incluem, mas não se limitam a, unidades de 5 volts com saídas de 3, 4, 6 e 10 A, como o:

• LTC3307: Silent Switcher abaixador síncrono de 5 volts, 3 A em um invólucro LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3308A: Silent Switcher abaixador síncrono de 5 volts, 4 A em um invólucro LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3309A: Silent Switcher abaixador síncrono de 5 volts, 6 A em um invólucro LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3310: Silent Switcher 2 abaixador síncrono de 5 volts, 10 A em um invólucro LQFN de 3 mm × 3 mm

Cada uma delas, por sua vez, está disponível em várias versões. Por exemplo, o LTC3310 está disponível em quatro versões básicas, incluindo algumas com qualificação automotiva AEC-Q100. Observe que tanto os dispositivos de primeira geração (SS1) — o LTC3310 e o LTC3310-1 — quanto os de segunda geração (SS2) — o LTC3310S e o LTC3310S-1 — estão disponíveis como dispositivos de saída ajustáveis e fixos.

Uma olhada mais de perto em um dispositivo de terceira geração, o LT8625S, destaca os recursos dos projetos do Silent Switcher 3, ressaltados pelo excelente desempenho de baixo ruído desse dispositivo de entrada de 2,7 a 18 volts e saída de 8 A (Figura 7).

Figura 7: O LT8625S requer apenas alguns componentes externos padrões (o LTC8624S idêntico, um membro de 4 A, é mostrado). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os recursos do LT8625S incluem:

• Resposta transitória ultrarrápida devido ao seu amplificador de erro de alto ganho
• Tempo mínimo de comutação para ligar de apenas 15 nanossegundos (ns)
• Uma referência de precisão com desvio de ±0,8% em relação à temperatura
• Operação polifásica com suporte para até 12 fases para maior saída de corrente agregada
• Clock ajustável e sincronizável de 300 kHz a 4 MHz
• Indicador power-good programável
• Disponibilidade em um invólucro LQFN de 4 mm × 3 mm com 20 condutores (LT8625SP) ou 4 mm × 4 mm com 24 condutores (LT8625SP-1)

Suas especificações de desempenho de ruído mostram porque ele é especialmente adequado para aplicações de ultrassom (Figura 8):

• Ruído de raiz quadrada média (RMS) ultrabaixo (10 Hz a 100 kHz): 4 microvolts RMS (_μVRMS)
• Ruído pontual ultrabaixo: 4 nanovolts por raiz de Hz (nV/√Hz) a 10 kHz
• Emissões de EMI ultrabaixas em qualquer placa de circuito impresso
• Os capacitores de desvio internos reduzem as emissões de EMI

Figura 8: Os gráficos mostram que tanto a densidade espectral de ruído de baixa frequência (esquerda) quanto a de banda larga (direita) do LT8625S são mínimas. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Esse desempenho de baixo ruído é obtido com alta eficiência e baixa perda de energia em toda a faixa de carga (Figura 9).

Figura 9: A alta eficiência operacional e o baixo impacto térmico do LT8625S aliviam as preocupações com o projeto do sistema. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O projeto usando o LT8625S de 20 condutores é acelerado com a disponibilidade da placa de avaliação/circuito de demonstração DC3219A (Figura 10). A configuração padrão da placa é de 1,0 volt com uma corrente de saída CC máxima de 8 A. O usuário pode alterar a configuração de tensão conforme necessário.

Figura 10: Para permitir a exploração e agilizar o projeto, a placa de avaliação do DC3291A suporta o LT8625S. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

Os sistemas de geração de imagens por ultrassom são uma ferramenta de diagnóstico médico indispensável e sem riscos. Para obter a nitidez de imagem, a resolução e outras métricas de desempenho necessárias, é fundamental reconhecer que os sinais recebidos podem estar em níveis extremamente baixos, com uma ampla faixa dinâmica. Isso exige que os engenheiros escolham componentes de baixo ruído, empreguem técnicas de projeto prudentes e garantam que as trilhas de alimentação CC sejam menos ruidosas possíveis.

A família Silent Switcher da Analog Devices oferece a alta eficiência inerente dos reguladores CC/CC de chaveamento e, ao mesmo tempo, tem um nível de ruído comparável ao de LDOs muito menos eficientes. Além disso, seu tamanho pequeno, de apenas alguns milímetros quadrados, permite que sejam colocados próximos às cargas que suportam, minimizando a possibilidade de captar o ruído emitido pelo circuito.