超声波电压控制增益放大器和ADC及其在及其在便携式超声波系统中的应用
2010-12-18 11:38:33
来源：《半导体器件应用》2009年03月刊
点击：2872
1 引言
对于医疗设备来说，准确性大于一切。没有性能可靠的芯片，我们根本就无法设计可靠的超声波系统或其他医疗设备。所有芯片都通过最严格的测试，性能绝对可靠，芯片都能完全兼容，即使将我们的多款不同芯片搭配一起也不会因兼容问题而产生系统错误。创新集成电路不但封装小巧，而且功耗极低，最适合要求轻巧纤薄的便携式医疗设备采用。在信噪比方面有极卓越的表现，这是确保读数真正准确的关键。它们分别是便携式超声波系统、CT 的扫描仪、核磁共振成像及数字X光医疗成像等系统超声波系统，而与此有关的其中包括运算放大器、单路／双路及八进制的数据转换系统 ADC、数字信号处理器以及超声波可变增益型放大器。
值此仅可变增益放大器类型中的超声波电压控制增益放大器（VCA）和 ADC 在便携式超声波系统中的应用特征作分析介绍。首先从对可变增益型放大器基本架构开始说明。
2 高速放大器中的可变增益型放大器类型
如今对于高速信号链路及模数驱动电路来说，所使用高速放大器被广泛的定义为“带宽不低于 50MHz、转换速率不低于 100V/μs 的任意放大器。目前拥有的可变增益型放大器是该类型的一种。
应该说放大器的增益既可以是固定的，也可以是可变的。改变增益的方法有两种，一是利用几个控制引脚进行数字式调整，另一种是利用一个控制电压进行线性调整，即电压控制增益放大器（VCA）。其固定增益放大器的增益利用增益设定电阻器在内部予以固定。而可变增益放大器可以具有不同的增益范围，而且也可以是差分输入和/或输出。图 1(a) 为可变增益放大器基本架构。图 1 中通过 VGAIN 增益电压设置放大 1-1000 倍（0dB-60dB）的输入信号。
2.1 可编程增益放大器(PGA)应用特征
可编程增益放大器（PGA）是通用的数据采集输入放大器，是利用几个控制引脚进行数字式调整，以提供数字控制增益来改善精度，扩展动态范围。许多此类器件都具有 ±40V 的过压保护，甚至具有掉电保护。单输入类型的放大器可实现与多种不同的传感器或信号的连接。在处理器控制时，可变的增益大大的扩展了系统的动态范围。
所有的 PGA 系列放大器都兼容 TTL 或 CMOS 电平的输入，从而更易于与微控制器相连接。输入可通过激光微调实现低失调电压及低漂移，从而无需使用外部组件。
2.1.1 数字控制增益技术
对数位选择增益的需求应有两个引脚可支持4种不同增益状态的选择。例如图 1(b) 的 PGA202 和 PGA203 的可编程增益放大器串接可实现更多的增益状态选择，则连接两个可编程增益放大器可提供从 1 至 64 的二进位步进增益。
而 PGA206 提供了 1、2、4、8V/V 的二进位步进增益，并通过 CMOS 或 TTL 兼容输出端进行选择。PGA207 可选增益为 1、2、5、10V/V。为系统提供 10 倍程增益的动态范围。低输入偏詈电流、FET 输入级确保了多路复用器的串行电阻不引入误差。极短的稳定时间（3.5μs，误差 0.01％）可允许快速检测所有通道。PGA204 及 PGA205 拥有精密的双极型输入级，特别适用于低电平信号。PGA205 可设定增益级为 1、2、4 或 8V/V。
2.1.2 对系统精确度考虑
很大程度上取决于受到什么样的驱动。与 10 位的转换器相比，16 位转换器需要具有更高的精度（例如，更低的非线性度）。对于高增益、高精度的应用将更为注重增益误差及漂移。而高源阻抗应用通常采用场效应管输入放大器以减小因偏置电流产生的误差。
为此可编程增益放大器可在数据采集、自动修正电路、遥感仪表、测试仪器、医学生物学仪表、通用模拟接口板等方面上应用。
2.2 超声波电压控制增益放大器应用特征
超声波电压控增益放大器（VCA）通过高阻态输入提供了线性化的 dB 增益及增益范围控制。VCA 系列的设计为各种各样电子系统提供了灵活的增益控制单元，可提供单通道、双通道、八通道的配置。通过板载增益控制范围，可同时控制增益及衰减，从而提供了极大的灵活性。板载衰减范围可用于逐步控制通道的开启和关闭，以避免增益的陡峭突变引发人为错误和误差。而超声 VCA构成方块见图 2(a) 阴影所示，由低噪声放大器（LNA）、VCA（0-45dB）、可编程放大器（PGA）与钳位电路及滤波器组成。
超声 VCA是低功耗（TGC Power）可变增益的低噪声放大器（LNA），它是 ADC 的前端处理的模块。它可补偿板载衰减（见图 2(b) 所示）运行信号从 100μV 到 1V，有 100dB 的动态范围。
电压控制增益设计首先考虑输入频率、噪声、可变增益范围等三种因素，然后是通道数、失真（较低的二次谐波失真及三次谐波失真）、集成度及每通道功耗。
为此超声波电压控制增益放大器（VCA）可在超声波（UItrasound）系统、医学及工业与测试设备等方面上应用。如可变增益放大器 VCA2615 型与 ADS5272 型模数转换器的组合具有每通道 277mW 的功耗，可用于中等范围及高性能的超声波应用。
3 超声波电压控制增益放大器和 ADC 在便携式超声波成像系统中的应用。
首先对便携式超声波成像系统作介绍。
3.1 新型便携式超声波医疗成像系统架构
不管是医疗还是工业用超声波系统均采用聚焦成像技术，该技术所能达到的成像性能远超过单通道的方法。采用阵列接收机，通过时间平移，缩放以及智能求和（summing）回声能量，可构建高清晰度的图像。时间平移的概念以及缩放传感器阵列所接收的信号提供了对扫描区域单点“聚焦”的能力。通过一定的顺序聚焦于不同的点，最终汇集成像。其超声波医疗成像系统的组成方框见图 3(a) 所示。
3.1.1 换能器（或称探头）
用来发射和接收超声的部件，称做探头。由于探头也是进行电一声和声一电信号转换的部件，亦称换能器。其系统仪器的灵敏度、分辨率和伪像干扰的大小都与换能器的性能有关。而换能器为合成 RCL 电路模式，见图 3(b) 所示。换能器模式完全取决于结构、材料与频率及类型。
3.1.2 聚焦成像技术
在扫描开始时，将产生一个脉冲信号并通过每一 8 至 512 传感器的单元发出。此脉冲将定时且定量的“照射”人体的特定区域。在发射之后。传感器单元立即切换至接收模式。上述脉冲此时将构成机械能的形态，以高频声波传播通过人体，典型频率范围介于 7MHz 至 15MHz 之间。随着传播的进行，信号急剧衰减，衰减量与传播距离的平方成反比。而随着信号的传播，一部分波前能量将被反射。这部分发射即为回波，将为接收电子器件所检测。由于反射靠近人体的表皮，直接反射的信号将十分强。而历经一段时间之后，反射所发出的脉冲将非常微弱。这是源于人体深处的反射。
传输至人体内部的总能量是有限的，因此业界必须开发出极为敏感的接收电子器件。在接近于皮肤的聚焦点．接收的回波非常强，仅需要很小乃至不需要任何的放大。此区域被称为近区。但在深入人体的聚焦点，接收回波将异常的微弱，需要放大上千倍乃至更多。此区域被称为远区。这两个区域分别处于接收电子器件所必须处理的两个极端。许多接收链路都集成了低噪声的可变增益放大器。
信号的汇集通过数字波束成型器实现。数字波束成型器是典型的用户定制设计 ASIC（特定用途集成电路），但其功能则是通过不同的可编程逻辑方式实现。在数字波束成型器内部，数字化信号将被缩放及时间延迟，从而在接收链路产生聚焦效应。所有接收通道的信号在经过适当的调节之后将被加权，并输送至成像系统。成像系统将采用单独的 ASIC 进行开发，可能是诸如 DSP 的可编程处理器，或者可能是完全的桌上型电脑。
3.1.3 发射单元
发射单元需要控制 100V~200V 的信号摆幅，大多数情况都将使用高电压 FET 实现。控制 FET 可采用一种或两种方式：开—关（推挽）或 AB 级（class AB）线性控制。推挽的方式最为常见，因为该方式仅需要更为简单、更低成本的接口连接至 FET。AB 级的方式可显著的改善谐波失真，但需要更大负载的驱动，消耗更多的功率。
3.1.4 DSP 的功能
DSP 的功能之中可用于成像系统的有多普勒处理（Doppler processlnQ）、2口、3D 乃至 4D 成像以及大量的后处理算法（可增加功能性并改善性能）。而成像系统的核心需求正是高性能及大带宽。如 TMS320C6455BZTZ 可同时满足此类需求。C6455 的运行频率高达 1GHz。可满足对超声波高强度处理的需求，串行快速输入输出外设还提供了 10Gb/s 的全双工带宽。
3.2 超声波电压控制增益放大器与 ADC 在系统中的重要作用
从图 3(a) 中看出，低通滤波器典型的应用于 VCA及 ADC 之间，用于反锯齿（anti-aliasing）滤波并限制噪声带宽。依赖于特定系统的 2 至 5 极点滤波器，在此可采用线性相位拓扑。在选择运算放大器时，首要的考虑因素包括了信号摆幅、最低及最高输入频率、谐波失真及增益需求。模数转换器（ADC）典型为 10 至 12 位。信噪比（SNFt）及功耗是最着重考虑的问题，随后是通道的集成。ADC 的另一个趋势就是实现 ADC 与波束成型器（beamformer）之间的低电压差分信号（LVDS）接口。通过串行化 ADC 的输出数据，一个 512 通道的系统可将其通道数由 6144 降低至 1024。从而使得转换可采用更小、更低成本的 PC 载板实现，这对于便携式成像系统来说是极为重要的一部分。
新型的超声波应用的集成模拟前端至关重要。如 AFE58xx 系列将多个高性能模拟组件组合成完全集成的模拟前端，为各种超声波设备提供了出类拔萃的图像质量。该器件的尺寸小于它们的一半且功耗更小，同时还能保持低噪声以实现出类拔萃的图像质量。 更长的电池寿命和更好的图像质量有助于便携式系统的普及。 该器件采用 15mm x 9mm 的超小型封装。AFE5805 模拟前端为便于从手持到中程超声波系统使用，提供了低功耗和最低噪声。 新的 AFE5804 具有引脚至引脚的兼容性，一旦有设计需要时，易于转换为更低功耗的解决方案。 它采用模式控制，使设计人员能够灵活地设置噪声级别和所需的功率性能，以优化其系统。图 3(c) 为超声集成的模拟前端芯片 AFE5805 结构方块示意图。
超声集成的模拟前端芯片 AFE5805 主要特性为：完全集成的模拟前端（见图 3(c)），包括低噪声放大器（LNA）、压控衰减器（VCA）、可编程增益放大器（PGA）、低通滤波器（LPF）和模数转换器 (ADC)；一流的噪声和功率性能，为低功耗，在 40MSPS 时每通道 122mW 和低噪声：0.85nV/Hz；扩大的动态范围，尺寸缩小 50%，实现了便携性；增益控制范围为 43dB；PGA 增益设置（dB）为 20、25、27 和 30；快速过载恢复；封装为 135 引脚、15mm×9mm BGA。为此 AFE58xx 可在便携中程超声波设备使用
4 超声波电压控制增益放大器与 ADC 的选用例举
4.1 集成的模拟前端(AFE)可在单芯片内包含8路超声接收通道
如 AD9271 为车载和便携式超声诊断设备提供了空前的高集成度。在 8 通道的每一通道中，都包含一个低噪声放大器（LNA）、用于连续波（cw）多普勒的 8×6 差分交叉点开关、可变增益放大器（VCA）、抗混叠滤波器（AAF）和 12 位模数转换器（ADC）。AD9271 工作电压为 1.8V，以 50MSPS 采样速率工作时每通道功耗仅为 150mW。AD9271 将 8 通道集成在一个 16mm×16mm 的 100 引脚 TQFP 封装内，可使超声诊断系统设计工程师增加通道数量并增强图像质量，而设备的尺寸和功耗则不会增大。图 4 为 AD9271 多通道 LNA-VCA_ADC 阵列中单通道结构示意框图。
由于将许多高性能单元集成到单芯片内，因此采用 AD9271 能为急诊室、医生办公室和门诊所使用的便携式和车载超声系统提供优异的图像质量。AD9271 的每一通道都具有 30dB 可变增益范围，5MHz 折合到输入端噪声典型值的输入动态范围。一个可编程三阶巴特沃斯抗混叠滤波器，一个具有 70dB 信噪比（SNFt）和 80dB 无杂散动态范围（SFDR）的 12 位 ADC。如仅工作在显示模式下，可以关闭个别通道以延长电池寿命，或者在连续波模式下使用低噪声放大器时可以关闭 ADC 通道。
4.2 双通道、低噪声可变增益放大器 VCA2615、 VCA2617
VCA2615 双通道可变增益放大器以小型化的封装提供了卓著的性能，可用于高端、紧凑及便携式的超声波应用。集成的低噪声前置放大器（LNA）提供卓越的低噪声性能，同时还提供可编程的增益及输入阻抗，实现了最大的灵活性。可变增益放大器可通过一个输入控制电压提供高达 52dB 的增益范围。VCA2617 与 VCA2615 类似，但取消了低噪声放大器电路。VCA2617 设计用于在低噪声放大器外置于可变增益放大器的系统。
主要特点：超低噪声仅为，具有可编程低噪声放大器增益；主动终端（Active termination）；卓越的过载恢复；可调节输出削波电平与独立的 VGA 通道控制（VCA2617）可在医疗超声波与工业检查领域上应用。
4.3 8 通道可变增益放大器 VCA8617、VCA8613
VCA8617 是 8 通道可变增益放大器，所具有的卓越动态性能使其可用于低功耗、高性能的便携式应用。该器件的每通道均由一个 20dB 增益的低噪声前置放大器（LNA）及一个可变增益放大器组成。低噪声放大器的差分输出可通过 8×10 交越点开关转换，该开关矩阵可通过串行通信端口进行编程。低噪声放大器的输出直接连接到可变增益放大器级（VGA stage），该级由一个电压控制放大器（VCA）及一个可编程增益放大器（PGA）组成。可编程增益放大器的输出将馈送至集成的低通滤波器。
4.4 8 通道、10至12位、40至70MSPSADC，带串行化低电压差分信号接口
ADS527x 家族以其小型化的 80 引脚 TOFP 封装提供了 8 个高性能的 ADC，从而为高性能的超声波系统提供了多通道的实现。每通道的低功耗特性极大的延长了电池寿命，以允许 ADS527x 系列用于便携式的超声波应用。ADS527x 系列可提供 12 位、40M70MSPS 以及 10 位，65MSPS 的版本，其灵活的解决方案可涵盖整个超声波系统频谱。ADS5240 以及 ADS5242 分别是 4 通道，12 位，40MSPS 及 65MSPS 版本。
主要特点：8 个 12 位或 10 位 ADC。集成于单片小型化 80 引脚 TQFP 封装，转换速率：40、50、65 以及 70MSPS；功耗为123mW/每通道，于 65MSPS；信噪为 70 5dB（12位，于10MHz中频）；独立的通道掉电（powerdown）该芯片可应用了医疗及其它成像便携式测试仪器。
5 高性能超声波信号链路
图 5 为由可变增益放大器 VCA2615 型与 ADS5272 型模数转换器组合的低功耗高性能超声波信号链路示意图。可用于中等范围及高性能的超声波应用。
CDCM7005 作为高性能的时钟同步器及抖动清除器，可为 ADS5272 提供 65MHz 的时钟，并具有可选的旁通（bypass）选项。
对于医疗设备来说，准确性大于一切。没有性能可靠的芯片，我们根本就无法设计可靠的超声波系统或其他医疗设备。所有芯片都通过最严格的测试，性能绝对可靠，芯片都能完全兼容，即使将我们的多款不同芯片搭配一起也不会因兼容问题而产生系统错误。创新集成电路不但封装小巧，而且功耗极低，最适合要求轻巧纤薄的便携式医疗设备采用。在信噪比方面有极卓越的表现，这是确保读数真正准确的关键。它们分别是便携式超声波系统、CT 的扫描仪、核磁共振成像及数字X光医疗成像等系统超声波系统，而与此有关的其中包括运算放大器、单路／双路及八进制的数据转换系统 ADC、数字信号处理器以及超声波可变增益型放大器。
值此仅可变增益放大器类型中的超声波电压控制增益放大器（VCA）和 ADC 在便携式超声波系统中的应用特征作分析介绍。首先从对可变增益型放大器基本架构开始说明。
2 高速放大器中的可变增益型放大器类型
如今对于高速信号链路及模数驱动电路来说，所使用高速放大器被广泛的定义为“带宽不低于 50MHz、转换速率不低于 100V/μs 的任意放大器。目前拥有的可变增益型放大器是该类型的一种。
应该说放大器的增益既可以是固定的，也可以是可变的。改变增益的方法有两种，一是利用几个控制引脚进行数字式调整，另一种是利用一个控制电压进行线性调整，即电压控制增益放大器（VCA）。其固定增益放大器的增益利用增益设定电阻器在内部予以固定。而可变增益放大器可以具有不同的增益范围，而且也可以是差分输入和/或输出。图 1(a) 为可变增益放大器基本架构。图 1 中通过 VGAIN 增益电压设置放大 1-1000 倍（0dB-60dB）的输入信号。
2.1 可编程增益放大器(PGA)应用特征
可编程增益放大器（PGA）是通用的数据采集输入放大器，是利用几个控制引脚进行数字式调整，以提供数字控制增益来改善精度，扩展动态范围。许多此类器件都具有 ±40V 的过压保护，甚至具有掉电保护。单输入类型的放大器可实现与多种不同的传感器或信号的连接。在处理器控制时，可变的增益大大的扩展了系统的动态范围。
所有的 PGA 系列放大器都兼容 TTL 或 CMOS 电平的输入，从而更易于与微控制器相连接。输入可通过激光微调实现低失调电压及低漂移，从而无需使用外部组件。
2.1.1 数字控制增益技术
对数位选择增益的需求应有两个引脚可支持4种不同增益状态的选择。例如图 1(b) 的 PGA202 和 PGA203 的可编程增益放大器串接可实现更多的增益状态选择，则连接两个可编程增益放大器可提供从 1 至 64 的二进位步进增益。
而 PGA206 提供了 1、2、4、8V/V 的二进位步进增益，并通过 CMOS 或 TTL 兼容输出端进行选择。PGA207 可选增益为 1、2、5、10V/V。为系统提供 10 倍程增益的动态范围。低输入偏詈电流、FET 输入级确保了多路复用器的串行电阻不引入误差。极短的稳定时间（3.5μs，误差 0.01％）可允许快速检测所有通道。PGA204 及 PGA205 拥有精密的双极型输入级，特别适用于低电平信号。PGA205 可设定增益级为 1、2、4 或 8V/V。
2.1.2 对系统精确度考虑
很大程度上取决于受到什么样的驱动。与 10 位的转换器相比，16 位转换器需要具有更高的精度（例如，更低的非线性度）。对于高增益、高精度的应用将更为注重增益误差及漂移。而高源阻抗应用通常采用场效应管输入放大器以减小因偏置电流产生的误差。
为此可编程增益放大器可在数据采集、自动修正电路、遥感仪表、测试仪器、医学生物学仪表、通用模拟接口板等方面上应用。
2.2 超声波电压控制增益放大器应用特征
超声波电压控增益放大器（VCA）通过高阻态输入提供了线性化的 dB 增益及增益范围控制。VCA 系列的设计为各种各样电子系统提供了灵活的增益控制单元，可提供单通道、双通道、八通道的配置。通过板载增益控制范围，可同时控制增益及衰减，从而提供了极大的灵活性。板载衰减范围可用于逐步控制通道的开启和关闭，以避免增益的陡峭突变引发人为错误和误差。而超声 VCA构成方块见图 2(a) 阴影所示，由低噪声放大器（LNA）、VCA（0-45dB）、可编程放大器（PGA）与钳位电路及滤波器组成。
超声 VCA是低功耗（TGC Power）可变增益的低噪声放大器（LNA），它是 ADC 的前端处理的模块。它可补偿板载衰减（见图 2(b) 所示）运行信号从 100μV 到 1V，有 100dB 的动态范围。
电压控制增益设计首先考虑输入频率、噪声、可变增益范围等三种因素，然后是通道数、失真（较低的二次谐波失真及三次谐波失真）、集成度及每通道功耗。
为此超声波电压控制增益放大器（VCA）可在超声波（UItrasound）系统、医学及工业与测试设备等方面上应用。如可变增益放大器 VCA2615 型与 ADS5272 型模数转换器的组合具有每通道 277mW 的功耗，可用于中等范围及高性能的超声波应用。
3 超声波电压控制增益放大器和 ADC 在便携式超声波成像系统中的应用。
首先对便携式超声波成像系统作介绍。
3.1 新型便携式超声波医疗成像系统架构
不管是医疗还是工业用超声波系统均采用聚焦成像技术，该技术所能达到的成像性能远超过单通道的方法。采用阵列接收机，通过时间平移，缩放以及智能求和（summing）回声能量，可构建高清晰度的图像。时间平移的概念以及缩放传感器阵列所接收的信号提供了对扫描区域单点“聚焦”的能力。通过一定的顺序聚焦于不同的点，最终汇集成像。其超声波医疗成像系统的组成方框见图 3(a) 所示。
3.1.1 换能器（或称探头）
用来发射和接收超声的部件，称做探头。由于探头也是进行电一声和声一电信号转换的部件，亦称换能器。其系统仪器的灵敏度、分辨率和伪像干扰的大小都与换能器的性能有关。而换能器为合成 RCL 电路模式，见图 3(b) 所示。换能器模式完全取决于结构、材料与频率及类型。
3.1.2 聚焦成像技术
在扫描开始时，将产生一个脉冲信号并通过每一 8 至 512 传感器的单元发出。此脉冲将定时且定量的“照射”人体的特定区域。在发射之后。传感器单元立即切换至接收模式。上述脉冲此时将构成机械能的形态，以高频声波传播通过人体，典型频率范围介于 7MHz 至 15MHz 之间。随着传播的进行，信号急剧衰减，衰减量与传播距离的平方成反比。而随着信号的传播，一部分波前能量将被反射。这部分发射即为回波，将为接收电子器件所检测。由于反射靠近人体的表皮，直接反射的信号将十分强。而历经一段时间之后，反射所发出的脉冲将非常微弱。这是源于人体深处的反射。
传输至人体内部的总能量是有限的，因此业界必须开发出极为敏感的接收电子器件。在接近于皮肤的聚焦点．接收的回波非常强，仅需要很小乃至不需要任何的放大。此区域被称为近区。但在深入人体的聚焦点，接收回波将异常的微弱，需要放大上千倍乃至更多。此区域被称为远区。这两个区域分别处于接收电子器件所必须处理的两个极端。许多接收链路都集成了低噪声的可变增益放大器。
信号的汇集通过数字波束成型器实现。数字波束成型器是典型的用户定制设计 ASIC（特定用途集成电路），但其功能则是通过不同的可编程逻辑方式实现。在数字波束成型器内部，数字化信号将被缩放及时间延迟，从而在接收链路产生聚焦效应。所有接收通道的信号在经过适当的调节之后将被加权，并输送至成像系统。成像系统将采用单独的 ASIC 进行开发，可能是诸如 DSP 的可编程处理器，或者可能是完全的桌上型电脑。
3.1.3 发射单元
发射单元需要控制 100V~200V 的信号摆幅，大多数情况都将使用高电压 FET 实现。控制 FET 可采用一种或两种方式：开—关（推挽）或 AB 级（class AB）线性控制。推挽的方式最为常见，因为该方式仅需要更为简单、更低成本的接口连接至 FET。AB 级的方式可显著的改善谐波失真，但需要更大负载的驱动，消耗更多的功率。
3.1.4 DSP 的功能
DSP 的功能之中可用于成像系统的有多普勒处理（Doppler processlnQ）、2口、3D 乃至 4D 成像以及大量的后处理算法（可增加功能性并改善性能）。而成像系统的核心需求正是高性能及大带宽。如 TMS320C6455BZTZ 可同时满足此类需求。C6455 的运行频率高达 1GHz。可满足对超声波高强度处理的需求，串行快速输入输出外设还提供了 10Gb/s 的全双工带宽。
3.2 超声波电压控制增益放大器与 ADC 在系统中的重要作用
从图 3(a) 中看出，低通滤波器典型的应用于 VCA及 ADC 之间，用于反锯齿（anti-aliasing）滤波并限制噪声带宽。依赖于特定系统的 2 至 5 极点滤波器，在此可采用线性相位拓扑。在选择运算放大器时，首要的考虑因素包括了信号摆幅、最低及最高输入频率、谐波失真及增益需求。模数转换器（ADC）典型为 10 至 12 位。信噪比（SNFt）及功耗是最着重考虑的问题，随后是通道的集成。ADC 的另一个趋势就是实现 ADC 与波束成型器（beamformer）之间的低电压差分信号（LVDS）接口。通过串行化 ADC 的输出数据，一个 512 通道的系统可将其通道数由 6144 降低至 1024。从而使得转换可采用更小、更低成本的 PC 载板实现，这对于便携式成像系统来说是极为重要的一部分。
新型的超声波应用的集成模拟前端至关重要。如 AFE58xx 系列将多个高性能模拟组件组合成完全集成的模拟前端，为各种超声波设备提供了出类拔萃的图像质量。该器件的尺寸小于它们的一半且功耗更小，同时还能保持低噪声以实现出类拔萃的图像质量。 更长的电池寿命和更好的图像质量有助于便携式系统的普及。 该器件采用 15mm x 9mm 的超小型封装。AFE5805 模拟前端为便于从手持到中程超声波系统使用，提供了低功耗和最低噪声。 新的 AFE5804 具有引脚至引脚的兼容性，一旦有设计需要时，易于转换为更低功耗的解决方案。 它采用模式控制，使设计人员能够灵活地设置噪声级别和所需的功率性能，以优化其系统。图 3(c) 为超声集成的模拟前端芯片 AFE5805 结构方块示意图。
超声集成的模拟前端芯片 AFE5805 主要特性为：完全集成的模拟前端（见图 3(c)），包括低噪声放大器（LNA）、压控衰减器（VCA）、可编程增益放大器（PGA）、低通滤波器（LPF）和模数转换器 (ADC)；一流的噪声和功率性能，为低功耗，在 40MSPS 时每通道 122mW 和低噪声：0.85nV/Hz；扩大的动态范围，尺寸缩小 50%，实现了便携性；增益控制范围为 43dB；PGA 增益设置（dB）为 20、25、27 和 30；快速过载恢复；封装为 135 引脚、15mm×9mm BGA。为此 AFE58xx 可在便携中程超声波设备使用
4 超声波电压控制增益放大器与 ADC 的选用例举
4.1 集成的模拟前端(AFE)可在单芯片内包含8路超声接收通道
如 AD9271 为车载和便携式超声诊断设备提供了空前的高集成度。在 8 通道的每一通道中，都包含一个低噪声放大器（LNA）、用于连续波（cw）多普勒的 8×6 差分交叉点开关、可变增益放大器（VCA）、抗混叠滤波器（AAF）和 12 位模数转换器（ADC）。AD9271 工作电压为 1.8V，以 50MSPS 采样速率工作时每通道功耗仅为 150mW。AD9271 将 8 通道集成在一个 16mm×16mm 的 100 引脚 TQFP 封装内，可使超声诊断系统设计工程师增加通道数量并增强图像质量，而设备的尺寸和功耗则不会增大。图 4 为 AD9271 多通道 LNA-VCA_ADC 阵列中单通道结构示意框图。
由于将许多高性能单元集成到单芯片内，因此采用 AD9271 能为急诊室、医生办公室和门诊所使用的便携式和车载超声系统提供优异的图像质量。AD9271 的每一通道都具有 30dB 可变增益范围，5MHz 折合到输入端噪声典型值的输入动态范围。一个可编程三阶巴特沃斯抗混叠滤波器，一个具有 70dB 信噪比（SNFt）和 80dB 无杂散动态范围（SFDR）的 12 位 ADC。如仅工作在显示模式下，可以关闭个别通道以延长电池寿命，或者在连续波模式下使用低噪声放大器时可以关闭 ADC 通道。
4.2 双通道、低噪声可变增益放大器 VCA2615、 VCA2617
VCA2615 双通道可变增益放大器以小型化的封装提供了卓著的性能，可用于高端、紧凑及便携式的超声波应用。集成的低噪声前置放大器（LNA）提供卓越的低噪声性能，同时还提供可编程的增益及输入阻抗，实现了最大的灵活性。可变增益放大器可通过一个输入控制电压提供高达 52dB 的增益范围。VCA2617 与 VCA2615 类似，但取消了低噪声放大器电路。VCA2617 设计用于在低噪声放大器外置于可变增益放大器的系统。
主要特点：超低噪声仅为，具有可编程低噪声放大器增益；主动终端（Active termination）；卓越的过载恢复；可调节输出削波电平与独立的 VGA 通道控制（VCA2617）可在医疗超声波与工业检查领域上应用。
4.3 8 通道可变增益放大器 VCA8617、VCA8613
VCA8617 是 8 通道可变增益放大器，所具有的卓越动态性能使其可用于低功耗、高性能的便携式应用。该器件的每通道均由一个 20dB 增益的低噪声前置放大器（LNA）及一个可变增益放大器组成。低噪声放大器的差分输出可通过 8×10 交越点开关转换，该开关矩阵可通过串行通信端口进行编程。低噪声放大器的输出直接连接到可变增益放大器级（VGA stage），该级由一个电压控制放大器（VCA）及一个可编程增益放大器（PGA）组成。可编程增益放大器的输出将馈送至集成的低通滤波器。
4.4 8 通道、10至12位、40至70MSPSADC，带串行化低电压差分信号接口
ADS527x 家族以其小型化的 80 引脚 TOFP 封装提供了 8 个高性能的 ADC，从而为高性能的超声波系统提供了多通道的实现。每通道的低功耗特性极大的延长了电池寿命，以允许 ADS527x 系列用于便携式的超声波应用。ADS527x 系列可提供 12 位、40M70MSPS 以及 10 位，65MSPS 的版本，其灵活的解决方案可涵盖整个超声波系统频谱。ADS5240 以及 ADS5242 分别是 4 通道，12 位，40MSPS 及 65MSPS 版本。
主要特点：8 个 12 位或 10 位 ADC。集成于单片小型化 80 引脚 TQFP 封装，转换速率：40、50、65 以及 70MSPS；功耗为123mW/每通道，于 65MSPS；信噪为 70 5dB（12位，于10MHz中频）；独立的通道掉电（powerdown）该芯片可应用了医疗及其它成像便携式测试仪器。
5 高性能超声波信号链路
图 5 为由可变增益放大器 VCA2615 型与 ADS5272 型模数转换器组合的低功耗高性能超声波信号链路示意图。可用于中等范围及高性能的超声波应用。
CDCM7005 作为高性能的时钟同步器及抖动清除器，可为 ADS5272 提供 65MHz 的时钟，并具有可选的旁通（bypass）选项。
本文为哔哥哔特资讯原创文章，未经允许和授权，不得转载，否则将严格追究法律责任；
暂无评论