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1 概述 我們在分析關(guān)鍵的VGA（可變增益放大器）參數(shù)對多普勒性能的影響之前，首先回顧一下典型相控陣超聲接收通道的基本組成單元及其工作原理，典型的接收機(jī)包括LNA、VGA、抗混疊濾波器和ADC（如圖1所示），LNA放大來自傳感器的1MHz至15MHz的單端輸入信號，LNA具有大約19dB的增益以及50Ω至1KΩ的有源輸入阻抗，可以優(yōu)化選擇使其與傳感器實(shí)現(xiàn)匹配，并保持超低噪聲系數(shù)。 緊隨發(fā)射脈沖之后的接收周期開始階段，LNA輸入端的信號幅值可能達(dá)到0.5Vp-p。在整個接收過程中，該信號的強(qiáng)度會逐漸衰減，最終下降至接收機(jī)的噪底以下，已知人體內(nèi)聲波能量衰減率約為0.7dB/cm-MHz（往返為1.4dB/cm-MHz），聲波在人體內(nèi)的傳播速度為1540m/s（往返為13μs），因此可計(jì)算出衰減值。在整個接收周期內(nèi)，處理該信號所需的動態(tài)范圍約為110dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)際ADC轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍，因此，在接收周期內(nèi)采用VGA（下面稱為"時間增益控制"）動態(tài)增加接收機(jī)增益，使該信號能夠適應(yīng)ADC的輸入動態(tài)范圍。如果要使接收信號能夠適應(yīng)12位ADC的70dB動態(tài)范圍，要求VGA的增益范圍大約為40dB。在圖1接收鏈路中，三極點(diǎn)抗混疊濾波器可避免ADC受到15MHz最大成像頻率以上的高頻噪聲及其他信號的影響，通常采用12位ADC，其工作頻率介于40Msps至60Msps之間。 2 VGA輸出參考噪聲和增益及其對PW多普勒儀的影響 標(biāo)準(zhǔn)的2D、灰度超聲成像要求每個相控陣通道的動態(tài)范圍約為40dB。然而，由于來自血液的接收信號強(qiáng)度可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于周圍組織的信號強(qiáng)度，因此脈沖多普勒成像儀，如光譜PW多普勒成像和彩超成像要求動態(tài)范圍高達(dá)到70dB，通常采用大動態(tài)范圍的12位ADC，以改善多普勒接收機(jī)的性能。 設(shè)計(jì)滿足超聲接收系統(tǒng)ADC要求的VGA具有相當(dāng)大難度，需要特別指出的是：要在保持低輸出參考噪聲以保持接收機(jī)動態(tài)范圍的同時，仍然能夠提供足夠的增益以保證高TGC（時間增益控制）增益下接收機(jī)具有低噪聲系數(shù)，將是一個難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，實(shí)際設(shè)計(jì)VGA時，較低的輸出參考噪聲和較高的最大增益通常是互相矛盾的兩個方面，這種情況下，VGA設(shè)計(jì)人員不得不對這些VGA參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和合理的平衡，以保證接收機(jī)總體性能達(dá)到最佳。 為了更好的理解這些VGA參數(shù)對接收機(jī)性能的影響，我們考慮兩種特殊情形。一種情形是TGC增益適中或增益較低，而接受信號較強(qiáng)，這種情況下，應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化接收機(jī)的動態(tài)范圍，另一種情形是TGC增益最大，而接收信號較弱，后者最重要的是應(yīng)該對接收機(jī)的噪聲系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以維持接收機(jī)的靈敏度。 3 VGA輸出參考噪聲對接收機(jī)動態(tài)范圍的影響 在中/低TGC增益時，VGA的輸出噪聲主要是VGA輸出參考噪聲，該噪聲應(yīng)遠(yuǎn)低于ADC的噪底，否則將會降低ADC的動態(tài)范圍，以圖1所示的超聲接收系統(tǒng)為例，MAX2037 VGA的輸出參考噪聲約為22nV/ 很容易理解，如果VGA具有遠(yuǎn)大于MAX2037的輸出參考噪聲，將會出現(xiàn)問題，例如，當(dāng)采用6dB衰減的抗混疊濾波器時，大小僅為40nV/ 4 VGA最大增益對接收機(jī)噪聲系數(shù)的影響（高TGC增益時） 在高TGC增益時，需要對接收機(jī)進(jìn)行優(yōu)化以提高小信號靈敏度，此時VGA的總輸出參考噪聲以及ADC的噪聲應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ADC輸入端放大后的傳感器噪底。圖3為簡化的超聲接收機(jī)框圖，圖中顯示了ADC之前的接收機(jī)增益對噪聲系數(shù)指標(biāo)的影響，該接收機(jī)系統(tǒng)中采用增益為19dB的MAX2034四通道LNA、最大增益為29.5dB的MAX2037 VGA以及八通道12位ADC MAX1437，同時還假設(shè)抗混疊濾波器具有6dB的通帶衰減，假設(shè)傳感器的阻抗為200Ω，所產(chǎn)生的熱噪聲底為 VGA的最大增益較低或ADC的噪底較高時會出現(xiàn)什么情況？圖4給出了VGA增益對圖3所示典型超聲接收機(jī)的小信號噪聲系數(shù)的影響，假設(shè)接收機(jī)系統(tǒng)采用增益為19dB的低噪聲超聲LNA和衰減為6dB的抗混疊濾波器，我們分別給出了采用兩種不同噪底的ADC時所對應(yīng)的噪聲系數(shù)曲線圖，圖中上面一條曲線對應(yīng)于MAX1437，MAX1473的最大輸入電壓為1.4Vp-p、SNR為70dB、噪底約為31.7nV/ VGA的最大增益較低時，會使TGC增益最大時的接收機(jī)總體噪聲系數(shù)增大，同時還會降低小信號多普勒檢測靈敏度。合理選擇低噪底的ADC，例如MX1437，以及最大增益較高的VGA，如MAX2037，可明顯改善噪聲系數(shù)。 5 結(jié)語 關(guān)注VGA輸出參考噪聲，最大VGA增益、抗混疊濾波器衰減以及ADC噪聲對接收機(jī)動態(tài)范圍和噪聲系數(shù)的影響十分必要，有助于優(yōu)化超聲接收機(jī)的靈敏度。利用MAX2037 VGA優(yōu)化并合理平衡輸出參考噪聲和最大增益，使其滿足12位ADC（例如MAX1437）的性能要求，從而得到最佳的超聲接收機(jī)指標(biāo)。 |
