MAX2079：低功耗高性能八通道超聲接收器的卓越之選

在超聲成像與聲納等領(lǐng)域，高性能、低功耗的超聲接收器是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。今天要為大家詳細介紹 Maxim Integrated 推出的 MAX2079 低功耗、高性能、完全集成的八通道超聲接收器，它在高通道數(shù)的便攜式和推車式超聲系統(tǒng)中表現(xiàn)出色。

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一、產(chǎn)品概述

MAX2079 是一款高度集成的八通道超聲接收器，專為高通道數(shù)、高性能的便攜式和推車式超聲系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。它集成了低噪聲放大器（LNA）、可變增益放大器（VGA）、抗混疊濾波器（AAF）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)字高通濾波器（HPF）等功能模塊，能夠以極小的空間和功耗實現(xiàn)高端 2D 和多普勒成像能力。

產(chǎn)品特性及優(yōu)勢

1. 極小的 PCB 面積與設(shè)計成本：采用小巧的 10mm x 10mm CTBGA 封裝，集成了 8 個完整的通道，包含 LNA、VGA、AAF、12 位 ADC、數(shù)字 HPF 和 CWD 混頻器波束形成器，大大節(jié)省了 PCB 空間和設(shè)計成本。
2. 卓越的系統(tǒng)靈敏度：在 (R{S}=R{IN}=200 Omega) 時，全通道噪聲系數(shù)低至 2.8dB，有效提升系統(tǒng)靈敏度。
3. 出色的系統(tǒng)動態(tài)范圍：在 2MHz 帶寬內(nèi)，圖像路徑信噪比（SNR）達到 76dBFS（(f{RF}=5 MHz)）；在距 (f{RF}=5MHz) 偏移 1kHz 處，圖像路徑信噪比達到 137dBFS/Hz，為高質(zhì)量成像提供保障。
4. 超低功耗：在成像模式下，50Msps 時每個完整通道僅消耗 120mW 功率，非常適合便攜式設(shè)備應(yīng)用。
5. 靈活的輸入阻抗匹配：提供 50Ω、100Ω、200Ω 和 1kΩ 可選的有源輸入阻抗匹配，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行靈活配置。
6. 可編程功能：包括可編程 VGA 輸出鉗位、集成可選的 3 階 9MHz、10MHz、15MHz 和 18MHz 巴特沃斯抗混疊濾波器、可編程數(shù)字高通 2 階濾波器等，增加了設(shè)計的靈活性。
7. 快速恢復(fù)低功耗模式：恢復(fù)時間小于 2μs，能夠在低功耗和高性能之間快速切換。
8. 獨立通道 I/Q CWD 混頻器：有助于改善動態(tài)范圍和靈敏度，提升系統(tǒng)的多普勒性能。

二、產(chǎn)品核心參數(shù)剖析

（一）絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于正確使用和保護器件至關(guān)重要。MAX2079 的各種引腳電壓、功耗、溫度等參數(shù)都有明確的限制范圍。例如，OUT+/-, SDIO 等引腳相對于地的電壓范圍為 -0.3V 到 (VOVDD + 0.3V) 和 +2.1V 中的較低值；連續(xù)功耗在 (T_{A}=+70^{circ} C) 時，144 - 凸點 CTBGA 封裝為 3200mW（高于 +70°C 時需按 33.3mW/°C 降額）；工作外殼溫度范圍為 0°C 到 +70°C 等。在設(shè)計電路時，必須確保所有參數(shù)都在這些額定值范圍內(nèi)，否則可能會對器件造成永久性損壞。

（二）電氣特性

1. DC 電氣特性 - VGA 模式（CWD 波束形成器關(guān)閉）
   • 電源電壓：3.3V 電源電壓（(V{CC3})）范圍為 3.13V 到 3.47V，5V 電源電壓（(V{CC5})）范圍為 4.5V 到 5.25V，1.8V 電源電壓（(V_{CC1.8})，對應(yīng) AVDD 和 OVDD 引腳）范圍為 1.7V 到 1.9V。
   • 電源電流：不同電源電壓下每個通道的電源電流也有相應(yīng)的典型值和最大值，如 3V 電源電流每通道典型值為 9.5mA，最大值為 16mA 等。
   • 直流功耗：每個通道的直流功耗典型值為 120mW（(V{GC+}-V{GC-}=-0.4V) 時）。
   • 其他參數(shù)：還包括外部參考電壓范圍、差分模擬控制電壓范圍等參數(shù)，這些參數(shù)對于保證器件的正常工作和性能至關(guān)重要。
2. AC 電氣特性 - VGA 模式（CWD 波束形成器關(guān)閉）
   • ADC 相關(guān)參數(shù)：ADC 為 12 位，最小采樣率為 25Msps，最大采樣率為 50Msps。
   • 噪聲系數(shù)：在不同的輸入阻抗和增益控制電壓下，噪聲系數(shù)有所不同。例如，在高 LNA 增益下，(R{S}=R{IN}=200 Omega)，(V{GC+}-V{GC-}= +3V) 時，噪聲系數(shù)為 2.8dB。
   • 增益相關(guān)參數(shù)：LNA 有低增益和高增益兩種模式，對應(yīng)的增益值不同；VGA 的增益范圍可達 38.8dB，且增益響應(yīng)時間在增益上升和下降時也有相應(yīng)的典型值。
   • 其他參數(shù)：還包括 8 通道相關(guān)噪聲功率、AA 濾波器 3dB 截止頻率、數(shù)字高通濾波器 3dB 截止頻率等參數(shù)，這些參數(shù)影響著系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和信號處理能力。
3. DC 電氣特性 - CWD 模式（VGA、AAF 和 ADC 關(guān)閉）
   • 混頻器相關(guān)參數(shù)：混頻器 LVDS LO 輸入的共模電壓、差分輸入電壓、輸入電阻等都有特定的要求和典型值。
   • 電源電流和功耗：在全功率模式和低功率模式下，不同電源電壓下每個通道的電源電流和片上功耗也有所不同，設(shè)計時可根據(jù)實際需求選擇合適的工作模式。
4. AC 電氣特性 - CWD 模式（VGA、AAF 和 ADC 關(guān)閉）
   • 混頻器工作范圍：混頻器的 RF 頻率范圍為 0.9MHz 到 7.6MHz，LO 頻率范圍為 8.0MHz 到 60MHz，輸出頻率范圍為 DC 到 100kHz。
   • 噪聲和失真性能：在全功率模式和低功率模式下，噪聲系數(shù)、SNR 和 IM3 失真等參數(shù)也有相應(yīng)的表現(xiàn)，為評估系統(tǒng)的性能提供了參考。

（三）時鐘和時序特性

MAX2079 的時鐘輸入支持差分模式和單端模式，每種模式下都有相應(yīng)的電壓、電阻、電容等參數(shù)要求。例如，差分時鐘輸入電壓范圍為 0.4V 到 2.0V (P - P)，自偏置時的共模電壓為 1.2V 等。同時，在數(shù)字輸入和輸出方面，也有輸入高、低閾值，輸入泄漏電流、輸入電容等參數(shù)，以及輸出電壓低、輸出電壓高等參數(shù)。此外，還規(guī)定了串行端口接口時序、LVDS 數(shù)字輸出時序特性和 CWD LO 時序等，這些時序參數(shù)對于保證系統(tǒng)的同步和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性至關(guān)重要。

三、工作模式與功能詳解

（一）工作模式控制

MAX2079 需要通過編程來設(shè)置工作模式，由 17 個 8 位寄存器（00h 到 10h）進行控制。這些寄存器可以控制不同的功能，如 PLL 采樣率、電源管理、輸出數(shù)據(jù)格式、數(shù)字高通濾波器等。

（二）各功能模塊特點

1. 低噪聲放大器（LNA）：每個 LNA 針對出色的動態(tài)范圍和線性性能進行了優(yōu)化，非常適合超聲成像應(yīng)用。在低增益模式下，輸入電阻會增加約 2 倍，需要改變控制反饋電阻的開關(guān)。
2. 可變增益放大器（VGA）：為高線性度、高動態(tài)范圍和低輸出噪聲性能進行了優(yōu)化。VGA 增益可以通過差分增益控制輸入（GC+ 和 GC -）進行調(diào)節(jié)，設(shè)置差分增益控制輸入電壓為 -3V 時為最小增益，+3V 時為最大增益。
3. 過載恢復(fù)：針對超聲輸入緩沖器成像應(yīng)用中的大輸入信號條件，進行了快速過載恢復(fù)優(yōu)化。通過啟用 ADC 內(nèi)的數(shù)字 HPF 功能，可以消除設(shè)備中的動態(tài)或直流偏移，且不會降低 ADC 的動態(tài)范圍。
4. 八通道連續(xù)波（CW）混頻器：采用有源雙平衡拓撲設(shè)計，具有高動態(tài)范圍、高線性性能和極低的熱噪聲和抖動噪聲，適合超聲 CWD 信號接收。每個混頻器可以編程為 16 個相位之一，通過設(shè)置位 (CW_SHDN_CHn) 可以將每個 CW 通道編程為關(guān)閉狀態(tài)。
5. CW 混頻器輸出求和：八通道混頻器陣列的輸出在內(nèi)部求和，產(chǎn)生總 CWD 波束形成信號。使用單個 8 x LO 高頻主時鐘，通過內(nèi)部分頻器將其分頻到 CWD 頻率，實現(xiàn) CWD 波束形成。
6. LO 相位選擇：LO 相位分頻器可以通過移位寄存器進行編程，提供 16 個正交相位，以實現(xiàn)完整的 CW 波束形成解決方案。

（三）VGA 和 CW 混頻器操作

在正常操作中，設(shè)備可以配置為 VGA 路徑啟用而混頻器陣列斷電（VGA 模式），或者正交混頻器陣列啟用而 VGA 路徑斷電（CW 模式）。通過設(shè)置 CWD 的邏輯高或低來選擇相應(yīng)的模式。

（四）外部電壓參考和 ADC 時鐘輸入

需要連接一個外部低噪聲 +2.5V 參考到 VREF 引腳，并使用 0.1μF 電容器盡可能靠近設(shè)備進行旁路。設(shè)備噪聲性能取決于 VREF 處的外部噪聲。ADC 時鐘輸入接口靈活，支持全差分時鐘或單端邏輯電平時鐘，輸入采樣頻率范圍為 25MHz 到 50MHz。

（五）電源管理

SHDN 輸入用于在兩種電源管理狀態(tài)之間切換，通過 PLL 采樣率和電源管理寄存器（00h）以及通道電源管理寄存器（05h 和 06h）可以完全定義每個電源管理狀態(tài)。設(shè)備提供了睡眠模式和小憩模式（Nap mode）等低功耗模式，在不同模式下，設(shè)備的功耗和喚醒時間有所不同。

（六）可編程數(shù)字高通 2 階濾波器

該數(shù)字 HPF 由兩個相同的一階高通 IIR 濾波器部分級聯(lián)實現(xiàn)，其 3dB 截止頻率由濾波器系數(shù)（R）確定。每個部分可以獨立編程為 10 種可能的值之一或旁路模式。同時，濾波器會提供一個小信號增益，通過在濾波器輸出端加入粗數(shù)字乘法器可以部分補償數(shù)字濾波器增益。

四、系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵要點

（一）系統(tǒng)時序要求

了解模擬輸入、輸入時鐘、幀對齊輸出、串行時鐘輸出和串行數(shù)據(jù)輸出之間的關(guān)系對于系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。差分 ADC 輸入信號在施加的時鐘信號（CLKIN +, CLKIN -）的上升沿采樣，結(jié)果數(shù)據(jù)在 10.5 個時鐘周期后出現(xiàn)在數(shù)字輸出端。

（二）時鐘輸出和幀對齊輸出

ADC 提供差分時鐘輸出（CLKOUT +, CLKOUT -），其頻率是輸入時鐘頻率的 6 倍，并且可以通過輸出數(shù)據(jù)格式和測試模式/數(shù)字 HPF 選擇寄存器（01h）調(diào)整時鐘輸出相對于輸出數(shù)據(jù)幀的相位。幀對齊輸出（FRAME +, FRAME -）的上升沿對應(yīng) 12 位串行數(shù)據(jù)流的第一位，其頻率與輸入時鐘頻率相同，但占空比會根據(jù)輸入時鐘頻率而變化。

（三）串行輸出數(shù)據(jù)和差分 LVDS 數(shù)字輸出

ADC 通過差分輸出（OUT +, OUT -）提供轉(zhuǎn)換結(jié)果，結(jié)果在采樣后 10.5 個輸入時鐘周期有效。輸出數(shù)據(jù)默認以 LSB 優(yōu)先的偏移二進制格式傳輸，但可以通過輸出數(shù)據(jù)格式和測試模式/數(shù)字 HPF 選擇寄存器（01h）進行定制。LVDS 輸出具有靈活的編程選項，包括輸出共模電壓、輸出驅(qū)動電流和內(nèi)部終端等。

（四）3 線串行外設(shè)接口（SPI）

MAX2079 作為從設(shè)備，通過 3 線 SPI 接口與主設(shè)備進行數(shù)據(jù)收發(fā)。主設(shè)備必須發(fā)起所有數(shù)據(jù)傳輸，使用有源低電平的 SPI 芯片選擇輸入（CS）來啟用通信，通過外部生成的 SPI 時鐘輸入（SCLK）控制時序，所有數(shù)據(jù)通過雙向 SPI 數(shù)據(jù)線（SDIO）發(fā)送和接收。

五、應(yīng)用與訂購信息

（一）應(yīng)用領(lǐng)域

MAX2079 主要應(yīng)用于醫(yī)療超聲成像和聲納領(lǐng)域，其高性能和低功耗的特點使其能夠滿足這些領(lǐng)域?qū)υO(shè)備小型化、高靈敏度和高動態(tài)范圍的要求。

（二）訂購信息

提供了不同型號的產(chǎn)品，如 MAX2079CXE + 和 MAX2079CXE + T，溫度范圍為 0°C 到 +70°C，采用 144 CTBGA 封裝。同時，還提供了最新的封裝輪廓信息和焊盤圖案的獲取途徑。

綜上所述，MAX2079 是一款功能強大、性能卓越的八通道超聲接收器，在超聲成像和聲納等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)時，可以充分利用其豐富的功能和靈活的配置選項，實現(xiàn)高性能、低功耗的設(shè)計目標。