MAX14987：2.5A 八通道五級(jí)數(shù)字脈沖發(fā)生器的深度解析

在電子工程領(lǐng)域，超聲系統(tǒng)的性能提升一直是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。而其中，脈沖發(fā)生器作為關(guān)鍵組件，其性能直接影響著超聲成像的質(zhì)量。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下 Analog Devices 推出的 MAX14987 2.5A 八通道五級(jí)數(shù)字脈沖發(fā)生器。

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一、產(chǎn)品概述

MAX14987 是一款八通道五級(jí)高壓脈沖發(fā)生器，它可以根據(jù)低壓控制邏輯輸入，產(chǎn)生高頻高壓雙極脈沖（最高可達(dá) ±105V），主要用于驅(qū)動(dòng)超聲系統(tǒng)中的壓電換能器。這款產(chǎn)品的八個(gè)通道都內(nèi)置了過(guò)壓保護(hù)二極管和集成式有源歸零鉗位電路，并且擁有獨(dú)立的浮動(dòng)電源（FPS）和電平轉(zhuǎn)換器，無(wú)需外部高壓電容就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。此外，它還集成了八個(gè)收發(fā)（T/R）開(kāi)關(guān)。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

（一）節(jié)省空間

1. 高集成度：具備 8 個(gè)通道，可實(shí)現(xiàn)五級(jí)操作，有效提高了系統(tǒng)的集成度，特別適合高通道數(shù)系統(tǒng)和便攜式系統(tǒng)。
2. 集成低功耗 T/R 開(kāi)關(guān)：減少了外部元件的使用，進(jìn)一步節(jié)省了 PCB 空間。
3. DirectDrive?架構(gòu)：無(wú)需外部高壓電容和浮動(dòng)電源，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)體積。

（二）高性能

1. 低失真：在 5MHz 時(shí)，二次諧波失真典型值可達(dá) -40dBc，有助于提升圖像質(zhì)量。
2. 高帶寬與快速邊沿：具備高帶寬和超快的上升/下降沿，能夠?qū)崿F(xiàn)高階 PWM 脈沖整形，滿足復(fù)雜的信號(hào)處理需求。
3. 同步功能：可消除 FPGA 抖動(dòng)的影響，提高多普勒模式下的性能。
4. 低傳播延遲：傳播延遲典型值僅為 11ns，確保信號(hào)的快速傳輸。
5. 強(qiáng)有源歸零：能夠快速將輸出信號(hào)歸零，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（三）節(jié)能

1. 低靜態(tài)功耗：在八通道模式下，每通道的靜態(tài)功耗僅為 21mW，有效降低了系統(tǒng)的能耗。
2. 可編程電流能力：用戶可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整電流輸出，進(jìn)一步優(yōu)化功耗。
3. 關(guān)機(jī)模式：在不需要工作時(shí)，可將設(shè)備置于關(guān)機(jī)模式，幾乎不消耗功率。

三、技術(shù)參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

該設(shè)備對(duì)各種電源電壓、輸入輸出電壓等都有明確的額定范圍，如 Vpp 邏輯電源電壓范圍為 0.3V 至 +5.6V，VEE、VEEA 電源電壓范圍為 -5.6V 至 +0.3V 等。超出這些范圍可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞，在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格遵守。

（二）直流電氣特性

詳細(xì)規(guī)定了各種電源電壓、邏輯輸入輸出、時(shí)鐘輸入等在不同條件下的參數(shù)范圍。例如，邏輯電源電壓 VDD 范圍為 +1.7V 至 +5.25V，邏輯輸入低電平閾值 VIL 為 0.2 x VDD 等。這些參數(shù)為電路設(shè)計(jì)提供了精確的參考。

（三）交流電氣特性

包括脈沖的上升/下降時(shí)間、傳播延遲、開(kāi)關(guān)時(shí)間等參數(shù)。如 HVOUT_ 從 VPPA 到 VNNA 的下降時(shí)間典型值為 22ns，邏輯輸入到 HB1 輸出的上升傳播延遲典型值為 11ns 等。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估設(shè)備在高頻信號(hào)下的性能至關(guān)重要。

四、工作模式

（一）關(guān)機(jī)模式

這是最低功耗模式，此時(shí)設(shè)備不進(jìn)行任何傳輸和接收操作。當(dāng) MODE 輸入為低電平時(shí)，設(shè)備進(jìn)入此模式，所有輸出呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。

（二）八通道五級(jí)正常運(yùn)行模式

在該模式下，MAX14987 具有八個(gè)獨(dú)立通道，可產(chǎn)生五級(jí)、雙模式脈沖方案。根據(jù) SELX 輸入引腳的邏輯電平，脈沖發(fā)生器可分別從 VPPA、VNNA 或 VPPB、VNNB 供電，電流能力分別為 2A 和最高 1.6A。在發(fā)射脈沖前，必須保證至少 1μs 的設(shè)置時(shí)間，期間 DINN 和 DINP 需保持低電平，以確保 T/R 開(kāi)關(guān)和阻尼電路在發(fā)射前完全關(guān)閉。

五、關(guān)鍵功能

（一）電流能力選擇

HB2 脈沖發(fā)生器的電流能力可通過(guò) CC0 和 CC1 輸入進(jìn)行編程，可選擇 1.6A、1.1A、0.5A 和 0.3A 四種電流值，方便用戶根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整，降低功耗。而歸零鉗位電流能力可通過(guò)專(zhuān)用的 CMOS 輸入 RTZ 編程為 1.25A 或 2.5A。

（二）同步功能

通過(guò) SYNC 控制輸入可啟用或禁用同步功能。當(dāng) SYNC 輸入為高電平時(shí)，可使用外部時(shí)鐘信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行同步，有效減少與 FPGA 輸出信號(hào)相關(guān)的相位噪聲，提高多普勒分析的準(zhǔn)確性。輸入時(shí)鐘可以是差分信號(hào)或單端信號(hào)，最高頻率可達(dá) 200MHz。

（三）T/R 開(kāi)關(guān)

每個(gè)通道都配備了低功耗 T/R 開(kāi)關(guān)，傳輸后的恢復(fù)時(shí)間典型值為 0.5μs。T/R 開(kāi)關(guān)由相同的脈沖發(fā)生器數(shù)字輸入控制，在傳輸前至少 1μs 必須關(guān)閉，建議設(shè)置時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá) 3μs，以進(jìn)一步減少傳輸期間的浪涌泄漏電流。

（四）削波二極管

每個(gè)脈沖發(fā)生器輸出端都有一對(duì)反并聯(lián)配置的削波二極管，其反向電容極低，可實(shí)現(xiàn)接收路徑與脈沖發(fā)生器輸出級(jí)之間的完美隔離。

（五）有源阻尼電路

集成在內(nèi)部脈沖發(fā)生器輸出節(jié)點(diǎn)與地之間的有源阻尼電路，可在發(fā)射脈沖結(jié)束后迅速將脈沖發(fā)生器的輸出內(nèi)部節(jié)點(diǎn)完全放電，提高削波隔離效果，抑制可能影響多普勒模式性能的低頻振蕩。該電路具有自我保護(hù)功能，在發(fā)射前至少 1μs（發(fā)射設(shè)置時(shí)間）必須關(guān)閉。

（六）熱警告輸出

當(dāng)內(nèi)部結(jié)溫超過(guò) 150°C 時(shí)，設(shè)備自動(dòng)進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，同時(shí)開(kāi)漏輸出 THP 被置位。當(dāng)溫度降至 120°C 以下時(shí)，設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行，開(kāi)漏輸出引腳釋放。

六、應(yīng)用信息

（一）浮動(dòng)電源

MAX14987 的浮動(dòng)電源調(diào)節(jié)器輸出（V GPA1、V GPA2、V GNA1、V GNA2、V GPB1、V GNB1、V GPB2、V GNB2）相互獨(dú)立，必須保持分離。應(yīng)按照引腳說(shuō)明和應(yīng)用圖，在每個(gè)引腳與配對(duì)電壓電源之間連接 1μF 旁路電容，并盡量靠近設(shè)備放置，以減少走線長(zhǎng)度。建議使用額定電壓大于 6V、低 ESR 和 ESL 的 SMD 旁路電容。

（二）布局注意事項(xiàng)

1. 接地：BGA 陣列的內(nèi)部焊球必須連接到地，建議在 PCB 頂層使用接地平面連接 MAX14987 的接地焊球，并通過(guò)多個(gè)熱過(guò)孔與內(nèi)部接地層正確連接，以幫助散熱。
2. 旁路電容：高速脈沖發(fā)生器的電源輸入需要低電感的旁路電容，因此在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循高速 PCB 走線設(shè)計(jì)原則，盡量縮短走線長(zhǎng)度，使用足夠的走線寬度以降低電感，并優(yōu)先使用表面貼裝元件。

七、應(yīng)用場(chǎng)景

MAX14987八通道五級(jí)數(shù)字脈沖發(fā)生器憑借其獨(dú)特的性能和功能，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，以下是一些主要的應(yīng)用場(chǎng)景：

（一）超聲醫(yī)學(xué)成像

在超聲醫(yī)學(xué)成像設(shè)備中，該脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生高頻高壓雙極脈沖，驅(qū)動(dòng)壓電換能器，為超聲成像提供高質(zhì)量的信號(hào)源。其高帶寬、低失真和快速邊沿特性，有助于提高圖像的分辨率和清晰度，為醫(yī)生提供更準(zhǔn)確的診斷依據(jù)。同時(shí)，可編程電流能力和同步功能可以根據(jù)不同的成像模式進(jìn)行優(yōu)化，滿足多樣化的臨床需求，如B超、多普勒超聲等。

（二）工業(yè)探傷檢測(cè)

在工業(yè)領(lǐng)域，常用于對(duì)金屬、塑料等材料進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)。通過(guò)產(chǎn)生高壓脈沖激勵(lì)壓電傳感器，發(fā)射超聲波進(jìn)入被檢測(cè)材料，根據(jù)超聲波的反射和傳播情況來(lái)檢測(cè)材料內(nèi)部的缺陷，如裂紋、氣孔等。其強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力和高穩(wěn)定性能夠確保檢測(cè)信號(hào)的可靠性，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏度，保障工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。

（三）壓電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

諸多壓電設(shè)備需要精確的脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)特定的功能。MAX14987可以為這些壓電設(shè)備提供合適的驅(qū)動(dòng)脈沖，如壓電馬達(dá)、壓電閥等。其五級(jí)脈沖輸出和靈活的電流編程能力，可以根據(jù)不同壓電設(shè)備的特性進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)效果，提高設(shè)備的性能和效率。

（四）測(cè)試設(shè)備研發(fā)

在電子測(cè)試設(shè)備的開(kāi)發(fā)中，可作為信號(hào)源或激勵(lì)源，用于測(cè)試各類(lèi)電子元件和電路的性能。例如，測(cè)試放大器的增益、帶寬，檢測(cè)濾波器的頻率響應(yīng)等。其豐富的功能和高精度的信號(hào)輸出，能夠滿足各種測(cè)試需求，為測(cè)試設(shè)備的研發(fā)和校準(zhǔn)提供有力支持。

總的來(lái)說(shuō)，MAX14987八通道五級(jí)數(shù)字脈沖發(fā)生器是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的脈沖發(fā)生設(shè)備，為電子工程師在超聲、工業(yè)、壓電等多個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和系統(tǒng)要求，合理選擇和配置該設(shè)備，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，同時(shí)注意遵守其技術(shù)參數(shù)和使用規(guī)范，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在面對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，你是否也有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的想法！