新型超聲前端IC為多通道車(chē)載及便攜式超聲成像設(shè)備提供突破性的性能

低功耗、高性能、8通道超聲前端IC，帶有可編程CWD

SUNNYVALE，CA。2009年7月15日。Maxim Integrated Products (NASDAQ：MXIM)推出全球功耗最低的8通道超聲前端方案MAX2078，內(nèi)置基于混頻器的CWD (連續(xù)波多普勒)波束成型器。MAX2078展現(xiàn)了Maxim最新一代的高性能、低功耗超聲內(nèi)核，結(jié)合了公司業(yè)界領(lǐng)先的LNA、VGA和CWD技術(shù)。器件在一個(gè)完全集成的單片IC中包含了有源輸入終端LNA、VGA、抗混疊濾波器和I/Q混頻器CWD波束成型器。MAX2078針對(duì)多通道車(chē)載和便攜式超聲醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用而設(shè)計(jì)，這類(lèi)應(yīng)用中尺寸和功耗受限且必須對(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化。該款前端IC與其它同類(lèi)低功耗、完全集成的超聲前端相比，具有最低的噪聲和最高的動(dòng)態(tài)范圍。另外，MAX2078采用Maxim擁有專(zhuān)利的基于混頻器的CWD方案，與目前所有的超聲波束成型專(zhuān)利兼容。

超聲背景

在超聲領(lǐng)域，增強(qiáng)的圖像質(zhì)量和靈敏度通常被認(rèn)為是競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)之間的關(guān)鍵差異。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的小型車(chē)載和便攜式成像系統(tǒng)中尤為如此，在此類(lèi)系統(tǒng)中往往會(huì)犧牲性能，以滿(mǎn)足苛刻的尺寸和功耗要求。圖像質(zhì)量和靈敏度直接受超聲接收器的噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍和圖像分辨率的影響。

接收器的噪聲系數(shù)決定了能夠被成像系統(tǒng)檢測(cè)到的最弱信號(hào)電平(如超聲回波)。優(yōu)異的噪聲系數(shù)指標(biāo)提高了系統(tǒng)對(duì)弱信號(hào)的靈敏度，從而能實(shí)現(xiàn)深度更大的成像以及檢測(cè)更微弱的多普勒血液流動(dòng)信號(hào)。

動(dòng)態(tài)范圍是衡量系統(tǒng)在高強(qiáng)度無(wú)關(guān)信號(hào)下檢測(cè)這些重要弱信號(hào)的能力。極佳的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于二次諧波成像尤為關(guān)鍵，此類(lèi)應(yīng)用中基波成像頻率處的高強(qiáng)度信號(hào)會(huì)干擾所期望的二次諧波頻率處的微弱信號(hào)。優(yōu)異的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于所有脈沖多普勒和連續(xù)波多普勒來(lái)說(shuō)也是必須的，此類(lèi)應(yīng)用中固態(tài)反射器上較強(qiáng)的“雜散信號(hào)”會(huì)干擾較弱的多普勒信號(hào)，所期望的多普勒信號(hào)頻率有時(shí)會(huì)小于1kHz。

最后一點(diǎn)，超聲相控陣接收器中的圖像分辨率與接收通道的數(shù)量密切相關(guān)。器件支持的通道數(shù)量越多，則可支持的接收孔徑越大、圖像分辨率和圖像質(zhì)量越高。足夠多的通道數(shù)是支持較大孔徑和提高圖像分辨率所必需的，但卻嚴(yán)重制約了小型車(chē)載和便攜式超聲系統(tǒng)接收器前端解決方案的成本、功耗和尺寸。

最佳的噪聲性能和動(dòng)態(tài)范圍提高了接收器的整體靈敏度和成像質(zhì)量

實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的超聲接收器靈敏度是較為困難的，特別是在為獲得最優(yōu)的時(shí)域脈沖響應(yīng)和極佳的成像質(zhì)量而在輸入阻抗相對(duì)較低的接收器連接一個(gè)傳感器時(shí)尤為如此。MAX2078的獨(dú)特之處在于它提供了一個(gè)超低噪聲、可編程、有源輸入阻抗LNA，能夠在極低的功耗條件下優(yōu)化各種最佳匹配的傳感器端接輸入阻抗對(duì)應(yīng)的噪聲系數(shù)。因此，該器件具有極佳的接收器噪聲系數(shù)(200Ω輸入端接阻抗時(shí)噪聲系數(shù)僅為2.4dB)，并且每通道的功耗低于65mW。

如上所述，動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于在所有成像條件下保持接收器靈敏度同樣非常重要。因此，有人認(rèn)為MAX2078的最大優(yōu)勢(shì)是其級(jí)聯(lián)輸出參考噪聲性能(額定值極低，僅為23nV/)，該噪聲指標(biāo)是同類(lèi)芯片組解決方案的一半。保持較低的輸出參考噪聲很重要，因?yàn)檩^大的輸出噪聲將超出后續(xù)ADC的噪底，并影響接收器的寬帶SNR。這也是VGA成為制約超聲接收器整體動(dòng)態(tài)范圍的因素以及多次改進(jìn)ADC噪聲性能卻無(wú)效的原因所在。由于ADC的輸入?yún)⒖荚肼曂ǔＰ∮谕?lèi)競(jìng)爭(zhēng)的超聲接收器芯片組的輸出參考噪聲，因此VGA輸出參考噪聲較高的系統(tǒng)，其性能不甚理想。

脈沖多普勒成像模式中需要特別注意的是成像接收器陣列在載波附近的、大信號(hào)SNR性能。低速多普勒信號(hào)通常在1kHz以?xún)?nèi)，低于非常大的“雜散信號(hào)”或固態(tài)組織反射的強(qiáng)信號(hào)。因此，接收器在載波附近的大信號(hào)SNR性能是關(guān)鍵指標(biāo)，它決定了接收器在較大的雜散信號(hào)下檢測(cè)較弱的低速血流信號(hào)的能力。MAX2078經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，能夠檢測(cè)這些信號(hào)。5MHz雜散信號(hào)、1kHz頻偏時(shí)，器件具有極佳的140dBc/Hz大信號(hào)SNR。很多同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)器件甚至在其數(shù)據(jù)資料中都無(wú)法列出這一重要的性能參數(shù)。

優(yōu)異的CWD混頻器載波附近的大信號(hào)SNR性能和線性度指標(biāo)提高了較弱的低速血流信號(hào)的檢測(cè)能力

MAX2078工作于CWD模式期間，正交混頻器陣列中的LO分相器可編程至16個(gè)正交相位中的任一相位，以實(shí)現(xiàn)最佳的波束成型方案。MAX2078提供了必要的載波附近的大信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍以及噪聲性能，用于檢測(cè)最佳靈敏度下100kHz至1kHz以?xún)?nèi)頻偏時(shí)的多普勒偏移范圍。

混頻器和LO發(fā)生器具有極低的載波附近的大信號(hào)SNR性能，200mV_P-P、1.25MHz輸入雜散信號(hào)、1kHz頻偏時(shí)，該指標(biāo)為-155dBc/Hz。這個(gè)極佳的SNR性能對(duì)于檢測(cè)微弱的低速CW多普勒血流信號(hào)至關(guān)重要。CWD中由固態(tài)組織和骨頭反射以及發(fā)送至接收間串?dāng)_產(chǎn)生的雜散信號(hào)非常大。接收器輸入端常常出現(xiàn)高達(dá)200mV_P-P的干擾信號(hào)。MAX2078依靠其出色的載波附近的SNR性能，能夠很好地測(cè)量出這些難以檢測(cè)的血流信號(hào)。

高集成度和極低的功耗允許增加通道密度和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)實(shí)施

超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)不斷向更高的成像分辨率方向發(fā)展，因此，要求具有更多的通道數(shù)量。MAX2078可通過(guò)兩種主要方式實(shí)現(xiàn)更多的通道數(shù)。

首先，Maxim的MAX2078在單芯片內(nèi)集成了8路通道，其LNA/VGA/AAF/CWD方案占用極小的電路板空間。幾乎所有必要的電路均集成到了芯片內(nèi)。

其次，高集成度可增加電路功能。很多超聲系統(tǒng)利用多種傳感器類(lèi)型來(lái)支持多種成像模式。每種傳感器將具有唯一的輸出阻抗。類(lèi)似地，多模式傳感器具有針對(duì)每種工作模式定制的特定輸出阻抗(例如，2D成像和導(dǎo)向CWD的對(duì)比)。為適應(yīng)較寬范圍的輸出阻抗，MAX2078集成了一個(gè)獨(dú)特的可切換的輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。該單芯片可支持的阻抗值為50Ω、100Ω、200Ω和1000Ω。輸入阻抗可進(jìn)行切換，以?xún)?yōu)化系統(tǒng)在各種工作模式下的性能。

MAX2078采用64引腳TQFP無(wú)鉛封裝。MAX2077*與MAX2078的功能、參數(shù)相同，但不帶CWD波束成型器，MAX2077采用引腳兼容的64引腳TQFP無(wú)鉛封裝以及節(jié)省空間的56引腳TQFN封裝。MAX2078起價(jià)為$47.50，MAX2077起價(jià)為$34.30 (1000片起，美國(guó)離岸價(jià))。