摘要：可變增益放大器(VGA)，有時也稱作時間增益控制(TGC)放大器，是相空陣超聲接收機的關鍵部件。本文分析了VGA的輸出參考噪聲和增益對超聲脈沖多普勒儀的動態(tài)范圍和靈敏度的影響，同時還分析了如何移用MAX2037八通道超聲VGA對這些參數(shù)進行優(yōu)化，從而使典型接收機系統(tǒng)的總體性能達到最佳。

本文還發(fā)表在Maxim工程期刊，第60期 (PDF, 848kB).

相控陣接收機概述

我們在分析這些關鍵的VGA參數(shù)對多普勒儀性能的影響之前，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。如需深入了解相控陣超聲接收機，請參考附錄A—相控陣超聲系統(tǒng)基礎。典型的接收機包括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現(xiàn)匹配，并保持超低噪聲系數(shù)。


圖1. 由LNA、VGA、抗混疊濾波器和ADC組成的典型相控陣超聲接收機系統(tǒng)

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到0.5VP-P。在整個接收過程中，該信號的強度會逐漸衰減，最終下降至接收機的噪底以下。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，遠遠超出了實際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)增加接收機增益，使該信號能夠適應ADC的輸入動態(tài)范圍。如果要使接收信號能夠適應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它信號的影響。通常采用12位ADC，其工作頻率介于40Msps至60Msps之間。

VGA輸出參考噪聲和增益，及其對PW多普勒儀的影響

標準的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度可能會遠遠低于周圍組織的信號強度，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的性能。

設計滿足超聲接收系統(tǒng)ADC要求的VGA具有相當大的難度，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動態(tài)范圍的同時，仍然能夠提供足夠的增益以保證高TGC增益下接收機具有低噪聲系數(shù)，將是一個難以實現(xiàn)的目標。實際設計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設計人員不得不對這些VGA參數(shù)進行優(yōu)化和合理的平衡，以保證接收機總體性能達到最佳。

為了更好地理解這些VGA參數(shù)對接收機性能的影響，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，而接收信號較強。這種情況下，應重點優(yōu)化接收機的動態(tài)范圍。另一種情形是TGC增益最大，而接收信號較弱。后者最重要的是應該對接收機的噪聲系數(shù)進行優(yōu)化，以維持接收機的靈敏度。

VGA輸出參考噪聲對接收機動態(tài)范圍的影響(中等/低TGC增益時)

在中/低TGC增益時，VGA的輸出噪聲主要是VGA輸出參考噪聲。該噪聲應遠低于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/，MAX1473 12位、50Msps ADC用于數(shù)字化VGA輸出，具有31.7nV/的噪底。假定該ADC的最大輸入電壓為1.4VP-P，具有70dB的SNR。本例中，如果VGA和ADC之間的抗混疊濾波器具有0dB的通帶衰減，那么，由于VGA輸出參考噪聲的影響，70dB ADC的有效SNR將減小1.7dB，降低至68.3dB。然而，絕大多數(shù)用于這類系統(tǒng)的抗混疊濾波器都具有一定的通帶衰減。

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，許多VGA都要求提供某種形式的實數(shù)輸出阻抗，用于驅(qū)動濾波器。這些阻抗必須足夠大，以保證濾波器的電容不會無限小。這一限制通常會給實際的抗混疊濾波器引入3dB至6dB的通帶衰減。對于ADC的輸入端，抗混疊濾波器的通帶衰減進一步降低了輸出參考噪聲，并且改善了動態(tài)范圍。如果通帶衰減為6dB，則MAX2037的輸出參考噪聲將僅僅使ADC的SNR降低0.49dB。

很容易理解，如果VGA具有遠大于MAX2037的輸出參考噪聲，將會出現(xiàn)問題。例如，當采用6dB衰減的抗混疊濾波器時，大小僅為40nV/的VGA輸出參考噪聲(該值約為MAX2037輸出參考噪聲的兩倍)，將會使ADC的SNR降低1.5dB。對于成像較為困難的多普勒應用，這一衰減更加不容忽視。另外，值得注意的是，抗混疊濾波器的衰減所造成的接收增益的降低會對接收機噪聲系數(shù)產(chǎn)生明顯的負面影響，這一點我們將在下文詳細描述。

MAX2037的輸出參考噪聲約為競爭產(chǎn)品的一半，當與12位ADC和無源抗混疊濾波器配合使用時，MAX2037能夠提供更高的增益，可優(yōu)化動態(tài)范圍，并保持接收機噪聲系數(shù)不變。圖2所示為MAX2037輸出參考噪聲與增益的對應關系曲線。


圖2. MAX2037的噪聲僅為競爭器件的一半，同時可提供更高增益

VGA最大增益對接收機噪聲系數(shù)的影響(高TGC增益時)

在高TGC增益時，需要對接收機進行優(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的噪底應遠遠小于ADC輸入端放大后的傳感器噪底。

圖3為簡化的超聲接收機框圖，圖中顯示了ADC之前的接收機增益對噪聲系數(shù)指標的影響。該接收機系統(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。同時還假設抗混疊濾波器具有6dB的通帶衰減。假設傳感器的阻抗為200Ω，所產(chǎn)生的熱噪聲底為VN = (4 × K × T × R × ΔF) ?或1.8nV/。假設LNA的ZIN為200Ω，則LNA輸入端的熱噪聲底約為該值的一半(0.9nV/)。在典型的LNA、VGA和ADC噪聲指標下，本例中整個接收機系統(tǒng)的噪聲系數(shù)大約為2.3dB。MAX1437的噪底為31.7nV/。當TGC增益最大時，ADC之前的系統(tǒng)(包括抗混疊濾波器)增益為42.5dB。此時，ADC相對于接收器輸入的噪聲只有0.237nV/，在總共2.3dB的接收機噪聲系數(shù)中，ADC僅占0.18dB。


圖3. 在該超聲接收機簡化框圖中，ADC之前的增益對噪聲系數(shù)的影響

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的小信號噪聲系數(shù)的影響。假設接收機系統(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，我們分別繪出了采用兩種不同噪底的ADC時所對應的噪聲系數(shù)曲線圖。圖中上面一條曲線對應于MAX1437，MAX1473的最大輸入電壓為1.4VP-P、SNR為70dB、噪底約為31.7nV/；下面一條曲線對應于2VP-P輸入、SNR為70dB的ADC，該ADC的噪底約為45.2nV。該圖清楚地表示了接收機噪聲系數(shù)對這兩種不同ADC的影響，同時還顯示了MAX2037高達29.5dB的最大增益對接收機噪聲系數(shù)的改善。VGA的最大增益較低時，會使TGC增益最大時的接收機總體噪聲系數(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MAX1437，以及最大增益較高的VGA，如MAX2037，可明顯改善噪聲系數(shù)。


圖4. 圖3所示超聲接收機的噪聲系數(shù)與VGA增益的關系曲線

結(jié)論

關注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指標。

附錄A—相控陣超聲系統(tǒng)基礎

相控陣超聲系統(tǒng)原理框圖

圖5所示為典型相控陣醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)的原理框圖。所有采用這一相控陣方案的系統(tǒng)都具有64至256個接收通道，同時還具有相同數(shù)量的發(fā)射通道。為簡單起見，圖5只繪出了一個發(fā)射和接收通道。


圖5. 典型相控陣醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)中的一個發(fā)射/接收通道

超聲發(fā)射基礎

為了獲取超聲圖像，相控陣超聲系統(tǒng)必須產(chǎn)生N個(這里N = 發(fā)送通道數(shù))具有一定延時的高壓發(fā)射脈沖。這些脈沖用于激勵傳感器陣列中的各個元件，產(chǎn)生聚焦的聲波發(fā)射(圖6)。


圖6. 經(jīng)過一定的延時、高壓發(fā)射脈沖產(chǎn)生的聚焦超聲發(fā)射

超聲接收機基礎

利用人體內(nèi)部聲阻的不連續(xù)性，將反射回來的聲波能量通過傳感器接收，然后分別傳遞到系統(tǒng)的各個接收通道。這些接收通道首先對來自傳感器的信號進行放大，然后再把它們數(shù)字化，如圖7所示。利用計算得到的時延，在超聲系統(tǒng)的數(shù)字波束成形器中把數(shù)字化后的信號進行延時和求和，可生成聚焦后的接收波束成形信號。所得到的數(shù)字信號可用于生成二維(2D)和PW/彩超多普勒信息。


圖7. 超聲接收機系統(tǒng)中的接收通道將來自各個傳感器的信號進行放大和數(shù)字化