1 引言

超聲成像基于脈沖回波法，具體原理是向成像物體發(fā)送超聲并接收回波信號。另外，眾所周知，發(fā)射的超聲波波幅會(huì)隨著波穿透物體組織而變小，這種現(xiàn)象稱為衰減。傳輸后立即反射的信號非常強(qiáng)，因?yàn)樾盘柺强拷矬w表面反射的；在發(fā)射脈沖之后很長時(shí)間發(fā)生的反射則非常弱，因?yàn)檫@些信號是從物體內(nèi)部反射的。如果超聲圖像直接由原始返回回波形成，則圖像在淺表層中更亮，在深層中更暗?？朔曀p的一種方法是時(shí)間增益控制或補(bǔ)償 (TGC)，在這種方法中，信號增益隨著發(fā)射波脈沖的時(shí)間逐漸增加。這種校正使等回聲組織看起來相同，即使組織位于不同深度。TI 的低噪聲模擬前端 (AFE) 具有 TGC 功能，可支持超聲應(yīng)用，因?yàn)?AFE 會(huì)隨時(shí)間改變接收器增益。入射到接收器上的超聲信號的振幅隨著傳輸時(shí)間的增長而減小，并且 TGC 有助于實(shí)現(xiàn)更佳信噪比 (SNR)，即使信號振幅不斷減小也是如此。

本應(yīng)用手冊介紹了用于生成時(shí)變控制電壓以驅(qū)動(dòng)多個(gè) AFE 接收器芯片的三種建議電路的規(guī)格和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。圖 1-1 顯示了 AFE58JD48 模擬前端的信號鏈。TGC 功能是集成的，并使用可通過控制電壓 V_CNTL 進(jìn)行控制的衰減器來實(shí)現(xiàn)。由數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 和運(yùn)算放大器組成的外部電路會(huì)生成控制信號。DAC 的輸入信號是來自現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 的時(shí)變數(shù)字控制，也可以處理超聲應(yīng)用中所需的波束形成操作。

圖 1-1 AFE58JD48 的信號鏈和 TGC 運(yùn)行的模擬控制

AFE 的 V_CNTL 屬性在下文中介紹。

• AFE 控制引腳上的信號電平：對于 AFE58JD48，V_CNTL (= V_CNTLP – V_CNTLM) 是用于控制電壓衰減的差分輸入，范圍為 -0.4V 至 0.4V。V_CNTLP 的共模電壓 V_CNTLM 通常為 1.3V。該控制電壓根據(jù) dB 線性特性來改變衰減器的衰減。對于單端運(yùn)行，V_CNTLM 可固定為 1.3V，V_CNTLP 可從 0.9V 掃描至 1.7V。對于全差分運(yùn)行，（V_CNTLP, V_CNTLM）從 (1.1V, 1.5V) 變?yōu)?(1.5V, 1.1V)。圖 1-2 顯示了 V_CNTL 電壓和 VCAT 衰減之間的關(guān)系。當(dāng)差分電壓電平 (V_CNTLP – V_CNTLM) 超過（–0.4V 至 0.4V）范圍時(shí)，衰減器將繼續(xù)在最大或最小衰減水平下運(yùn)行。
  
  

  

  
  圖 1-2 V_CNTL 電壓和衰減之間的關(guān)系
• 輸入?yún)⒖荚肼暎?/strong>隨著接收到的超聲信號隨經(jīng)過的時(shí)間而降低，V_CNTL 也會(huì)降低，以減少衰減并增加通道增益。圖 1-3 所示為 TGC 電路的優(yōu)勢。隨著 V_CNTL 的增加和通道增益的增加，接收器的輸入?yún)⒖荚肼曇矔?huì)繼續(xù)降低。更低的噪聲有助于抑制與接收器信號振幅下降相關(guān)的 SNR 下降。
  
  

  

  
  圖 1-3 低噪聲模式下輸入?yún)⒖荚肼暸c V_CNTL 和 LNA 增益間的關(guān)系
• 多通道的噪聲要求：V_CNTL 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是 V_CNTL 上的噪聲規(guī)格。由于 V_CNTL 是 AFE 的多個(gè)通道之間（并可能與其他 AFE 芯片的通道共享）的公共控制電壓，因此 V_CNTL 上的任何噪聲都顯示為與共享同一 V_CNTL 的多個(gè) AFE 通道相關(guān)的噪聲源。V_CNTL 引腳上的噪聲必須足夠低以獲得良好的系統(tǒng)性能，因?yàn)榇嗽肼曉诟鱾€(gè)通道之間是相關(guān)的。圖 1-4 顯示了 V_CNTL 上允許的噪聲和共享同一 V_CNTL 驅(qū)動(dòng)的通道數(shù)量之間的函數(shù)關(guān)系。
  
  

  

  
  圖 1-4 V_CNTL 信號上允許的噪聲與頻率和不同通道間的關(guān)系