AD604放大器在醫用超聲系統中的應用

AD604是Analog Devices（AD公司）的產(chǎn)品。和同類(lèi)產(chǎn)品相比，AD604具有超低噪聲、高精度、增益連續可調，且增益的分貝（dB）數和增益的控制電壓成正比的特點(diǎn)。而醫用超聲儀器的時(shí)間增益控制（TGC）電路要求其增益與控制電壓呈指數關(guān)系，也就是增益的分貝（dB）數和控制電壓成線(xiàn)性關(guān)系。因此，在這方面， AD604是一個(gè)理想的超聲TGC放大器，它能有效減小送入A／D轉換器的信號動(dòng)態(tài)范圍。AD604的主要特點(diǎn)如下：

具有超低的輸入噪聲，在最大增益時(shí)，其電壓和電流噪聲分別為

帶寬為40MHz（－3dB）；

具有兩個(gè)獨立的增益通道，并且增益的分貝（dB）數和增益控制電壓成正比；

每個(gè)通道的增益均可程控。在前置放大14 dB時(shí)，增益可在0～＋48dB之間調整；而在前置放大20dB時(shí)，增益在＋6～＋54dB之間可調；

具有300kΩ輸入電阻；

可變增益范圍為20～40dB／V；

在溫度和供電電壓發(fā)生變化時(shí)，其增益非常穩定；

可進(jìn)行單端單極性增益控制；

當增益超出最低端極限時(shí)，電源會(huì )自動(dòng)斷電；

可直接驅動(dòng)A／D轉換器。

1 引腳功能

AD604采用24腳封裝，并有DIP、SSOP和SOIC三種封裝形式，其管腳排列如圖1所示。各引腳的功能說(shuō)明如下：

PAI1／PAI2：前置放大器正輸入；

PAO1／PAO2：前置放大器輸出；

FBK1／FBK2：前置放大器反饋端；

COM1／COM2：信號地；當其接正電源時(shí)，前置放大器通道被關(guān)閉；

－DSX1／－DSX2：微分衰減器信號輸入負端；

＋DSX1／＋DSX2：微分衰減器信號輸入正端；

VGN1／VGN2：增益控制輸入端以及電源關(guān)閉端。接地時(shí)，該衰減通道被關(guān)閉；否則隨著(zhù)正電壓的增加，增益將逐漸增加；

VREF：兩個(gè)通道的增益控制檔。當其電壓為＋2．5V時(shí)，增益為20dB／V，而當電壓為＋1．67V時(shí)，增益為30dB／V；

VOCM：輸出信號的共模信號控制端。用以確定這部分電路中直流信號的中值電壓；

OUT1／OUT2：信號輸出端；

VPOS／VNEG：接正／負電源；

GND1／GND2：接地端。

圖1 AD604引腳圖

2 內部結構及工作原理

AD604是一個(gè)雙通道可變增益放大器。它的每一個(gè)通道都是由一個(gè)低噪聲前置放大器和一個(gè)可變增益放大器（XAMP）組成。同時(shí)XAMP又由一個(gè)高精度受控微分衰減器、一個(gè)增益控制單元、一個(gè)固定增益反饋放大器及一個(gè)由分立元件R3、 R4組成的VOCM共模電壓控制單元組成。其原理如圖2所示。AD604的每一個(gè)通道都可提供一個(gè)范圍為48dB的可變增益。

圖2 ad604單通道結構圖

2．1 前置放大器

AD604的每一個(gè)通道都有一個(gè)高性能的前置放大器，通過(guò)反饋回路上的一個(gè)外部電阻可將放大倍數控制在＋14dB～＋20dB。前置放大器的內部電路如圖3所示。其中R5、R6、R7是前置放大器的增益控制電阻。具體增益的大小可通過(guò)FBK1和PAO1之間的電阻來(lái)確定。

圖3 AD604 前置增益放大

2．2 微分梯形網(wǎng)絡(luò )（衰減器）

前置放大的輸出可作為指數放大器的微分輸入以獲得分貝線(xiàn)性的增益。這個(gè)衰減器是由一個(gè)7階的R－1．5R梯形網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的。每一階的衰減為6．908dB，因此最后總的衰減為48．356dB。

2．3 增益控制

AD604的線(xiàn)性增益控制是通過(guò)VGN端實(shí)現的。用戶(hù)可將自己需要的變化電壓輸入給VGN以獲得一個(gè)變化的增益。VGN端的輸入電阻是2MΩ。為了適應不同用戶(hù)對增益的需要，AD604還提供了一個(gè)增益控制檔。通過(guò)調節VREF的輸入電壓可以調節增益的檔次：VREF電壓從2．5～1． 25V分別對應20～40dB／V的增益檔。對于20dB／V增益檔，VGN的調節范圍為0．2～1．2V；而對于40dB／V增益檔，VGN的調節范圍為0．4～2．4V。當前置放大為14dB時(shí)，可以按以下公式來(lái)計算增益數：

2．4 固定增益放大器

這一級放大實(shí)際上就是由一個(gè)運算放大器組成的反饋電路。反饋放大器輸出中的一路可作為反饋輸入；另一路則作為微分器的輸入（參見(jiàn)圖2）。

這部分放大器總的增益為：G總＝VOUT／VATTEN＝［（R1＋R2）／R2］gm1／gm2。其中，VOUT是輸出電壓，VATTEN是衰減器的讀出信號，（R1＋R2）／R2＝42，gm1／gm2＝1．25。因此，總的增益為52．5（即34．4dB）。

3 AD604在醫用超聲設備中的應用

當醫用超聲儀器發(fā)出的超聲波在人體內傳播時(shí)，其能量將被人體組織吸收。隨著(zhù)探測深度的增加，超聲波的能量將逐漸衰減。為了使不同深度組織界面的回波幅值相同，應將不同深度下的回波信號進(jìn)行不同程度的衰減放大，以實(shí)現聲程補償，也就是需要接收機的增益隨掃描時(shí)間的增加而增加，因為從較深部位聲界面反射的回聲信號的放大倍數較大，而距換能器較近的反射信號，也就是在時(shí)間上較早到達的回波信號則放大倍數較小。在超聲波診斷類(lèi)儀器中，一般使用TGC（Time Gain Compensation）深度時(shí)間增益補償電路，即用一定的電壓曲線(xiàn)來(lái)控制放大器的增益，以使得不同深度下的超聲回波能夠獲得不同的放大倍數，從而起到補償作用。

圖4 AD604在TGC應用超聲中的應用

圖4所示是一個(gè)用AD604驅動(dòng)AD9050（10－bit，40MSPS的ADC）的醫用超聲增益補償電路。當AD7226 D／A轉換器與其它微處理器接口時(shí)，應將讀入的放大倍數數字量轉換為模擬量，然后把這個(gè)模擬量作為AD604的增益控制信號輸入（即與其VGN端相連），從而實(shí)現增益的控制。經(jīng)過(guò)AD604衰減補償的信號，再經(jīng)過(guò)濾波器及AD9631（低畸變、低噪聲、高速運算放大器）后即可成為ADC的有效輸入。運算放大器的輸出和ADC的自偏輸入在進(jìn)行交流耦合后，即可由AD9050 A／D轉換器進(jìn)行采樣速率為40MSPS的模數轉換。

該方案解決了醫用超聲軟組織測量過(guò)程中由聲程導致的回波信號的非線(xiàn)性補償問(wèn)題。與傳統的分立元件電路相比，該方案具有電路簡(jiǎn)單、TGC控制信號穩定可靠以及調節靈活等特點(diǎn)，能準確地補償超聲波在人體內的衰減，從而為控制系統實(shí)現高速數字化提供一個(gè)新的可靠方法。