超聲接收機VGA輸出參考噪聲和增益的優(yōu)化

摘要： 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(dòng)態(tài)范圍和靈敏度的影響，同時(shí)還分析了如何利用MAX2037八通道超聲VGA對這些參數進(jìn)行優(yōu)化，從而使典型接收機系統的總體性能達到最佳。

關(guān)鍵詞： VGA；TGC；醫療產(chǎn)品；多普勒；MAX2037

相控陣接收機概述

我們在分析關(guān)鍵的VGA(可變增益放大器)參數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。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(lái)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?xún)?yōu)化選擇使其與傳感器實(shí)現匹配，并保持超低噪聲系數。

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

緊隨發(fā)射脈沖之后的接收周期開(kāi)始階段，LNA輸入端的信號幅值可能達到0.5VP-P。在整個(gè)接收過(guò)程中，該信號的強度會(huì )逐漸衰減，最終下降至接收機的噪底以下。已知人體內聲波能量衰減率約為0.7dB/cm-MHz (往返為1.4dB/cm-MHz)，聲波在人體內的傳播速度為1540m/s (往返為13ms)，因此可計算出衰減值。在整個(gè)接收周期內，處理該信號所需的動(dòng)態(tài)范圍約為110dB，遠遠超出了實(shí)際ADC轉換器的動(dòng)態(tài)范圍。因此，在接收周期內采用VGA (下面稱(chēng)為“時(shí)間增益控制”)動(dòng)態(tài)增加接收機增益，使該信號能夠適應ADC的輸入動(dòng)態(tài)范圍。如果要使接收信號能夠適應12位 ADC的70dB動(dòng)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(diǎn)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(gè)相控陣通道的動(dòng)態(tài)范圍約為40dB。然而，由于來(lái)自血液的接收信號強度可能會(huì )遠遠低于周?chē)M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(dòng)態(tài)范圍高達到70dB，通常采用大動(dòng)態(tài)范圍的12位ADC，以改善多普勒接收機的性能。

設計滿(mǎn)足超聲接收系統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(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，仍然能夠提供足夠的增益以保證高TGC(時(shí)間增益控制)增益下接收機具有低噪聲系數，將是一個(gè)難以實(shí)現的目標。實(shí)際設計VGA時(shí)，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(gè)方面。這種情況下，VGA設計人員不得不對這些VGA參數進(jìn)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(diǎn)優(yōu)化接收機的動(dòng)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進(jìn)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(dòng)態(tài)范圍的影響(中等/低TGC增益時(shí))

在中/低TGC增益時(shí)，VGA的輸出噪聲主要是VGA輸出參考噪聲。該噪聲應遠低于A(yíng)DC的噪底，否則將會(huì )降低ADC的動(dòng)態(tài)范圍。以圖1所示的超聲接收系統為例，MAX2037 VGA的輸出參考噪聲約為22nV/，MAX1473 12位、50Msps ADC用于數字化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，絕大多數用于這類(lèi)系統的抗混疊濾波器都具有一定的通帶衰減。為保證系統的穩定性，許多VGA都要求提供某種形式的實(shí)數輸出阻抗，用于驅動(dòng)濾波器。這些阻抗必須足夠大，以保證濾波器的電容不會(huì )無(wú)限小。
這一限制通常會(huì )給實(shí)際的抗混疊濾波器引入3dB至6dB的通帶衰減。對于A(yíng)DC的輸入端，抗混疊濾波器的通帶衰減進(jìn)一步降低了輸出參考噪聲，并且改善了動(dòng)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(huì )出現問(wèn)題。例如，當采用6dB衰減的抗混疊濾波器時(shí)，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(huì )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(huì )對接收機噪聲系數產(chǎn)生明顯的負面影響，這一點(diǎn)我們將在下文詳細說(shuō)明。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(wú)源抗混疊濾波器配合使用時(shí)，MAX2037能夠提供更高的增益，可優(yōu)化動(dòng)態(tài)范圍，并保持接收機噪聲系數不變。圖2所示為MAX2037輸出參考噪聲與增益的對應關(guān)系曲線(xiàn)。

圖2  MAX2037輸出參考噪聲電壓與增益的關(guān)系曲線(xiàn)

VGA最大增益對接收機噪聲系數的影響(高TGC增益時(shí))

在高TGC增益時(shí)，需要對接收機進(jìn)行優(yōu)化以提高小信號靈敏度，此時(shí)VGA的總輸出參考噪聲以及ADC的噪底應遠遠小于A(yíng)DC輸入端放大后的傳感器噪底。圖3為簡(jiǎn)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指標的影響。該接收機系統中采用增益為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(shí)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200W，所產(chǎn)生的熱噪聲底為VN=或1.8nV。假設LNA的ZIN為200W，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(gè)接收機系統的噪聲系數大約為2.3dB。MAX1437的噪底為31.7nV/。當TGC增益最大時(shí)，ADC之前的系統(包括抗混疊濾波器)增益為42.5dB。此時(shí)，ADC相對于接收器輸入的噪聲只有0.237nV/，在總共2.3dB的接收機噪聲系數中，ADC僅占0.18dB。

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

VGA的最大增益較低或ADC的噪底較高時(shí)會(huì )出現什么情況？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的影響。假設接收機系統采用增益為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(shí)所對應的噪聲系數曲線(xiàn)圖。圖中上面一條曲線(xiàn)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(xiàn)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對這兩種不同ADC的影響，同時(shí)還顯示了MAX2037高達29.5dB的最大增益對接收機噪聲系數的改善。
VGA的最大增益較低時(shí)，會(huì )使TGC增益最大時(shí)的接收機總體噪聲系數增大，同時(shí)還會(huì )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。

圖4  圖3所示超聲接收機的噪聲系數與VGA增益的關(guān)系曲線(xiàn)

結語(yǔ)

關(guān)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(dòng)態(tài)范圍和噪聲系數的影響十分必要，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(mǎn)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。

參考文獻：

1. MAX2034數據手冊, http://www.maxim-ic.com.cn/quick_view2.cfm/qv_pk=5193
2. MAX2037數據手冊, http://www.maxim-ic.com.cn/quick_view2.cfm/qv_pk/5290
3. MAX1437數據手冊, http://www.maxim-ic.com.cn/quick_view2.cfm/qv_pk/4748