超聲接收機(jī)VGA輸出參考噪聲和增益的優(yōu)化

1、    超聲接收機(jī)VGA輸出參考噪聲和增益的優(yōu)化摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線(xiàn)接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte我們?cè)诜治鲫P(guān)鍵的VGA（可變?cè)鲆娣糯笃鳎﹨?shù)對(duì)多普勒性能的影響之前，首先回顧

2、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(jī)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(hào)，LNA具有大約19dB的增益以及50至1K的有源輸入阻抗，可以?xún)?yōu)化選擇使其與傳感器實(shí)現(xiàn)匹配，并保持超低噪聲系數(shù)。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(hào)幅值可能達(dá)到0.5Vp-p。在整個(gè)接收過(guò)程中，該信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減，最終下降至接收機(jī)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13s），因此可計(jì)算出

3、衰減值。在整個(gè)接收周期內(nèi)，處理該信號(hào)所需的動(dòng)態(tài)范圍約為110dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)際ADC轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍，因此，在接收周期內(nèi)采用VGA（下面稱(chēng)為"時(shí)間增益控制"）動(dòng)態(tài)增加接收機(jī)增益，使該信號(hào)能夠適應(yīng)ADC的輸入動(dòng)態(tài)范圍。如果要使接收信號(hào)能夠適應(yīng)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他信號(hào)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(duì)PW多普勒儀的影響標(biāo)準(zhǔn)的2D、灰度超聲成像要求每個(gè)相控陣通道的動(dòng)態(tài)

4、范圍約為40dB。然而，由于來(lái)自血液的接收信號(hào)強(qiáng)度可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于周?chē)M織的信號(hào)強(qiáng)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(dá)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(jī)的性能。設(shè)計(jì)滿(mǎn)足超聲接收系統(tǒng)ADC要求的VGA具有相當(dāng)大難度，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(jī)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(jī)具有低噪聲系數(shù)，將是一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，實(shí)際設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員不得不對(duì)這些VGA參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和合理的平衡，以

5、保證接收機(jī)總體性能達(dá)到最佳。為了更好的理解這些VGA參數(shù)對(duì)接收機(jī)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，而接受信號(hào)較強(qiáng)，這種情況下，應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，另一種情形是TGC增益最大，而接收信號(hào)較弱，后者最重要的是應(yīng)該對(duì)接收機(jī)的噪聲系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以維持接收機(jī)的靈敏度。VGA輸出參考噪聲對(duì)接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的影響在中/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(yīng)遠(yuǎn)低于ADC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(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

6、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(lèi)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(shí)數(shù)輸出阻抗，用以驅(qū)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(duì)于ADC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

7、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(yuǎn)大于MAX2037的輸出參考噪聲，將會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，例如，當(dāng)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(duì)于成像較為困難的多普勒應(yīng)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(duì)接收機(jī)噪聲系數(shù)產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響，這一點(diǎn)我們將在下文詳細(xì)說(shuō)明，MAX2037的輸出參考噪聲約為競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的一半，當(dāng)與12位ADC和無(wú)源抗混疊濾

8、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(jī)噪聲系數(shù)不變，圖2所示為MAX2037輸出參考噪聲與增益的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)。VGA最大增益對(duì)接收機(jī)噪聲系數(shù)的影響（高TGC增益時(shí)）在高TGC增益時(shí)，需要對(duì)接收機(jī)進(jìn)行優(yōu)化以提高小信號(hào)靈敏度，此時(shí)VGA的總輸出參考噪聲以及ADC的噪聲應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ADC輸入端放大后的傳感器噪底。圖3為簡(jiǎn)化的超聲接收機(jī)框圖，圖中顯示了ADC之前的接收機(jī)增益對(duì)噪聲系數(shù)指標(biāo)的影響，該接收機(jī)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(shí)還假設(shè)抗混疊濾波器具

9、有6dB的通帶衰減，假設(shè)傳感器的阻抗為200，所產(chǎn)生的熱噪聲底為，或1.8nV圖4，假設(shè)LNA的Zin為200，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(biāo)下，本例中整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)大約為2.3dB。MAX1437的噪底為31.7nV/，當(dāng)TGC增益最大時(shí)，ADC之前的系統(tǒng)（包括抗混疊濾波器）增益為42.5dB。此時(shí)，ADC相對(duì)于接收器輸入的噪聲只有0.237nV/，在總共2.3dB的接收機(jī)噪聲系數(shù)中，ADC僅占0.18dB。VGA的最大增益較低或ADC的噪底較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么情況？圖4給出了VGA增益對(duì)圖3所示典型超聲接收機(jī)的小信號(hào)噪聲

10、系數(shù)的影響，假設(shè)接收機(jī)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，我們分別給出了采用兩種不同噪底的ADC時(shí)所對(duì)應(yīng)的噪聲系數(shù)曲線(xiàn)圖，圖中上面一條曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)于2Vp-p輸入，SNR為70dB的ADC，該ADC的噪底約為45.2nV/。該圖清楚的表示了接收機(jī)噪聲系數(shù)對(duì)這兩種不同的ADC的影響，同時(shí)還顯示了MAX2037高達(dá)29.5dB的最大增益對(duì)接收機(jī)噪聲系數(shù)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(jī)總體噪聲系數(shù)增大，同時(shí)還會(huì)降低小信號(hào)多普勒檢測(cè)靈敏度。合理選擇低噪底的ADC，例如MX1437，以及最大增益較高的VGA，如MAX20