AFE5809器件是一種高度集成的模擬前端 （AFE） 解決方案，專門用于 專為需要高性能和小尺寸的超聲系統(tǒng)而設(shè)計。The AFE5809 該器件集成了完整的時間增益控制 （TGC） 成像路徑和 CWD 路徑。該設(shè)備還 使用戶能夠選擇各種功率和噪聲組合之一，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。 因此，AFE5809設(shè)備是一種合適的超聲AFE解決方案，不僅適用于高端系統(tǒng)， 也適用于便攜式。
*附件：afe5809.pdf

AFE5809器件包含8個壓控放大器（VCA）通道、14通道和 12 位 ADC 和 CW 混頻器。VCA 包括 LNA、VCAT、PGA 和 LPF。LNA增益可編程為： 支持 250 mV聚丙烯至 1 V聚丙烯輸入信號?？?編程 序 LNA 也支持主動終止。超低噪聲VCAT提供衰減 控制范圍為 40 dB，并提高了整體低增益 SNR，這有利于諧波成像和 近場成像。PGA 提供 24 和 30 dB 的增益選項。在ADC之前，LPF可以是 配置為 10、15、20 或 30 MHz，以支持不同頻率的超聲應(yīng)用。 此外，AFE5809設(shè)備的信號鏈可以處理低于100kHz的信號頻率， 這使得該設(shè)備能夠用于聲納和醫(yī)療應(yīng)用。高性能 AFE5809器件中的14位/65MSPS ADC可實現(xiàn)77dBFS SNR。它確保在低 鏈?zhǔn)皆鲆?。ADC的LVDS輸出支持小型化所需的靈活系統(tǒng)集成 系統(tǒng)。

AFE5809器件集成了低功耗無源混頻器和低噪聲求和放大器 完成片上CWD波束形成器。每個模擬可選擇16個相位延遲 輸入信號。同時，實現(xiàn)了獨特的三階和五階諧波抑制濾波器 以增強 CW 靈敏度。

AFE5809器件還包括一個數(shù)字同相和正交 （I/Q） 解調(diào)器和 低通抽取濾波器。解調(diào)模塊的主要目的是減少LVDS數(shù)據(jù) 提高整體系統(tǒng)電源效率。I/Q解調(diào)器可以接受ADC輸出，向上 65 MSPS 采樣率和 14 位分辨率。例如，在數(shù)字解調(diào)和 4× 之后 抽取濾波時，同相或正交輸出的數(shù)據(jù)速率降低至16.25 MSPS 和數(shù)據(jù)分辨率因此提高到 16 位。因此，整體LVDS走線 減少可以是 2 的系數(shù)。如果該解調(diào)器可以旁路并完全關(guān)閉 不需要。

AFE5809器件采用 15 mm × 9 mm、135 引腳 BGA 封裝，并且 指定工作溫度范圍為 0°C 至 85°C。

特性

• 8通道完整模擬前端
  • LNA、VCAT、PGA、LPF、ADC和CW混頻器
• 可編程增益低噪聲放大器 （LNA）
  • 24、18、12 dB增益
  • 0.25 V、0.5 V、1 V聚丙烯線性輸入范圍
  • 0.63、0.7、0.9 nV/rtHz 輸入?yún)⒖荚肼?/li>
  • 可編程有源端接
• 40dB低噪聲壓控衰減器
  （VCAT）
• 24/30 dB可編程增益放大器（PGA）
• 三階線性相位低通濾波器 （LPF）
  • 10、15、20、30 兆赫
• 14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）
  • 65 MSPS 時為 77 dBFS 信噪比
  • LVDS輸出
• 噪聲、功耗優(yōu)化（不帶數(shù)字解調(diào)器）
  • 158 mW/CH，0.75 nV/rtHz，65 MSPS
  • 1.1 nV/rtHz時為101 mW/CH，40 MSPS
  • CW 模式下為 80 mW/CH
• 出色的器件間增益匹配
  • ±0.5 dB（典型值）和 ±1 dB（最大值）
• ADC后的數(shù)字I/Q解調(diào)器
  • 寬范圍解調(diào)頻率
  • <1 kHz 頻率分辨率
  • 抽取濾波器系數(shù) M = 1 至 32
  • 16xM 抽頭 FIR 抽取濾波器
  • 解調(diào)后LVDS速率降低
  • 片上 RAM，具有 32 個預(yù)設(shè)配置文件
• 低諧波失真
• 低頻聲納信號處理
• 快速一致的過載恢復(fù)
• 用于連續(xù)波多普勒（CWD） 的無源混頻器
  • 低近相位噪聲 –156 dBc/Hz（1
    kHz 時，2.5 MHz 載波）
  • 相位分辨率為 1/16λ
  • 支持 16×、8×、4× 和 1× CW 時鐘
  • 12 dB三次和五次
    諧波抑制
  • 靈活的輸入時鐘
• 小封裝：15 mm × 9 mm，135-BGA

參數(shù)

方框圖

一、產(chǎn)品概述

AFE5809 是德州儀器（TI）推出的高集成度八通道超聲模擬前端（AFE），專為醫(yī)療超聲成像、無損檢測設(shè)備及聲納應(yīng)用設(shè)計，核心優(yōu)勢為低噪聲、多模式功耗優(yōu)化、完整信號鏈集成與靈活的數(shù)字解調(diào)功能。器件集成 LNA、壓控衰減器（VCAT）、可編程增益放大器（PGA）、低通濾波器（LPF）、14 位 ADC、連續(xù)波（CW）混頻器及數(shù)字 I/Q 解調(diào)器，支持脈沖波成像與連續(xù)波多普勒成像雙模式，適配從高端系統(tǒng)到便攜式設(shè)備的多樣化需求。文檔版本為 SLOS738E，發(fā)布于 2012 年 9 月，2015 年 8 月修訂，采用 135 引腳 NFBGA 封裝（15mm×9mm），工作溫度范圍 0°C 至 85°C。

二、核心參數(shù)與性能特性

1. 基礎(chǔ)規(guī)格

• 信號鏈配置 ：八通道獨立信號鏈，每通道含 24/18/12 dB 可編程增益 LNA、0-40 dB 低噪聲 VCAT、24/30 dB PGA、10/15/20/30 MHz 三階線性相位 LPF，支持 50/100/200/400Ω 可編程有源終端。
• ADC 性能 ：14 位分辨率，最高采樣率 65 MSPS，SNR 達 77 dBFS；LVDS 輸出接口，支持 12/14/16 位輸出格式，數(shù)據(jù)率最高 910 Mbps。
• 動態(tài)與直流精度 ：THD 低至 - 55 dBc，三階互調(diào)失真（IMD3）-60 dBc；通道間增益匹配 ±0.5 dB（典型值）、±1 dB（最大值），輸入?yún)⒖荚肼暤椭?0.63 nV/rtHz（LNA 增益 24 dB 時）。

2. 供電與功耗

• 供電范圍 ：模擬電源（AVDD）3.15 V-3.6 V，5V 模擬電源（AVDD_5V）4.75 V-5.5 V，ADC 模擬電源（AVDD_ADC）1.7 V-1.9 V，數(shù)字電源（DVDD）1.7 V-1.9 V，解調(diào)數(shù)字電源（DVDD_LDO1/2）1.2 V-1.5 V。
• 功耗表現(xiàn) ：支持低噪聲、中功率、低功率三種模式，低噪聲模式下每通道 158 mW（65 MSPS），低功率模式每通道 101 mW（40 MSPS），CW 模式僅 80 mW / 通道；支持部分?jǐn)嚯娕c完全斷電模式，完全斷電功耗 0.7 mW / 通道。

3. 封裝與環(huán)境適應(yīng)性

• 封裝類型 ：135 引腳 NFBGA（ZCF）封裝，結(jié)到環(huán)境熱阻（θJA）34.1 °C/W，結(jié)到板熱阻（θJB）11.5 °C/W，散熱性能優(yōu)異。
• 可靠性 ：ESD 防護符合 HBM±1000 V、CDM±250 V 標(biāo)準(zhǔn)；最大結(jié)溫 105°C，存儲溫度范圍 - 55°C 至 150°C，滿足工業(yè)級穩(wěn)定運行需求。

4. 關(guān)鍵功能特性

• CW 多普勒功能 ：集成無源 CW 混頻器，支持 16×/8×/4×/1× 時鐘模式，相位分辨率 1/16λ，三階 / 五階諧波抑制 12 dB，1 kHz 偏移相位噪聲 - 156 dBc/Hz。
• 數(shù)字解調(diào) ：支持 1-32 倍抽取濾波，16×M 抽頭 FIR 濾波器，LVDS 速率降低功能，內(nèi)置 32 組預(yù)設(shè)配置文件 RAM，解調(diào)頻率分辨率＜1 kHz。

三、工作模式與功能原理

1. 核心架構(gòu)

采用 “模擬信號鏈 + ADC + 數(shù)字解調(diào)” 三級架構(gòu)，八通道同步工作，共享時鐘與同步信號；模擬部分實現(xiàn)信號放大、衰減與濾波，ADC 完成高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字部分支持 I/Q 解調(diào)、直流偏移去除與數(shù)據(jù)速率壓縮，可靈活旁路或關(guān)閉以優(yōu)化功耗。

2. 主要工作模式

3. 關(guān)鍵功能細節(jié)

• 增益與衰減控制 ：LNA 增益通過寄存器配置，VCAT 由 0-1.5 V 差分電壓控制，實現(xiàn) 40 dB 線性衰減；PGA 支持 24/30 dB 增益，搭配數(shù)字增益微調(diào)（0-6 dB，步長 0.2 dB）。
• 同步與校準(zhǔn) ：支持外部 TX_SYNC 同步觸發(fā)，通道間孔徑延遲匹配 ±150 ps；內(nèi)置 DC 偏移校正電路，LNA/PGA 均支持高通濾波功能，抑制低頻噪聲。
• 測試與調(diào)試 ：提供多種 LVDS 測試模式（斜坡、全 1 / 全 0、自定義圖案等），支持 PGA 輸出測試與系數(shù)輸出測試，便于系統(tǒng)調(diào)試。

四、應(yīng)用場景與設(shè)計建議

1. 典型應(yīng)用領(lǐng)域

• 醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)（B 超、彩色多普勒超聲）、工業(yè)無損檢測設(shè)備、水下聲納系統(tǒng)、多通道高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

2. 設(shè)計關(guān)鍵要點

• 電源設(shè)計 ：模擬與數(shù)字電源獨立布線，每個電源引腳就近并聯(lián) 0.1 μF 陶瓷電容與 10 μF 鉭電容；AVDD_5V 需遠離敏感輸入引腳，避免噪聲耦合。
• 輸入與時鐘設(shè)計 ：模擬輸入 AC 耦合（≥0.1 μF），INM 引腳旁路電容≥15 nF；ADC 與 CW 時鐘需低抖動，支持 LVDS/LVPECL/CMOS 輸入，多器件同步建議使用時鐘樹分配。
• 布線與散熱 ：PCB 采用多層板設(shè)計，INP/INM/ACT 引腳下方避免電源平面；LVDS 信號線阻抗控制（100 Ω），長度匹配誤差＜3.81 mm；裸露焊盤焊接至接地平面，通過散熱過孔增強散熱。
• 功耗優(yōu)化 ：根據(jù)應(yīng)用場景選擇功率模式，閑置通道通過寄存器獨立斷電；CW 模式下可關(guān)閉 VCAT 與 PGA，進一步降低功耗。