深入解析TUSS4470：工業(yè)超聲應(yīng)用的集成解決方案

在工業(yè)超聲應(yīng)用的領(lǐng)域中，一款性能卓越的集成芯片往往能起到事半功倍的效果。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（Texas Instruments）推出的TUSS4470——一款專(zhuān)為工業(yè)超聲應(yīng)用量身打造的高度集成直接驅(qū)動(dòng)模擬前端芯片。

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一、產(chǎn)品概述

TUSS4470是一款適用于40 KHz至1 MHz超聲換能器的高度集成驅(qū)動(dòng)和接收芯片。它集成了H橋，可直接驅(qū)動(dòng)換能器，適用于接收換能器靈敏度高、不需要大驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)產(chǎn)生足夠聲壓級(jí)以及需要短距離測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)景。其接收階段采用對(duì)數(shù)放大器接收鏈，具有較寬的動(dòng)態(tài)輸入范圍，能適應(yīng)不同物理特性物體的檢測(cè)需求。同時(shí)，它集成的帶通濾波器可調(diào)整到換能器的中心頻率，解調(diào)后的模擬輸出、輸入信號(hào)過(guò)零以及簡(jiǎn)單的閾值交叉指示器，為從復(fù)雜物體檢測(cè)到簡(jiǎn)單存在檢測(cè)等各種終端應(yīng)用提供了可能。

二、核心特性

2.1 集成驅(qū)動(dòng)與接收

• 直接驅(qū)動(dòng)換能器：內(nèi)置H橋可直接驅(qū)動(dòng)換能器，支持直接驅(qū)動(dòng)模式和預(yù)驅(qū)動(dòng)模式，可通過(guò)SPI接口或數(shù)字輸入引腳靈活配置。
• 寬輸入動(dòng)態(tài)范圍：模擬前端具有86 dB的輸入動(dòng)態(tài)范圍，第一級(jí)低噪聲放大器增益可調(diào)整為10、12.5、15和20 V/V。
• 可配置帶通濾波器：帶通濾波器的中心頻率可在40 KHz至500 KHz之間配置，Q值也可選擇，還可轉(zhuǎn)換為高通濾波器。
• 寬帶對(duì)數(shù)放大器：對(duì)數(shù)放大器可對(duì)不同強(qiáng)度的回波信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)放大，自動(dòng)調(diào)整增益，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2 低功耗設(shè)計(jì)

支持多種低功耗模式，如待機(jī)模式典型電流為1.7 mA，睡眠模式典型電流為220 μA，適合對(duì)功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。

2.3 可配置驅(qū)動(dòng)階段

• 直接驅(qū)動(dòng)：使用內(nèi)部H橋直接驅(qū)動(dòng)換能器，可實(shí)現(xiàn)最大電壓跨接換能器。
• 預(yù)驅(qū)動(dòng)配置：可配置為預(yù)驅(qū)動(dòng)模式，使用內(nèi)部H橋驅(qū)動(dòng)外部場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），以實(shí)現(xiàn)更高的電流和電壓驅(qū)動(dòng)。

2.4 豐富的輸出選項(xiàng)

• 解調(diào)回波包絡(luò)電壓輸出：VOUT引腳輸出解調(diào)后的回波包絡(luò)電壓。
• 輸入信號(hào)過(guò)零比較器輸出：OUT3引腳輸出輸入信號(hào)的過(guò)零比較器輸出。
• 可編程VOUT閾值交叉輸出：OUT4引腳可實(shí)現(xiàn)可編程的VOUT閾值交叉輸出。

2.5 串行外設(shè)接口（SPI）

通過(guò)SPI接口，微控制器（MCU）可對(duì)TUSS4470進(jìn)行靈活配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精確控制。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

TUSS4470在工業(yè)超聲應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景，主要包括以下幾個(gè)方面：

• 位置傳感器：精確測(cè)量物體的位置，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、物流倉(cāng)儲(chǔ)等領(lǐng)域。
• 液位變送器：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液體的液位高度，在化工、石油、食品等行業(yè)有重要應(yīng)用。
• 接近傳感器：檢測(cè)物體的接近程度，可用于安防、機(jī)器人等領(lǐng)域。

四、詳細(xì)技術(shù)解析

4.1 激勵(lì)電源（VDRV）

TUSS4470包含一個(gè)電流源，用于對(duì)連接到VDRV引腳的電容器充電。VDRV引腳作為集成H橋驅(qū)動(dòng)電路的電源，其電壓（VVDRV）由內(nèi)部電壓監(jiān)視器控制，可通過(guò)VDRV_VOLTAGELEVEL位進(jìn)行配置。在應(yīng)用中，當(dāng)VPWR引腳的最小電源電壓大于配置的VVDRV值時(shí)，可確保換能器驅(qū)動(dòng)電壓在每次脈沖時(shí)保持固定，從而產(chǎn)生確定的聲壓級(jí)。同時(shí)，要注意防止VDRV引腳向VPWR引腳產(chǎn)生反向電流，可通過(guò)確保 (V{VPWR }>V_{VDRV }+0.3 ~V) 或使用反向電流預(yù)防二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2 脈沖生成

TUSS4470具有多種激勵(lì)換能器的模式，通過(guò)IOx引腳提供外部時(shí)鐘來(lái)確定脈沖頻率。不同的IO_MODE模式下，脈沖的觸發(fā)和結(jié)束條件有所不同：

• IO_MODE = 0：通過(guò)SPI設(shè)置CMD_TRIGGER啟用脈沖模式，外部時(shí)鐘應(yīng)用于IO2引腳，脈沖從IO2的第一個(gè)下降沿開(kāi)始，直到發(fā)送完BURST_PULSE定義的脈沖數(shù)或CMD_TRIGGER = 0。
• IO_MODE = 1：IO1引腳低電平轉(zhuǎn)換時(shí)啟用脈沖模式，外部時(shí)鐘應(yīng)用于IO2引腳，脈沖從IO2的第一個(gè)下降沿開(kāi)始，直到發(fā)送完BURST_PULSE定義的脈沖數(shù)或IO1高電平轉(zhuǎn)換。
• IO_MODE = 2：IO1或IO2從高到低的轉(zhuǎn)換觸發(fā)脈沖啟用，脈沖從IO1的下一個(gè)下降沿開(kāi)始，IO1和IO2非重疊切換模擬脈沖。
• IO_MODE = 3：IO2的下降沿觸發(fā)脈沖啟用和開(kāi)始，發(fā)送完BURST_PULSE定義的脈沖數(shù)后結(jié)束，結(jié)束后啟動(dòng)空白定時(shí)器以防止誤觸發(fā)。

4.3 直接換能器驅(qū)動(dòng)

TUSS4470可通過(guò)內(nèi)部H橋直接驅(qū)動(dòng)超聲換能器，實(shí)現(xiàn) (2 ×V_{VDRV }) 的峰峰值電壓跨接換能器。也可配置為半橋模式，僅施加 (VVDRV) 電壓，適用于一側(cè)膜必須接地的換能器。此外，還可作為預(yù)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)外部FET或BJT，以實(shí)現(xiàn)更高的電流和電壓驅(qū)動(dòng)。

4.4 模擬前端

模擬前端包括低噪聲線(xiàn)性放大器、帶通濾波器和對(duì)數(shù)增益放大器。接收到的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大，再通過(guò)帶通濾波器去除噪聲，然后進(jìn)入對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行輸入相關(guān)放大。對(duì)數(shù)放大器的輸出經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后緩沖到VOUT引腳。帶通濾波器的中心頻率可通過(guò)BPF_HPF_FREQ位進(jìn)行配置，以匹配換能器的頻率。同時(shí)，可通過(guò)設(shè)置LOGAMP_DIS_FIRST和LOGAMP_DIS_LAST位來(lái)關(guān)閉對(duì)數(shù)放大器的部分級(jí)，以降低功耗和調(diào)整輸入動(dòng)態(tài)范圍。

五、設(shè)備功能模式

TUSS4470具有四種功能模式：

• 睡眠模式：超低電流消耗模式，所有主要模塊（包括VDRV調(diào)節(jié)）均禁用，但SPI接口仍活躍。通過(guò)SLEEP_MODE_EN寄存器位控制進(jìn)入和退出該模式，退出時(shí)需等待VDRV引腳達(dá)到編程的調(diào)節(jié)電壓。
• 待機(jī)模式：低電流待機(jī)模式，VDRV調(diào)節(jié)處于活動(dòng)狀態(tài)，其他模擬模塊關(guān)閉以降低靜態(tài)電流消耗。通過(guò)STDBY_MODE_EN位通過(guò)SPI進(jìn)入和退出該模式，可快速過(guò)渡到活動(dòng)狀態(tài)。
• 監(jiān)聽(tīng)模式：設(shè)備的默認(rèn)模式，發(fā)射模塊無(wú)活動(dòng)，設(shè)備主動(dòng)監(jiān)聽(tīng)超聲信號(hào)。
• 脈沖模式：發(fā)射模塊激活，驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)送脈沖，接收路徑同時(shí)監(jiān)聽(tīng)輸入信號(hào)。當(dāng)脈沖啟用事件發(fā)生時(shí)進(jìn)入該模式，脈沖結(jié)束事件發(fā)生時(shí)退出。

六、編程與寄存器配置

6.1 SPI通信

TUSS4470與外部MCU通過(guò)SPI總線(xiàn)進(jìn)行全雙工通信。SPI為4引腳接口，幀大小為16位，包括讀寫(xiě)位、寄存器地址、奇偶校驗(yàn)位和數(shù)據(jù)位。通信開(kāi)始于NCS下降沿，結(jié)束于NCS上升沿，不支持背靠背SPI幀操作。

6.2 寄存器映射

TUSS4470提供了多個(gè)可配置的寄存器，包括帶通濾波器設(shè)置、對(duì)數(shù)放大器配置、設(shè)備配置、VDRV調(diào)節(jié)控制、回波中斷控制、過(guò)零配置等。通過(guò)對(duì)這些寄存器的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的各種功能的靈活配置。

七、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

7.1 應(yīng)用信息

TUSS4470需與外部超聲換能器配合使用，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)頻率、驅(qū)動(dòng)電流限制和帶通濾波器的中心頻率，可滿(mǎn)足大多數(shù)換能器的要求。在脈沖和監(jiān)聽(tīng)周期中，需使用外部ADC或模擬接收器從VOUT引腳捕獲回波包絡(luò)，以計(jì)算飛行時(shí)間（ToF）、距離、幅度和/或回波寬度。

7.2 典型應(yīng)用

文檔中給出了TUSS4470的典型應(yīng)用電路圖，并推薦了相關(guān)組件的值。在設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的換能器，并注意電源供應(yīng)、布局布線(xiàn)等方面的問(wèn)題。

7.3 換能器驅(qū)動(dòng)配置選項(xiàng)

TUSS4470支持多種換能器驅(qū)動(dòng)配置，不同配置下內(nèi)部FET的行為不同。通過(guò)設(shè)置HALF_BRG_MODE和PRE_DRIVER_MODE位，可實(shí)現(xiàn)不同的驅(qū)動(dòng)模式。

7.4 設(shè)計(jì)要求與詳細(xì)設(shè)計(jì)程序

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需確定換能器的驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率和脈沖計(jì)數(shù)等參數(shù)。換能器的驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)在其最大驅(qū)動(dòng)電壓范圍內(nèi)，以確保超聲模塊的功率效率和使用壽命。驅(qū)動(dòng)頻率會(huì)影響超聲波的傳播衰減，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的頻率范圍。脈沖計(jì)數(shù)決定了超聲波的發(fā)射寬度，需根據(jù)最小物體距離要求進(jìn)行選擇。

八、電源供應(yīng)建議

TUSS4470需要兩個(gè)獨(dú)立的電源供應(yīng)，即驅(qū)動(dòng)電源（VPWR）和調(diào)節(jié)電源（VDD）。VPWR的輸入電壓范圍為5 V至36 V，在可能暴露于電池瞬變和反向電池電流的應(yīng)用中，需使用外部組件進(jìn)行保護(hù)。VDD作為模擬前端、濾波和模擬輸出模塊的參考電源，應(yīng)保持穩(wěn)定，建議使用LDO或其他調(diào)節(jié)外部電源，并在VDD引腳附近放置旁路電容器。

九、布局建議

在進(jìn)行TUSS4470的布局設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

• 分離接地類(lèi)型：將傳感器接地和主接地分離，可通過(guò)鐵氧體磁珠或0 Ω短接實(shí)現(xiàn)，以減少AFE輸入的噪聲。
• 縮短模擬信號(hào)路徑：INP和INN引腳的布線(xiàn)應(yīng)盡量短且直接連接到換能器，VOUT引腳的布線(xiàn)應(yīng)短且直接連接到外部ADC或微控制器輸入，以減少信號(hào)噪聲損失。
• 避免信號(hào)干擾：數(shù)字通信線(xiàn)路應(yīng)遠(yuǎn)離模擬接收引腳，OUTA和OUTB引腳的布線(xiàn)應(yīng)盡量短且直接，以滿(mǎn)足高電流、高電壓的驅(qū)動(dòng)要求。
• 放置去耦電容器：VDD和VPWR引腳的去耦電容器應(yīng)盡量靠近引腳放置。

十、總結(jié)

TUSS4470是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的工業(yè)超聲應(yīng)用芯片，具有集成度高、低功耗、可配置性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)深入了解其特性、功能和應(yīng)用，電子工程師可以更好地將其應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，為工業(yè)超聲應(yīng)用帶來(lái)更高效、更可靠的解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需注意電源供應(yīng)、布局布線(xiàn)等方面的問(wèn)題，以確保設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。你在使用TUSS4470或其他類(lèi)似芯片時(shí)，是否遇到過(guò)一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。