新型超聲前端IC為多通道車載及便攜式超聲成像設備提供突破性的性能

低功耗、高性能、8通道超聲前端IC，帶有可編程CWD

SUNNYVALE，CA。2009年7月15日。Maxim Integrated Products (NASDAQ：MXIM)推出全球功耗最低的8通道超聲前端方案MAX2078，內(nèi)置基于混頻器的CWD (連續(xù)波多普勒)波束成型器。MAX2078展現(xiàn)了Maxim最新一代的高性能、低功耗超聲內(nèi)核，結(jié)合了公司業(yè)界領先的LNA、VGA和CWD技術。器件在一個完全集成的單片IC中包含了有源輸入終端LNA、VGA、抗混疊濾波器和I/Q混頻器CWD波束成型器。MAX2078針對多通道車載和便攜式超聲醫(yī)學成像應用而設計，這類應用中尺寸和功耗受限且必須對性能進行優(yōu)化。該款前端IC與其它同類低功耗、完全集成的超聲前端相比，具有最低的噪聲和最高的動態(tài)范圍。另外，MAX2078采用Maxim擁有專利的基于混頻器的CWD方案，與目前所有的超聲波束成型專利兼容。

超聲背景

在超聲領域，增強的圖像質(zhì)量和靈敏度通常被認為是競爭系統(tǒng)之間的關鍵差異。在競爭激烈的小型車載和便攜式成像系統(tǒng)中尤為如此，在此類系統(tǒng)中往往會犧牲性能，以滿足苛刻的尺寸和功耗要求。圖像質(zhì)量和靈敏度直接受超聲接收器的噪聲系數(shù)、動態(tài)范圍和圖像分辨率的影響。

接收器的噪聲系數(shù)決定了能夠被成像系統(tǒng)檢測到的最弱信號電平(如超聲回波)。優(yōu)異的噪聲系數(shù)指標提高了系統(tǒng)對弱信號的靈敏度，從而能實現(xiàn)深度更大的成像以及檢測更微弱的多普勒血液流動信號。

動態(tài)范圍是衡量系統(tǒng)在高強度無關信號下檢測這些重要弱信號的能力。極佳的動態(tài)范圍對于二次諧波成像尤為關鍵，此類應用中基波成像頻率處的高強度信號會干擾所期望的二次諧波頻率處的微弱信號。優(yōu)異的動態(tài)范圍對于所有脈沖多普勒和連續(xù)波多普勒來說也是必須的，此類應用中固態(tài)反射器上較強的“雜散信號”會干擾較弱的多普勒信號，所期望的多普勒信號頻率有時會小于1kHz。

最后一點，超聲相控陣接收器中的圖像分辨率與接收通道的數(shù)量密切相關。器件支持的通道數(shù)量越多，則可支持的接收孔徑越大、圖像分辨率和圖像質(zhì)量越高。足夠多的通道數(shù)是支持較大孔徑和提高圖像分辨率所必需的，但卻嚴重制約了小型車載和便攜式超聲系統(tǒng)接收器前端解決方案的成本、功耗和尺寸。

最佳的噪聲性能和動態(tài)范圍提高了接收器的整體靈敏度和成像質(zhì)量

實現(xiàn)最優(yōu)的超聲接收器靈敏度是較為困難的，特別是在為獲得最優(yōu)的時域脈沖響應和極佳的成像質(zhì)量而在輸入阻抗相對較低的接收器連接一個傳感器時尤為如此。MAX2078的獨特之處在于它提供了一個超低噪聲、可編程、有源輸入阻抗LNA，能夠在極低的功耗條件下優(yōu)化各種最佳匹配的傳感器端接輸入阻抗對應的噪聲系數(shù)。因此，該器件具有極佳的接收器噪聲系數(shù)(200Ω輸入端接阻抗時噪聲系數(shù)僅為2.4dB)，并且每通道的功耗低于65mW。

如上所述，動態(tài)范圍對于在所有成像條件下保持接收器靈敏度同樣非常重要。因此，有人認為MAX2078的最大優(yōu)勢是其級聯(lián)輸出參考噪聲性能(額定值極低，僅為23nV/)，該噪聲指標是同類芯片組解決方案的一半。保持較低的輸出參考噪聲很重要，因為較大的輸出噪聲將超出后續(xù)ADC的噪底，并影響接收器的寬帶SNR。這也是VGA成為制約超聲接收器整體動態(tài)范圍的因素以及多次改進ADC噪聲性能卻無效的原因所在。由于ADC的輸入?yún)⒖荚肼曂ǔＰ∮谕惛偁幍某暯邮掌餍酒M的輸出參考噪聲，因此VGA輸出參考噪聲較高的系統(tǒng)，其性能不甚理想。

脈沖多普勒成像模式中需要特別注意的是成像接收器陣列在載波附近的、大信號SNR性能。低速多普勒信號通常在1kHz以內(nèi)，低于非常大的“雜散信號”或固態(tài)組織反射的強信號。因此，接收器在載波附近的大信號SNR性能是關鍵指標，它決定了接收器在較大的雜散信號下檢測較弱的低速血流信號的能力。MAX2078經(jīng)過特殊設計，能夠檢測這些信號。5MHz雜散信號、1kHz頻偏時，器件具有極佳的140dBc/Hz大信號SNR。很多同類競爭器件甚至在其數(shù)據(jù)資料中都無法列出這一重要的性能參數(shù)。

優(yōu)異的CWD混頻器載波附近的大信號SNR性能和線性度指標提高了較弱的低速血流信號的檢測能力

MAX2078工作于CWD模式期間，正交混頻器陣列中的LO分相器可編程至16個正交相位中的任一相位，以實現(xiàn)最佳的波束成型方案。MAX2078提供了必要的載波附近的大信號動態(tài)范圍以及噪聲性能，用于檢測最佳靈敏度下100kHz至1kHz以內(nèi)頻偏時的多普勒偏移范圍。

混頻器和LO發(fā)生器具有極低的載波附近的大信號SNR性能，200mV_P-P、1.25MHz輸入雜散信號、1kHz頻偏時，該指標為-155dBc/Hz。這個極佳的SNR性能對于檢測微弱的低速CW多普勒血流信號至關重要。CWD中由固態(tài)組織和骨頭反射以及發(fā)送至接收間串擾產(chǎn)生的雜散信號非常大。接收器輸入端常常出現(xiàn)高達200mV_P-P的干擾信號。MAX2078依靠其出色的載波附近的SNR性能，能夠很好地測量出這些難以檢測的血流信號。

高集成度和極低的功耗允許增加通道密度和簡化設計實施

超聲系統(tǒng)設計不斷向更高的成像分辨率方向發(fā)展，因此，要求具有更多的通道數(shù)量。MAX2078可通過兩種主要方式實現(xiàn)更多的通道數(shù)。

首先，Maxim的MAX2078在單芯片內(nèi)集成了8路通道，其LNA/VGA/AAF/CWD方案占用極小的電路板空間。幾乎所有必要的電路均集成到了芯片內(nèi)。

其次，高集成度可增加電路功能。很多超聲系統(tǒng)利用多種傳感器類型來支持多種成像模式。每種傳感器將具有唯一的輸出阻抗。類似地，多模式傳感器具有針對每種工作模式定制的特定輸出阻抗(例如，2D成像和導向CWD的對比)。為適應較寬范圍的輸出阻抗，MAX2078集成了一個獨特的可切換的輸入阻抗匹配網(wǎng)絡。該單芯片可支持的阻抗值為50Ω、100Ω、200Ω和1000Ω。輸入阻抗可進行切換，以優(yōu)化系統(tǒng)在各種工作模式下的性能。

MAX2078采用64引腳TQFP無鉛封裝。MAX2077*與MAX2078的功能、參數(shù)相同，但不帶CWD波束成型器，MAX2077采用引腳兼容的64引腳TQFP無鉛封裝以及節(jié)省空間的56引腳TQFN封裝。MAX2078起價為$47.50，MAX2077起價為$34.30 (1000片起，美國離岸價)。