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超声接收机VGA输出参考噪声和增益的优化
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sSBbWw在分析这些关键的VGA参数对多普勒仪性能的影响之前，首先回顾一下典型相控阵超声接收通道的基本组成单元及其
www .ddd tt. comLNA、VGA、抗混叠滤波器和ADC (如图1所示ssBbww)。LNA放大来自传感器的1MHz至15MHz的单端输入信号，LNA具有大约19dB的增益以及50W至1kW的有源输入阻抗，
www.ssbbww.com优化选择使其与传感器实现匹配，并保持超低噪声系数。
8ttt8衰减，最终下降至接收机的噪底以下。已知人体内声波能量衰减率约为0.7dB/cm-MHz (往返为1.4dB/cm-MHz)，声波在人体内的传播速度为1540m/s (往返为13µs)，因此www.8 t tt8. com可计算出衰减值。在整个接收周期内，
8tTt8该信号所需的动态范围约为110dB，远远超出了实际8ttt8ADC转换器的动态范围。因此www.8 t tt8. com，在接收周期内采用VGA (
8ttt8称为“时间增益控制”)动态增加www.8 t tt8. com接收机增益，使该信号
SSBBww适应ADC的输入动态范围。
8 tt t8.com要使接收信号SSBBww适应12位 ADC的70dB动态范围，
VGA的增益范围大约为40dB。在图1接收链路中，三极点抗混叠滤波器可避免ADC受到15MHz最大成像频率以上的高频噪声及其每个相控阵通道的动态范围约为40dB。然而，
www.ddd tt. com来自血液的接收信号强度可能www.ssBBww.cOm会远远低于周围组织的信号强度，因此www.8 t tt8. com脉冲多普勒成像仪，如光谱PW多普勒成像和彩超成像动态范围高达到70dB，通常采用大动态范围的12位ADC，以改善多普勒接收机的性能。的VGA具有相当大的难度，需要sSbBwW.cOm特别指出的是:要在保持低输出参考噪声以保持接收机动态范围的
ssbbww. com，
www.SSBBww提供足够的增益以保证高TGC增益下接收机具有低噪声系数，将是一个难以实现的目标。实际8ttt8设计VGA时，较低的输出参考噪声和较高的最大增益通常是互相矛盾的两个方面www.sSbbww.com。这种
8 tt t 8. com下，VGA设计人员不得不对这些VGA参数进行优化和合理的平衡，以保证接收机总体性能达到最佳。
dd dtt. com更好地理解这些VGA参数对接收机性能的影响，sSBbWw考虑两种特殊情形。一种情形是TGC增益适中或增益较低，而接收信号较强。这种8 tt t 8. com下，应重点优化接收机的动态范围。另一种情形是TGC增益最大，而接收信号较弱。后者最
www.hnygpx.com的是应该对接收机的噪声系数进行优化，以维持接收机的灵敏度。
，MAX1473 12位、50Msps ADC用于数字化VGA输出，具有31.7nV/的噪底。假定该ADC的最大输入电压为1.4VP-P，具有70dB的SNR。本例中，8 tt t8.comVGA和ADC之间
8ttt8，www.ddd tt. comVGA输出参考噪声的影响，70dB ADC的有效SNR将减小1.7dB，降低至68.3dB。然而，绝大多数用于这类系统的抗混叠滤波器都具有
www.hnygpx.com的通带衰减。
VGA都提供某种形式的实数输出阻抗，用于驱动滤波器。这些阻抗必须ssbbww. c om足够大，以保证滤波器的电容不会无限小。这一限制通常会给实际8ttt8的抗混叠滤波器引入3dB至6dB的通带衰减。对于8 tt t8.com通带衰减为6dB，则MAX2037的输出参考噪声将仅仅使ADC的SNR降低0.49dB。
理解，8 tt t8.comVGA具有远大于MAX2037的输出参考噪声，将会出现wWw.问题。例如，当采用6dB衰减的抗混叠滤波器时，大小仅为40nV/的VGA输出参考噪声(该值约为MAX2037输出参考噪声的两倍)，将会使ADC的SNR降低1.5dB。对于sSBbWw将在下文详细描述。SSBBww提供更高的增益，可优化动态范围，并保持接收机噪声系数不变。图2所示ssBbww为MAX2037输出参考噪声与增益的对应关系曲线。
ssbbww. com可提供更高增益
www.VGA的总输出参考噪声以及ADC的噪底应远远小于ADC输入端放大后的传感器噪底。ssbbww. com还假设抗混叠滤波器具有6dB的通带衰减。假设传感器的阻抗为200W，所产生的热噪声底为VN=(4 × K × T × R × ΔF) ¼或1.8nV/。假设LNA的ZIN为200W，则LNA输入端的热噪声底约为该值的一半(0.9nV/)。在典型的LNA、VGA和ADC噪声指标下，本例中整个接收机系统的噪声系数大约为2.3dB。MAX1437的噪底为31.7nV/。当TGC增益最大时，ADC之前的系统(www .ddd tt. com抗混叠滤波器)增益为42.5dB。www.，ADC
www.hnygpx.com于接收器输入的噪声只有0.237nV/，在总共2.3dB的接收机噪声系数中，ADC仅占0.18dB。
8 tt t 8. com？图4给出了VGA增益对图3所示ssBbww典型超声接收机的小信号噪声系数的影响。假设接收机系统采用增益为19dB的低噪声超声LNA和衰减为6dB的抗混叠滤波器，sSBbWw分别绘出了采用两种不同噪底的ADC时所对应的噪声系数曲线图。图中上面一条曲线对应于MAX1437，MAX1473的最大输入电压为1.4VP-P、SNR为70dB、噪底约为31.7nV/；8ttt8一条曲线对应于2VP-P输入、SNR为70dB的ADC，该ADC的噪底约为45.2nV。该图清楚地表示了接收机噪声系数对这两种不同ADC的影响，ssbbww. com还显示了MAX2037高达29.5dB的最大增益对接收机噪声系数的改善。VGA的最大增益较低时，会使TGC增益最大时的接收机总体噪声系数增大，ssbbww. com还会降低小信号多普勒检测灵敏度。合理选择低噪底的ADC，例如MAX1437，以及最大增益较高的VGA，如MAX2037，可明显改善噪声系数。
，从而得到最佳的超声接收机指标。
8 tt t8.com采用这一相控阵方案的系统都具有64至256个接收通道，ssbbww. com还具有
dddTt.com数量的发射通道。为简单起见，图5只绘出了一个发射和接收通道。
dd dtt. com获取超声图像，相控阵超声系统必须ssbbww. c om产生N个(这里N=发送通道数)具有www.hnygpx.com延时的高压发射脉冲。这些脉冲用于激励传感器阵列中的各个元件，产生聚焦的声波发射(图6)。www.hnygpx.com的延时、高压发射脉冲产生的聚焦超声发射" onclick=javascript:window.open(this.src) src="http://t./d/p/20094259220945.gif" width=553>www.hnygpx.com的延时、高压发射脉冲产生的聚焦超声发射
分别传递到系统的各个接收通道。这些接收通道首先对来自传感器的信号进行放大，再把
www.Dddtt.com数字化，如图7所示ssBbww。利用计算得到的时延，在超声系统的数字波束成形器中把数字化后的信号进行延时和求和，可生成聚焦后的接收波束成形信号。所得到的数字信号可用8ttt8于生成二维(2D)和PW/彩超多普勒信息。
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