1 引言

超声成像基于脉冲回波法，具体原理是向成像物体发送超声并接收回波信号。另外，众所周知，发射的超声波波幅会随着波穿透物体组织而变小，这种现象称为衰减。传输后立即反射的信号非常强，因为信号是靠近物体表面反射的；在发射脉冲之后很长时间发生的反射则非常弱，因为这些信号是从物体内部反射的。如果超声图像直接由原始返回回波形成，则图像在浅表层中更亮，在深层中更暗。克服超声衰减的一种方法是时间增益控制或补偿 (TGC)，在这种方法中，信号增益随着发射波脉冲的时间逐渐增加。这种校正使等回声组织看起来相同，即使组织位于不同深度。TI 的低噪声模拟前端 (AFE) 具有 TGC 功能，可支持超声应用，因为 AFE 会随时间改变接收器增益。入射到接收器上的超声信号的振幅随着传输时间的增长而减小，并且 TGC 有助于实现更佳信噪比 (SNR)，即使信号振幅不断减小也是如此。

本应用手册介绍了用于生成时变控制电压以驱动多个 AFE 接收器芯片的三种建议电路的规格和设计注意事项。图 1-1 显示了 AFE58JD48 模拟前端的信号链。TGC 功能是集成的，并使用可通过控制电压 V_CNTL 进行控制的衰减器来实现。由数模转换器 (DAC) 和运算放大器组成的外部电路会生成控制信号。DAC 的输入信号是来自现场可编程门阵列 (FPGA) 的时变数字控制，也可以处理超声应用中所需的波束形成操作。

图 1-1 AFE58JD48 的信号链和 TGC 运行的模拟控制

AFE 的 V_CNTL 属性在下文中介绍。

• AFE 控制引脚上的信号电平：对于 AFE58JD48，V_CNTL (= V_CNTLP – V_CNTLM) 是用于控制电压衰减的差分输入，范围为 -0.4V 至 0.4V。V_CNTLP 的共模电压 V_CNTLM 通常为 1.3V。该控制电压根据 dB 线性特性来改变衰减器的衰减。对于单端运行，V_CNTLM 可固定为 1.3V，V_CNTLP 可从 0.9V 扫描至 1.7V。对于全差分运行，（V_CNTLP, V_CNTLM）从 (1.1V, 1.5V) 变为 (1.5V, 1.1V)。图 1-2 显示了 V_CNTL 电压和 VCAT 衰减之间的关系。当差分电压电平 (V_CNTLP – V_CNTLM) 超过（–0.4V 至 0.4V）范围时，衰减器将继续在最大或最小衰减水平下运行。
  
  

  

  
  图 1-2 V_CNTL 电压和衰减之间的关系
• 输入参考噪声：随着接收到的超声信号随经过的时间而降低，V_CNTL 也会降低，以减少衰减并增加通道增益。图 1-3 所示为 TGC 电路的优势。随着 V_CNTL 的增加和通道增益的增加，接收器的输入参考噪声也会继续降低。更低的噪声有助于抑制与接收器信号振幅下降相关的 SNR 下降。
  
  

  

  
  图 1-3 低噪声模式下输入参考噪声与 V_CNTL 和 LNA 增益间的关系
• 多通道的噪声要求：V_CNTL 驱动电路设计中的一个关键考虑因素是 V_CNTL 上的噪声规格。由于 V_CNTL 是 AFE 的多个通道之间（并可能与其他 AFE 芯片的通道共享）的公共控制电压，因此 V_CNTL 上的任何噪声都显示为与共享同一 V_CNTL 的多个 AFE 通道相关的噪声源。V_CNTL 引脚上的噪声必须足够低以获得良好的系统性能，因为此噪声在各个通道之间是相关的。图 1-4 显示了 V_CNTL 上允许的噪声和共享同一 V_CNTL 驱动的通道数量之间的函数关系。
  
  

  

  
  图 1-4 V_CNTL 信号上允许的噪声与频率和不同通道间的关系