超声接收机VGA输出参考噪声和增益的优化

摘要：可变增益放大器(VGA)，有时也称作时间增益控制(TGC)放大器，是相空阵超声接收机的关键部件。本文分析了VGA的输出参考噪声和增益对超声脉冲多普勒仪的动态范围和灵敏度的影响，同时还分析了如何移用MAX2037八通道超声VGA对这些参数进行优化，从而使典型接收机系统的总体性能达到最佳。

本文还发表在Maxim工程期刊，第60期 (PDF, 848kB).

相控阵接收机概述我们在分析这些关键的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工作原理。如需深入了解相控阵超声接收机，请参考附录A—相控阵超声系统基础。典型的接收机包括LNA、VGA、抗混叠滤波器和ADC (如图1所示)。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50Ω至1kΩ的有源输入阻抗，可以优化选择使其与传感器实现匹配，并保持超低噪声系数。


图1. 由LNA、VGA、抗混叠滤波器和ADC组成的典型相控阵超声接收机系统

紧随发射脉冲之后的接收周期开始阶段，LNA输入端的信号幅值可能达到0.5VP-P。在整个接收过程中，该信号的强度会逐渐衰减，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)，因此可计算出衰减值。在整个接收周期内，处理该信号所需的动态范围约为110dB，远远超出了实际ADC转换器的动态范围。因此，在接收周期内采用VGA (下面称为“时间增益控制”)动态增加接收机增益，使该信号能够适应ADC的输入动态范围。如果要使接收信号能够适应12位 ADC的70dB动态范围，要求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它信号的影响。通常采用12位ADC，其工作频率介于40Msps至60Msps之间。

VGA输出参考噪声和增益，及其对PW多普勒仪的影响标准的2D、灰度超声成像要求每个相控阵通道的动态范围约为40dB。然而，由于来自血液的接收信号强度可能会远远低于周围组织的信号强度，因此脉冲多普勒成像仪，如光谱PW多普勒成像和彩超成像要求动态范围高达到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。

设计满足超声接收系统ADC要求的VGA具有相当大的难度，需要特别指出的是：要在保持低输出参考噪声以保持接收机动态范围的同时，仍然能够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。这种情况下，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。

为了更好地理解这些VGA参数对接收机性能的影响，我们考虑两种特殊情形。一种情形是TGC增益适中或增益较低，而接收信号较强。这种情况下，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。后者最重要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。

VGA输出参考噪声对接收机动态范围的影响(中等/低TGC增益时)在中/低TGC增益时，VGA的输出噪声主要是VGA输出参考噪声。该噪声应远低于ADC的噪底，否则将会降低ADC的动态范围。以图1所示的超声接收系统为例，MAX2037 VGA的输出参考噪声约为22nV/，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，如果VGA和ADC之间的抗混叠滤波器具有0dB的通带衰减，那么，由于VGA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一定的通带衰减。

为保证系统的稳定性，许多VGA都要求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的抗混叠滤波器引入3dB至6dB的通带衰减。对于ADC的输入端，抗混叠滤波器的通带衰减进一步降低了输出参考噪声，并且改善了动态范围。如果通带衰减为6dB，则MAX2037的输出参考噪声将仅仅使ADC的SNR降低0.49dB。

很容易理解，如果VGA具有远大于MAX2037的输出参考噪声，将会出现问题。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。对于成像较为困难的多普勒应用，这一衰减更加不容忽视。另外，值得注意的是，抗混叠滤波器的衰减所造成的接收增益的降低会对接收机噪声系数产生明显的负面影响，这一点我们将在下文详细描述。

MAX2037的输出参考噪声约为竞争产品的一半，当与12位ADC和无源抗混叠滤波器配合使用时，MAX2037能够提供更高的增益，可优化动态范围，并保持接收机噪声系数不变。图2所示为MAX2037输出参考噪声与增益的对应关系曲线。


图2. MAX2037的噪声仅为竞争器件的一半，同时可提供更高增益

VGA最大增益对接收机噪声系数的影响(高TGC增益时)在高TGC增益时，需要对接收机进行优化以提高小信号灵敏度，此时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。

图3为简化的超声接收机框图，图中显示了ADC之前的接收机增益对噪声系数指标的影响。该接收机系统中采用增益为19dB的MAX2034四通道LNA、最大增益为29.5dB的MAX2037 VGA以及八通道12位ADC MAX1437。同时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200Ω，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200Ω，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(包括抗混叠滤波器)增益为42.5dB。此时，ADC相对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。


图3. 在该超声接收机简化框图中，ADC之前的增益对噪声系数的影响

VGA的最大增益较低或ADC的噪底较高时会出现什么情况？图4给出了VGA增益对图3所示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，我们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/；下面一条曲线对应于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，同时还显示了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，同时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。


图4. 图3所示超声接收机的噪声系数与VGA增益的关系曲线

结论关注VGA输出参考噪声、最大VGA增益、抗混叠滤波器衰减以及ADC噪声对接收机动态范围和噪声系数的影响十分必要，有助于优化超声接收机的灵敏度。利用MAX2037 VGA优化并合理平衡输出参考噪声和最大增益，使其满足12位ADC (例如MAX1437)的性能要求，从而得到最佳的超声接收机指标。

附录A—相控阵超声系统基础 相控阵超声系统原理框图图5所示为典型相控阵医疗超声成像系统的原理框图。所有采用这一相控阵方案的系统都具有64至256个接收通道，同时还具有相同数量的发射通道。为简单起见，图5只绘出了一个发射和接收通道。


图5. 典型相控阵医疗超声成像系统中的一个发射/接收通道

超声发射基础为了获取超声图像，相控阵超声系统必须产生N个(这里N = 发送通道数)具有一定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)。


图6. 经过一定的延时、高压发射脉冲产生的聚焦超声发射

超声接收机基础利用人体内部声阻的不连续性，将反射回来的声波能量通过传感器接收，然后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，然后再把它们数字化，如图7所示。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于生成二维(2D)和PW/彩超多普勒信息。


图7. 超声接收机系统中的接收通道将来自各个传感器的信号进行放大和数字化