【摘 要】
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超声成像技术广泛应用于医疗诊断领域,随着临床诊断对便携化设备需求的日益迫切,更高性能的集成超声信号处理电路逐渐成为研究热点。模拟前端(Analog Front End,AFE)作为集成成像系统中处理超声换能器输出信号的第一级,其性能对整个系统有举足轻重的影响。本文设计的高频超声成像模拟前端包含八个通道,每通道由四个模块构成:低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、电压控制衰
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超声成像技术广泛应用于医疗诊断领域,随着临床诊断对便携化设备需求的日益迫切,更高性能的集成超声信号处理电路逐渐成为研究热点。模拟前端(Analog Front End,AFE)作为集成成像系统中处理超声换能器输出信号的第一级,其性能对整个系统有举足轻重的影响。本文设计的高频超声成像模拟前端包含八个通道,每通道由四个模块构成:低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、电压控制衰减器(Voltage Controlled Attenuator,VCAT)、可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)以及抗混叠滤波器(Anti-Alias Filter,AAF)。本文针对换能器输出的信号特征,详尽分析了各个模块的目标性能参数,研究了系统设计所必需的等效噪声理论、噪声消除理论、双端口网络S参数以及阻抗匹配等理论。本文设计的低噪声放大器可以根据不同的超声换能器输出匹配层特性的需要,调节输入阻抗,可以匹配到4种典型的换能器内阻值,以实现微弱超声信号的最大功率传输,同时具有增益可调节功能,在不同的工作模式下,噪声系数介于0.99d B至2.5d B之间。该LNA的S11、S22参数均小于-10d B,在不同工作模式下,增益参数S21介于29d B至33d B之间,在1.8V的工作电压下,功耗为23.4m W。LNA输入阻抗匹配到50Ω时,1d B增益压缩点为-13.07d Bm。电压控制的衰减器由7个衰减单元构成,受外部电压控制,以-6d B为步长,实现0～-42d B的衰减增益范围,该压控衰减器的衰减网络由工作在深线性区的MOS晶体管作为电阻组成,其全差分结构表现出良好的线性度。可编程增益放大器通过改变运算放大器的闭环电阻反馈网络实现对增益的调节,其中运算放大器采用增益自举结构,单位增益带宽为300MHz,相位裕度为84度。该PGA可以实现18d B、24d B、30d B这3种不同的增益。抗混叠滤波器是四阶巴特沃斯低通滤波器,用来防止AFE后级ADC采样时发生混叠,其滚降系数为-80d B/十倍频程,可以通过调节反馈电容阵列的电容值将截止频率在20MHz、30MHz和40MHz之间进行调节。采用巴特沃斯滤波器,通带内没有纹波,信号在通道内传输过程中因此不易失真。本文的设计基于TSMC18RF工艺,八通道超声AFE每通道各模块之间直接耦合,整体增益范围在3d B～60d B,增益步长为6d B,增益最高时的噪声系数为1.36d B,每通道功耗为36m W。作者对整个模拟前端的电路进行了全面的性能仿真分析以及版图设计,并将设计的芯片交付流片生产,还设计了PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)板级测试电路用来对AFE芯片的主要功能进行测试。
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