超聲成像系統(tǒng)通常使用一個(gè)大規(guī)模的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器) 系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不僅需要精密的通道間匹配，而且還需要準(zhǔn)確設(shè)計(jì)ADC的供電電壓基準(zhǔn)系統(tǒng)，以保持足夠的動(dòng)態(tài)特性。

問題的由來

 

　　超聲成像系統(tǒng)通常使用一個(gè)大規(guī)模的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器) 系統(tǒng)，這些ADC的基準(zhǔn)電壓系統(tǒng)通常是為大規(guī)模的模數(shù)轉(zhuǎn)換器組提供既精密又是低噪聲的基準(zhǔn)電壓。為進(jìn)一步保證性和穩(wěn)定性，應(yīng)該對(duì)ADC基準(zhǔn)電壓系統(tǒng)的輸入進(jìn)行緩沖，從而限度降低基準(zhǔn)電壓系統(tǒng)的負(fù)載效應(yīng)。為滿足這些要求，必須將高速ADC設(shè)計(jì)成既帶有內(nèi)部精密基準(zhǔn)電壓源亦可使用外部精密基準(zhǔn)電壓源的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。為說明這一點(diǎn)，不妨舉如下實(shí)例:在醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)中通常要在其接收器的波束成形　　電路中使用大量的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，而通常以16個(gè)、24個(gè)、32個(gè)等為一組。要得到的波束，就必須限度減小波束成形通道的誤差。而導(dǎo)致誤差的主要來源歸結(jié)為噪聲和施加到每個(gè)獨(dú)立ADC的實(shí)際基準(zhǔn)電壓.當(dāng)然，還包括連接到基準(zhǔn)電壓源的分布式負(fù)載等其它誤差來源.然而在一個(gè)特定的系統(tǒng)中，連接到基準(zhǔn)電壓源的負(fù)載，卻只是許多獨(dú)立的阻性和容性負(fù)載。

 

當(dāng)今，有多種設(shè)計(jì)方案可為這種大規(guī)模的ADC陣列提供基準(zhǔn)電壓， 值此介紹以下3種：

 

　　* 獨(dú)立的片上基準(zhǔn)。這種方式可為每個(gè)ADC提供了非常方便的基準(zhǔn)電壓連接，但模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的配度較較差。

 

　　* 一個(gè)單一的外部基準(zhǔn)電壓能給ADC大規(guī)模陣列中的每一個(gè)（組），提供的基準(zhǔn)電壓輸入。這種結(jié)構(gòu)允許用戶設(shè)計(jì)一個(gè)隨意度的外部基準(zhǔn)，但卻存在由于階梯電阻中的微小變化所產(chǎn)生的誤差(這里每個(gè)ADC內(nèi)置只有 —·個(gè)階梯)。

 

　　* 一個(gè)外部基準(zhǔn)直接驅(qū)動(dòng)ADC的基準(zhǔn)電壓階梯抽頭。這種方式由于直接控制供給每個(gè)ADC階梯的基準(zhǔn)電壓，因而具有的增益。 但需要驅(qū)動(dòng)較低的階梯電阻時(shí)，則很多ADC不允許接人到內(nèi)部偏置點(diǎn)。

 

ADC基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)思想

 

　　要確定ADC基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)思想首先要了介關(guān)于ADC度方面的問題在許多應(yīng)用中，增益和噪聲電平是影響ADC的主要因素。

 

　　眾所周知，ADC的增益是可用傳輸函數(shù)的斜率來表示，該斜率表示模擬輸入時(shí)與所相對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出之間的關(guān)系。目前，一種評(píng)估增益的方法是測量滿量程(FS)輸入范圍，而它直接受基準(zhǔn)電壓的控制。對(duì)于醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)來說，ADC滿量程輸入范圍的變化會(huì)導(dǎo)致波束成形誤差，該誤差它還會(huì)改變ADC的鉗位點(diǎn)，而鉗位點(diǎn)是影響某些信號(hào)解調(diào)電路的重要因素。

 

　　ADC的噪聲電平確定了可利用的動(dòng)態(tài)范圍，一般情況下應(yīng)該盡量提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。ADC噪聲中的基準(zhǔn)電壓噪聲成分可以是加法性噪聲或乘積性噪聲，利用每個(gè)ADC的本地旁路電容可以很容易地濾除加法性噪聲，這種方式已在大多數(shù)設(shè)計(jì)中用來優(yōu)化ADC的動(dòng)態(tài)特性。另一方面，乘積性噪聲更為隱蔽。對(duì)于醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)應(yīng)用中，音頻段中的基準(zhǔn)電壓噪聲會(huì)調(diào)制射頻段的強(qiáng)“靜止”信號(hào)，這種強(qiáng)“靜止”信號(hào)由超聲目標(biāo)中的靜止組織產(chǎn)生。而音頻調(diào)制在射頻信號(hào)上產(chǎn)生的邊帶均被多普勒探測器解調(diào)，在檢波后的多普勒輸出信號(hào)中產(chǎn)生出音頻干擾。

 

　　那如何估算醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)應(yīng)用中所允許的音頻噪聲？應(yīng)假定將一個(gè)接近滿量程(FS)的射頻信號(hào)施加到一個(gè)10位ADC器件上，如MAXl448。該器件的動(dòng)態(tài)范圍(接近60dB)預(yù)示-60dB FS的噪聲基底，將該噪聲電平折合到1Hz帶寬。對(duì)于80MHz的采樣速率，奈奎斯特頻寬為40MHz。修正因子為 ，這使ADC的噪聲基底成為-60dBFS-76dBFS=-136dB FS。故設(shè)計(jì)要求基準(zhǔn)電壓噪聲至少低出20dB(即為-156dB FS)，這樣，一個(gè)2.0V的基準(zhǔn)電壓需低至33nVp_p。

 

　　由此可見，ADC度主要受ADC基準(zhǔn)電壓噪聲影響很大，為此在考慮多ADC基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)方案時(shí)必須有低頻噪聲濾波器和抑制高頻噪聲的措施。

 

　　應(yīng)該說，多ADC陣列(或大規(guī)模的ADC 陣列)所需基準(zhǔn)電壓的可能高于各個(gè)ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的內(nèi)部基準(zhǔn)(例如，MAXl444-MAX1448的內(nèi)部基準(zhǔn)為±1%)。值此介紹的以下兩個(gè)方案電路是適用于大規(guī)模ADC 陣列基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)。它們都帶有一路公用的低頻噪聲濾波器，并利用各個(gè)ADC的本地退耦電容改善高頻噪聲抑制。

 

多ADC系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)方案

 

單一外部基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)電路

 

 

　　IC3與IC4的MAXl444-MAX1448系列多ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)系統(tǒng)， 而MAXl444-MAX1448均為超高速（<0.5uS）10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，非常適合采用一個(gè)公共的基準(zhǔn)電壓。這些模數(shù)轉(zhuǎn)換器(IC3與IC4/31) 的 REFIN基準(zhǔn)輸入引腳能夠直接與外部基準(zhǔn)源2.048V連接，無需修改任何電路。而且，REFIN引腳的高輸入阻抗(即使在多個(gè)REFIN端并聯(lián)時(shí))僅吸取極小的負(fù)載電流。

 

　　精密基準(zhǔn)源MAX6062(IC1) 的輸出引腳2可提供2.048V直流電平，基準(zhǔn)電噪聲壓密度為 ，其IC1輸出經(jīng)過一個(gè)單極點(diǎn)R1 C2低通濾波器(截止頻率10Hz)送人一個(gè)MAX4250(1C2)這樣的運(yùn)算放大器， 該IC2具有低失調(diào)電壓(可獲得高增益)和低噪聲電平，值此運(yùn)放作緩沖器之用，在并在饋人第二級(jí)R2 C4的10Hz低通濾波器之前先進(jìn)行緩沖。緩沖器的低噪聲電平經(jīng)10Hz無源濾波器衰減。經(jīng)濾波后的噪聲密度，其中較高頻率的噪聲被降低了，能夠符合高ADC對(duì)噪聲電平的要求。

 

　　而MAXl444-MAX1448系列多ADC的REFout輸出引腳(IC3與IC4/20)典型增益誤差為4．4%(優(yōu)于±0．5dB)。該性能優(yōu)于醫(yī)療超聲接收器信號(hào)通道中所有其它模塊的增益誤差。因?yàn)樗杏性床考赏?a target="_blank">電源電壓驅(qū)動(dòng)，因此能夠保證適當(dāng)?shù)纳想姡綦婍樞?，并以少的電路獲得出色的增益匹配和非常低的噪聲電平，滿足大多數(shù)采用多路增益匹配ADC系統(tǒng)的要求。

 

產(chǎn)生一個(gè)精密的外部基準(zhǔn)

 

　　對(duì)于要求更嚴(yán)格的增益匹配ADC系統(tǒng)的應(yīng)用， 采用一個(gè)外部基準(zhǔn)接驅(qū)動(dòng)ADC的基準(zhǔn)電壓階梯抽頭。

 

　　它同樣非常適合MAXl444-MAX1448器件系列的多ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)系統(tǒng)。在圖2中將這些模數(shù)轉(zhuǎn)換器(IC3與IC4/31) 的 REFIN引腳接模擬地，可以禁止各器件的內(nèi)部基準(zhǔn)(MAXl444-MAX1448具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓)被掉，從而允許一組外部基準(zhǔn)源直接驅(qū)動(dòng)內(nèi)部基準(zhǔn)階梯。這些外部基準(zhǔn)電壓源可具有任意的精密度，從而使ADC的增益可跟隨它們達(dá)到典型值為0．1%以內(nèi)。該系列的ADC階梯基準(zhǔn)連接端具有4kΩ(為接至ADC IC3與IC4/32的REFP引腳上的等效電阻值)，即使在多個(gè)ADC并聯(lián)時(shí)也很容易驅(qū)動(dòng)。

 

　　精密基準(zhǔn)源MAX6066(IC1)產(chǎn)生2.5V的直流電壓并從IC1/2引腳輸出經(jīng)過R1 C2的10Hz低通濾波和R3 R4 R5 R6精密分壓器后分別送入送人緩沖器四運(yùn)算放大器MAX4254 (IC2A IC2B IC2C)，分壓器將2.5V的直流電壓輸出設(shè)置為2．0V、1．5V、1．0V。而緩沖器輸出電壓的與分壓電阻的容差有關(guān)。

 

　　這三個(gè)電壓2．0V、1．5V、1．0V進(jìn)入運(yùn)算放大器IC2A、IC2B、IC2C，該運(yùn)算放大器作緩沖器之用.由于運(yùn)算放大器具有較低的噪聲和直流偏移，故使IC2A、IC2B、IC2C緩沖器輸出電壓分別經(jīng)過R6 C3 R7、 R8 C4 R9、 R10 C5 R11的10Hz低通濾波器之后， 可以濾除基準(zhǔn)電壓噪聲和緩沖放大器的噪聲，使噪聲電平密度低至 。2．0V和1.0V的基準(zhǔn)電壓將相關(guān)ADC的差分滿量程范圍設(shè)置在2Vp-p。2．0V緩沖器驅(qū)動(dòng)輸出ADC1與ADC2的REFP內(nèi)部階梯電阻;1．0V緩沖器驅(qū)動(dòng)輸出ADC1與ADC2的REFN的內(nèi)部階梯電阻;而ADC1與ADC2它們內(nèi)部階梯電阻值計(jì)算，應(yīng)為4kΩ除以方案電路中的ADC個(gè)數(shù). 例如32個(gè)ADC將從這外部基準(zhǔn)電壓源吸取8mA電流，該8mA電流遠(yuǎn)未超出四運(yùn)算放大器MAX4254的容量.

 

　　這種外部基準(zhǔn)電壓結(jié)構(gòu)的增益較高，其由ICl的等級(jí)和分壓器的電阻容差確定。該電路每個(gè)ADC的增益匹配度為0．1%(典型值)。100Hz頻點(diǎn)噪聲電平密度低于 ，就能夠提供出色的性能指標(biāo)。與圖1相同，所有有源器件采用同一電源供電，上電或掉電時(shí)無需考慮供電順序。運(yùn)放緩沖器輸出匹配度優(yōu)于0．1%，采用同樣的緩沖器和后續(xù)低通濾波器能夠支持高達(dá)32路ADC。而對(duì)于需要32路以上匹配ADC的應(yīng)用，應(yīng)采用一個(gè)公用的電壓基準(zhǔn)和分壓器供給所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器為佳。圖2中C1 C9 C10 C11 C12 C13 C15 C16均為ADC的本地退耦電容改善高頻噪聲抑制。

 

結(jié)論

 

　　對(duì)于需要大量ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而且對(duì)通道間匹配度要求較高的系統(tǒng)來說，需要認(rèn)真對(duì)待其基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)。采用同一高、低噪聲基準(zhǔn)電壓源來驅(qū)動(dòng)所有ADC能夠獲得高匹配。MAXl444-MAX1448系列10位ADC提供了靈活的基準(zhǔn)電壓輸人和出色的動(dòng)態(tài)特性，不失為這種應(yīng)用的方案。