TX7516 技术文档总结

TX7516 是一款高度集成、高性能的超声成像系统变送器解决方案。该器件共有16个脉冲发生器电路，16个发送/接收开关（称为T/R或TR开关），并支持片上波束形成器（TxBF）。该器件还集成了片内浮动电源，可减少所需的高压电源数量。

TX7516 有一个脉冲发生器电路，可产生五级高压脉冲（高达 ±100 V），用于激发超声换能器的多个通道。该设备总共支持 16 个输出。最大输出电流为 2 A。

该设备可用作许多应用的发射器解决方案，如超声成像、无损检测、声纳、激光雷达、海洋导航系统、脑成像系统等。
*附件：tx7516.pdf

特性

• 发射器支持：
  • 16 通道 5 电平脉冲发生器和有源发射/接收 （T/R） 开关
• 5级脉冲发生器：
  • 最大输出电压：±100 V
  • 最小输出电压：±1 V
  • 最大输出电流：2 A
  • 支持4A输出电流模式。
  • 真正归零，将输出放电到地
  • 5 MHz时的二次谐波为–45 dBc
  • –3 dB带宽，1 kΩ ||240 pF 负载
    • 20 MHz，用于 ±100V 电源
    • 25 MHz，用于 ±70V 电源
    • 35 MHz，用于 4A 模式下的 ±100V 电源
  • 集成抖动：100 fs，测量范围为 100 Hz 至 20 kHz
  • CW模式近相位噪声：5 MHz信号时–154 dBc/Hz（1 kHz偏移）
  • 极低的接收功率：1mW/ch
• 有源发送/接收 （T/R） 开关，具有：
  • 导通电阻为 8 Ω
  • 导通和关断时间：100 ns
  • 瞬态毛刺：10 mV聚丙烯
• 片上光束形成器具有：
  • 基于通道的 T/R 开关开启和关闭控制
  • 延迟分辨率：半波束形成器时钟周期，最小 2 ns
  • 最大延迟：2^14^波束形成器时钟周期
  • 最束形成器时钟速度：320 MHz
  • 每通道模式控制，具有 2K 不同电平。
  • 全局和局部重复模式，为剪切波成像提供长时间的模式
  • 支持 120 个延迟配置文件
• 高速（最大 400 MHz）、2 通道 LVDS 串行编程接口。
  • 编程时间短：延迟配置文件更新时间< 500 ns
  • 32 位校验和功能，用于检测错误的 SPI 写入
• 支持 CMOS 串行编程接口（最大 50 MHz）
• 内部温度传感器和自动热关断
• 无特定的电源排序要求
• 用于检测故障情况的错误标志寄存器
• 用于浮动电源和偏置电压的集成无源器件
• 小型封装：FC-BGA-144（10 mm × 10 mm），间距为 0.8 mm

参数

方框图

一、产品核心定位

TX7516 是德州仪器（TI）推出的 高集成度五电平 16 通道超声发射芯片 ，专为超声成像系统设计，可驱动压电换能器并实现发射波束成形（TxBF），适配超声成像、探头内超声成像、无损检测、声呐（SONAR）、激光雷达（LIDAR）等场景。其核心优势在于 高电压大电流输出能力 （±100 V 电压、2 A 电流，支持 4 A 模式）、 集成化波束成形功能 （延迟分辨率 2 ns、最大延迟 16384 个时钟周期）与 低功耗接收设计 （每通道仅 1 mW），采用 10mm×10mm 144 引脚 FC-BGA 封装，满足小型化超声设备（如便携式超声、探头内成像）的集成需求，工作温度范围 0°C 至 70°C。

二、关键特性

1. 16 通道五电平脉冲发生器（Pulser）

• 高电压大电流输出 ：
  • 输出电压范围 ±1 V 至 ±100 V，支持五电平脉冲（可灵活调整激励强度），适配不同灵敏度的超声换能器；最大输出电流 2 A，支持 4 A 增强模式，满足高功率换能器驱动需求。
  • 真归零设计（True Return to Zero）：脉冲结束后自动放电至接地电位，避免残留电荷影响换能器接收回声信号，提升成像信噪比。
• 宽频带与低失真 ：
  • 带宽性能：1 kΩ || 240 pF 负载下，±100 V 供电时 - 3 dB 带宽 20 MHz，±70 V 供电时 25 MHz，4 A 模式（±100 V）时达 35 MHz，支持高频超声成像（如浅表组织高分辨率成像）。
  • 低谐波失真：5 MHz 输出时二次谐波 - 45 dBc，减少信号失真对成像质量的影响；集成抖动仅 100 fs（100 Hz-20 kHz 测量），连续波（CW）模式下 1 kHz 偏移处相位噪声 - 154 dBc/Hz，信号稳定性优异。

2. 集成发射 / 接收（T/R）开关

• 低阻高速切换 ：
  • 导通电阻仅 8 Ω，减少接收回声信号的衰减；开关导通 / 关断时间均为 100 ns，快速切换发射与接收模式，避免发射高压脉冲损坏低压接收电路。
  • 低瞬态干扰：切换时瞬态毛刺仅 10 mVpp，减少噪声对接收信号的干扰，确保回声信号完整性。
• 模式控制 ：由片内波束成形引擎自动控制开关状态 —— 发射时关断（保护接收器），接收时导通（将换能器连接至接收器），无需外部额外控制逻辑，简化系统设计。

3. 片内发射波束成形（TxBF）

• 灵活延迟控制 ：
  • 延迟分辨率：最小 2 ns（波束成形时钟周期的 1/2），最大延迟为214（16384）个波束成形时钟周期，时钟最高频率 320 MHz，可精准调整各通道脉冲发射时序，实现不同方向的超声波束聚焦（如扇形扫描、线性扫描）。
  • 多延迟剖面：支持 120 组延迟剖面存储，可快速切换不同成像模式（如不同深度、不同角度的扫描），延迟剖面更新时间＜500 ns，满足实时成像需求。
• 脉冲模式生成 ：
  • 每通道独立 960 字 RAM：存储脉冲模式剖面，支持 2000 种不同电平模式，可生成自定义脉冲序列（如调幅、调频脉冲）。
  • 全局 / 局部重复功能：支持模式重复输出，可生成超长脉冲序列，适配剪切波成像（Shear Wave Imaging）等需要长时激励的特殊超声模式。

4. 高速编程接口与可靠性设计

• 高速串行接口 ：
  • 支持 400 MHz 最大速率的 2 通道 LVDS 串行编程接口，及 50 MHz 最大速率的 CMOS 串行接口，快速写入延迟剖面与模式数据；32 位校验和（Checksum）功能，检测 SPI 写入错误，避免配置错误导致器件故障。
• 安全与保护机制 ：
  • 内置温度传感器与自动热关断：温度过高时自动关闭输出，保护器件免受损坏；错误标志寄存器（Error Flag Register）可检测故障状态（如过压、过流），并自动进入关断模式，提升系统可靠性。
  • 集成浮地电源与偏置无源元件：无需外部额外配置高电压浮地电源的 decoupling 电容，减少外部元件数量，简化 PCB 布局，降低系统成本。

三、典型应用场景

1. 超声成像系统 ：驱动 16 通道超声换能器阵列，通过片内波束成形实现多方向扫描，五电平脉冲适配不同深度成像（如腹部超声、心血管超声），低功耗接收设计延长便携式设备续航。
2. 探头内超声成像 ：10mm×10mm 小封装适配探头内集成需求，集成化设计减少探头内元件数量，降低探头体积与重量，提升操作灵活性（如内镜超声、介入超声）。
3. 无损检测（NDT） ：±100 V 高电压与 2 A 电流驱动高功率换能器，35 MHz 带宽支持高频检测（如金属材料微小缺陷检测），波束成形功能实现多角度扫描，覆盖更大检测范围。
4. 声呐与激光雷达辅助 ：大电流输出驱动水下声呐换能器，宽温工作范围（0°C-70°C）适配 marine 环境，低相位噪声确保信号稳定性，提升目标探测精度。

四、器件信息与订购参数

1. 基础器件信息

型号	通道数	输出电压范围	最大输出电流	封装类型	主体尺寸（标称）	工作温度（°C）
TX7516	16	±1 V 至 ±100 V	2 A（支持 4 A 模式）	144 引脚 FC-BGA（ALH）	10.0mm×10.0mm	0 至 70

2. 订购选项详情

可订购器件	状态	封装类型	每盘数量（SPQ）	载体类型	环保标准	引脚镀层	湿度敏感等级（MSL）	器件标识
TX7516ALH	现役（Active）	144 引脚 FC-BGA（ALH）	240	JEDEC 托盘（5+1）	RoHS 合规	咨询 TI（Call TI）	3 级 - 260°C-168 小时	TX7516
TX7516ALH.B	现役（Active）	144 引脚 FC-BGA（ALH）	240	JEDEC 托盘（5+1）	-	咨询 TI（Call TI）	咨询 TI（Call TI）	-

五、核心功能模块

1. 脉冲发生器与 T/R 开关

• 五电平脉冲生成 ：通过内部高压驱动电路生成五电平信号，可通过 SPI 配置脉冲幅度、宽度与重复频率（PRF），适配不同换能器的激励需求；真归零设计通过放电回路快速释放换能器残留电荷，确保接收阶段换能器处于零电位基准。
• T/R 开关控制 ：由波束成形引擎输出的时序信号控制开关状态，发射阶段（Pulser 工作时）开关关断，隔离高压脉冲与低压接收器（如低噪声放大器 LNA）；接收阶段开关导通，将换能器接收到的微弱回声信号传输至接收器，导通电阻 8 Ω 可最小化信号衰减。

2. 片内发射波束成形（TxBF）

• 延迟控制 ：
  • 基于波束成形时钟（最高 320 MHz），每通道可独立设置延迟时间，延迟分辨率 2 ns（时钟周期的 1/2），最大延迟 16384 个时钟周期（320 MHz 时钟下约 51.2 μs），可实现大角度波束偏转（如超声扇形扫描的 60°-90° 覆盖角）。
  • 延迟剖面存储：支持 120 组预设延迟剖面，通过高速 LVDS 接口快速切换，适配不同成像深度（如近场、中场、远场）的波束聚焦需求。
• 脉冲模式生成 ：
  • 每通道 960 字 RAM 存储脉冲模式，支持 2000 种电平组合，可生成方波、正弦波、调幅脉冲等自定义波形；全局重复（所有通道同步重复）与局部重复（单通道独立重复）功能，可生成超长脉冲序列（如剪切波成像所需的连续激励脉冲）。

3. 编程接口与保护机制

• 高速编程接口 ：
  • 2 通道 LVDS 接口（最高 400 MHz）：用于高速写入延迟剖面与模式数据，延迟剖面更新时间＜500 ns，满足实时成像的快速模式切换需求；CMOS 串行接口（最高 50 MHz）：适配低速配置场景，兼容性更强。
  • 32 位校验和：写入数据时自动计算校验和，对比预设值检测错误，避免配置错误导致脉冲输出异常，提升系统可靠性。
• 安全保护 ：
  • 温度监测与热关断：内置温度传感器实时监测结温，超过阈值时自动关断 Pulser 输出，防止器件过热损坏；错误标志寄存器记录过压、过流、配置错误等故障状态，可通过 SPI 读取故障信息，便于系统诊断。
  • 集成浮地电源无源元件：内置浮地电源（AVDDP_HV_A/B、AVDDM_HV_A/B）的 decoupling 电容与偏置电阻，无需外部额外配置，减少 PCB 面积与元件数量，降低系统成本。

六、设计与应用指导

1. 硬件设计建议

• 电源设计 ：
  • 高压电源（AVDDP_HV_A/B、AVDDM_HV_A/B）：需提供 ±1 V 至 ±100 V 可调电压，推荐使用高压 DC-DC 转换器（如 TI 的 LM5175），确保输出纹波＜100 mVpp，避免电源噪声影响脉冲质量；低压电源（AVDDP_5、AVDDM_5、AVDDP_1P8）：提供 5 V 与 1.8 V，需并联 0.1 μF 陶瓷电容（靠近引脚），降低数字噪声耦合。
  • 接地设计：模拟地（AGND）与数字地（DGND）单点连接，高压地与低压地分开布线，避免高压脉冲噪声串扰数字电路与接收电路。
• 换能器接口 ：
  • 输出匹配：每通道 OUT 引脚与换能器间建议串联 10 Ω 限流电阻（保护 Pulser）与 1 nF 隔直电容（避免直流偏置影响换能器），并根据换能器阻抗并联匹配电阻（如 1 kΩ），优化带宽与输出功率。
  • 高压防护：OUT 引脚与 T/R 开关输出（RX 引脚）需预留≥8 mm 爬电距离，避免高压击穿，适配超声设备安全规范。

2. 软件配置与初始化

• SPI 编程流程 ：
  1. 上电后等待 100 μs（内部电源稳定），通过 LVDS/CMOS 接口写入 32 位校验和配置字，初始化校验和功能。
  2. 写入延迟剖面：配置每通道的延迟时间（基于波束成形时钟周期），存储至 120 组剖面中的目标组。
  3. 写入脉冲模式：配置每通道的脉冲电平、宽度与重复次数，存储至对应通道的 960 字 RAM。
  4. 启动发射：通过 SPI 发送启动命令，波束成形引擎按预设延迟与模式输出脉冲，T/R 开关自动同步切换。
• 关键寄存器配置 ：
  • 延迟控制寄存器（0x100-0x1FF）：设置每通道延迟值（单位：波束成形时钟周期）。
  • 模式控制寄存器（0x200-0x2FF）：配置脉冲电平、重复次数、全局 / 局部重复模式。
  • 保护配置寄存器（0x300）：使能温度监测、热关断与错误检测功能。

3. 布局与 EMC 优化

• 布局准则 ：
  • 高压区域隔离：Pulser 输出（OUT_1-OUT_16）与 T/R 开关接收端（RX_1-RX_16）分开布线，高压路径（OUT 引脚）远离数字电路（如 SPI/LVDS 接口），避免高压噪声串扰。
  • 关键信号布线：波束成形时钟（BF_CLK）采用 50 Ω 阻抗匹配布线，长度匹配误差≤5 mm，避免时钟抖动影响延迟精度；LVDS 接口采用差分布线（阻抗 100 Ω），长度匹配误差≤3 mm，减少传输损耗。
• EMC 抑制 ：
  • 高压电源路径串联磁珠（如 100 Ω@100 MHz），抑制高频噪声；数字接口串联 22 Ω 匹配电阻（靠近引脚），减少信号反射与 EMI 辐射。
  • 热焊盘处理：FC-BGA 底部热焊盘需通过 4-6 个过孔连接至接地平面，增强散热，确保结温不超过 70°C（工作温度上限）。