AFE58JD18 16 通道超声模拟前端技术文档总结

该AFE58JD18是高度集成的模拟前端 （AFE） 解决方案，专门用于 专为需要高性能和小尺寸的超声系统而设计。

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AFE58JD18共有 16 个通道，每个通道由一个 压控放大器 （VCA），同步采样 14 位和 12 位模数 转换器 （ADC） 和连续波 （CW） 混频器。VCA 包括一个低噪声放大器 （LNA）、一个 压控衰减器（VCAT）、可编程增益放大器（PGA）和低通滤波器 （LPF）。LNA 增益可编程，支持 250mV聚丙烯自 1V聚丙烯输入信号和可编程有源终端。超低噪音 VCAT提供40 dB的衰减控制范围，并改善整体低增益信噪比，从而 有利于谐波和近场成像。PGA 提供 24 dB 和 30 dB 的增益选项。在 ADC的正面，LPF可以配置为10 MHz、15 MHz、20 MHz、 30 MHz、35 MHz 或 50 MHz，支持不同 频率。

该AFE58JD18还集成了低功耗无源混频器和低噪声求和放大器 创建片上 CWD 波束形成器。每个模拟输入可选择 16 个相位延迟 信号。此外，还实现了独特的三阶和五阶谐波抑制滤波器，以 增强 CW 灵敏度

高性能14位ADC可实现75 dBFS SNR。该ADC确保在 低链增益。该器件可以以 65 MSPS 和 80 MSPS 的最大速度运行，提供 14 位 和 12 位输出。

ADC 低压差分信号 （LVDS） 输出支持灵活的系统 小型化系统所需的集成。

该AFE58JD18还包括一个可选的数字解调器和JESD204B数据 12位或14位ADC之后的封装块。数字同相和正交 （I/Q） 解调器 通过可编程小数抽取滤波器，可加速计算密集型算法 低功耗。运行速度高达 5 Gbps 的JESD204B接口进一步减少了电路板布线 高通道数系统面临的挑战。

该AFE58JD18还允许选择各种功率和噪声组合进行优化 系统性能。因此，AFE58JD18是适合两者的超声AFE解决方案 高端和便携式系统。

该AFE58JD18采用 15 毫米× 15 毫米 NFBGA-289 封装（ZBV 封装、 S-PBGA-N289），并指定工作温度范围为 –40°C 至 85°C。 器件引脚排列也类似 到AFE5816设备 家庭。

特性

• 16 通道、完整的模拟前端 （AFE）：
  • LNA、VCAT、PGA、LPF、ADC和CW混频器
• 具有可编程增益的 LNA：
  • 增益：24 dB、18 dB 和 12 dB
  • 线性输入范围：0.25 V 聚丙烯 ， 0.5 伏聚丙烯和 1 V聚丙烯
  • 参考输入噪声：
    0.63 nV/√Hz、0.7 nV/√Hz 和 0.9 nV/√Hz
  • 可编程有源端接
• 压控衰减器 （VCAT）：40 dB
• 可编程增益放大器（PGA）：
  24 dB和30 dB
• 总信号链增益：54 dB（最大值）
• 三阶线性相位LPF：
  • 10 MHz、15 MHz、20 MHz、30 MHz、35 MHz
    和 50 MHz
• 模数转换器 （ADC）：
  • 14位ADC：65 MSPS时为75 dBFS SNR
  • 12位ADC：80 MSPS时为72 dBFS SNR
• LVDS 接口最大速度为 1 Gbps
• 噪声和功耗优化（全通道）：
  • 140 mW/Ch，0.75 nV/√Hz，65 MSPS
  • 91.5 mW/Ch，1.1 nV/√Hz，40 MSPS
  • CW 模式下为 80 mW/Ch
• 出色的器件间增益匹配：
  • ±0.5 dB（典型值）和 ±1.1 dB（最大值）
• 低谐波失真
• 快速一致的过载恢复
• CWD 无源混合器：
  • 低近相位噪声：
    –156 dBc/Hz（1 kHz 时，2.5 MHz 载波）
  • 相位分辨率：λ / 16
  • 支持 16X、8X、4X 和 1X CW 时钟
  • CWD 高通滤波器可抑制 1 kHz <不需要的低
    频信号
• 数字功能：
  • ADC后的数字I/Q解调器：
    • 分数抽取滤波器 M = 1 至
      63，增量步长为 0.25 倍
    • 抽取后
      数据吞吐量降低
    • 片上 RAM，具有 32 个预设配置文件
• 5 Gbps JESD 接口：
  • JESD204B 0、1 和 2 子类
  • 每个 JESD 通道 2、4 或 8 个通道
• 小封装：15 mm × 15 mm NFBGA-289

参数

方框图

AFE58JD18 是德州仪器专为超声系统打造的高集成度模拟前端（AFE），核心优势是 16 通道并行采集、宽增益范围（最大 54 dB）、双分辨率 ADC 配置及低相位噪声 CW 模式，搭配 LVDS/JESD204B 双输出接口，适用于医疗超声成像、无损检测、声纳成像等对性能与集成度要求严苛的多通道数据采集场景。

一、核心性能与定位

• 通道与信号调理 ：16 通道完整信号链，每通道集成低噪声放大器（LNA）、压控衰减器（VCAT）、可编程增益放大器（PGA）及 3 阶低通滤波器（LPF），总增益最高 54 dB，适配不同超声信号衰减补偿需求。
• ADC 性能 ：支持可编程分辨率，14 位模式下采样率 65 MSPS、SNR 75 dBFS；12 位模式下采样率 80 MSPS、SNR 72 dBFS；谐波失真低，过载恢复快速且稳定，保障信号采集完整性。
• 噪声与功耗 ：LNA 输入参考噪声低至 0.63 nV/√Hz（24 dB 增益时），线性输入范围可选 0.25 VPP/0.5 VPP/1 VPP；65 MSPS 时功耗 140 mW / 通道，40 MSPS 时低至 91.5 mW / 通道，CW 模式下 80 mW / 通道，平衡性能与功耗。
• 接口与环境 ：支持 LVDS（最高 1 Gbps）和 JESD204B 接口（最高 5 Gbps，子类 0/1/2），单 lane 可承载 2/4/8 通道数据；工作温度 -40°C~85°C，满足工业与医疗严苛环境要求。

二、关键功能与硬件特性

1. 集成功能模块

• 灵活信号调理：LNA 增益可选 12 dB/18 dB/24 dB，VCAT 提供 40 dB 衰减范围，PGA 支持 24 dB/30 dB 增益，可精准匹配不同超声探头灵敏度；LPF cutoff 可选 10/15/20/30/35/50 MHz，适配宽频率范围超声应用。
• CW 模式优化：内置无源混频器与 16 相位发生器，支持 1X/4X/8X/16X CW 时钟模式，近载相位噪声低至 -156 dBc/Hz（1 kHz 偏移，2.5 MHz 载波），相位分辨率 λ/16；集成 3/5 次谐波抑制滤波器及 <1 kHz 高通滤波器，提升 CW 多普勒测量灵敏度。
• 数字处理与存储：集成数字 I/Q 解调器、分数抽取滤波器（M=1~63，0.25 增量步进），降低后端数据吞吐量；片上 RAM 存储 32 组预设配置文件，支持快速模式切换，适配多场景应用。
• 一致性与集成：通道间增益匹配典型值 ±0.5 dB、最大值 ±1.1 dB，保证多通道采集一致性；采用 15 mm×15 mm NFBGA-289 封装，引脚布局兼容 AFE5816 系列，便于系统升级与替换。

2. 工作模式

• 脉冲成像模式（TGC 模式）：通过 VCAT 与 PGA 实现动态增益补偿，抵消超声信号传播衰减，搭配 LPF 滤除高频噪声，提升深部组织成像质量。
• 连续波模式（CW 模式）：针对多普勒血流测量，内置片上波束形成器，16 级相位延迟可实现信号相位校准与叠加，低相位噪声特性保障血流速度测量精度。
• 低功耗模式：ADC 采样率可动态调整，功耗随速率同步优化，非工作时段支持快速掉电（PDN_FAST）与全局掉电（PDN_GBL），适配便携式设备续航需求。
• 校准模式：支持通道增益与相位校准，通过 SPI 接口配置参数，优化多通道一致性，提升成像均匀性。

3. 接口与封装

• 数据接口：LVDS 接口支持点对点高速传输，适配低成本 FPGA；JESD204B 接口减少布线复杂度，5 Gbps 速率降低高通道数系统的板级设计难度。
• 控制接口：通过 SPI 接口（SDIN/SDOUT/SCLK/SEN）配置工作模式、增益、滤波器参数及 ADC 分辨率，支持外部同步（SYNC）与复位（RESET）控制。
• 封装选项：仅提供 NFBGA-289 封装（15 mm×15 mm），焊球材质为 SNAGCU，符合 RoHS 标准，MSL 等级 3（260°C 回流，168 小时）。

三、典型应用场景

• 医疗超声成像：腹部、心血管、产科等超声诊断设备的多通道信号采集；
• 无损检测设备：工业材料缺陷检测、航空航天结构完整性评估；
• 声纳成像：水下目标探测、海洋测绘、水下通信等声纳系统；
• 多通道高速数据采集：其他需要宽增益、低噪声、高集成度的多通道信号调理与数字化场景。

四、设计关键要点

1. 供电与去耦 ：需按推荐电源轨（1.2 V/1.8 V/3.3 V/5 V）供电，每个通道电源引脚就近配置低 ESR 去耦电容，减少电源噪声耦合，保障低噪声性能。
2. 阻抗匹配：LNA 支持可编程有源端接，需匹配超声探头阻抗（50 Ω 左右）；JESD204B 接口 lane 需做 100 Ω 差分阻抗匹配，优化高速传输完整性。
3. 时序同步：多通道或多芯片工作时，通过 JESD204B 接口的 SYSREF 信号实现同步，确保通道间相位一致性，提升成像或检测精度。
4. 散热设计：16 通道并行工作时需合理规划 PCB 散热路径，封装底部热焊盘需可靠接地，避免高温影响性能稳定性。