AFE5803 8 通道超声模拟前端总结

该AFE5803是一种高度集成的模拟前端 （AFE） 解决方案，专为需要高性能和小尺寸的超声系统而设计。该AFE5803集成了完整的时间增益控制 （TGC） 成像路径。它还使用户能够选择各种功率/噪声组合之一，以优化系统性能。因此，AFE5803是便携式系统适用的超声模拟前端解决方案。
*附件：afe5803.pdf

该AFE5803包含八通道压控放大器 （VCA）、14/12 位模数转换器 （ADC）。VCA 包括低噪声放大器 （LNA）、压控衰减器 （VCAT）、可编程增益放大器 （PGA） 和低通滤波器 （LPF）。LNA 增益可编程以支持 250 mV聚丙烯至 1 V聚丙烯输入信号。LNA 还支持可编程有源端接。超低噪声VCAT提供40 dB的衰减控制范围，并提高了整体低增益信噪比，有利于谐波成像和近场成像。PGA 提供 24 dB 和 30 dB 的增益选项。在 ADC 之前，LPF 可以配置为 10 MHz、15 MHz、20 MHz 或 30 MHz，以支持不同频率的超声应用。AFE5803中的高性能14bit/65 MSPS ADC可实现77dBFS SNR。它确保在低链增益下实现出色的信噪比。ADC的LVDS输出可实现小型化系统所需的灵活系统集成。

该AFE5803采用 15mm × 9mm 135 引脚 BGA 封装，额定工作温度范围为 0°C 至 85°C。 它还与AFE5807、AFE5808和AFE5808A引脚兼容。

特性

• 8通道完整模拟前端
  • LNA、VCAT、PGA、LPF、ADC
• 可编程增益低噪声放大器 （LNA）
  • 24/18/12 dB增益
  • 0.25/0.5/1 伏聚丙烯线性输入范围
  • 0.63/0.7/0.9 nV/rtHz 输入参考噪声
  • 可编程有源端接
• 40 dB低噪声压控衰减器（VCAT）
• 24/30 dB可编程增益放大器（PGA）
• 3^RD^订购线性相位低通滤波器 （LPF）
  • 10、15、20、30 兆赫
• 14位模数转换器（ADC）
  • 65 MSPS 时为 77 dBFS 信噪比
  • LVDS输出
• 噪声/功耗优化（全链）
  • 158 mW/CH，0.75 nV/rtHz，65 MSPS
  • 1.1 nV/rtHz时为101 mW/CH，40 MSPS
• 出色的器件间增益匹配
  • ±0.5 dB（典型值）和 ±0.9 dB（最大值）
• 低谐波失真
• 快速一致的过载恢复
• 小型封装：15 mm x 9 mm，135-BGA

参数

方框图

AFE5803 是德州仪器（TI）推出的高集成度超声模拟前端（AFE），核心优势为 8 通道并行采集、低噪声、高采样率与完整信号调理链，专为医疗超声成像、无损检测设备设计，文档版本为 SLOS763A，发布于 2012 年 1 月，采用 15mm×9mm 135 引脚 BGA 封装，工作温度范围 0°C 至 85°C，与 AFE5807/5808/5808A 引脚兼容，适配便携式与高端超声系统。

一、核心参数与性能特性

1. 基础规格

• 信号调理性能 ：每通道集成 LNA、VCAT、PGA、3 阶 LPF 与 ADC；LNA 增益可编程（12/18/24 dB），输入参考噪声低至 0.63 nV/rtHz（24 dB 增益）；VCAT 提供 40 dB 衰减调节，PGA 增益可选 24/30 dB；LPF 带宽可编程（10/15/20/30 MHz），适配不同超声频率需求。
• ADC 性能 ：14 位分辨率，采样率 10 MSPS-65 MSPS；65 MSPS 时 SNR 达 77 dBFS，THD≤-55 dBc，无丢失码；通道间增益匹配 ±0.25 dB（典型）、器件间 ±0.5 dB（典型），保证多通道一致性。
• 接口与控制 ：LVDS 差分输出（支持 12/14/16 位格式），数据速率最高 910 Mbps（14 位 65 MSPS）；SPI 串行接口（SCLK 最高 20 MHz）用于配置寄存器；支持单端 / 差分时钟输入，时钟抖动 450 fs rms，保证采样精度。

2. 供电与功耗

• 供电范围 ：模拟电源（AVDD）3.15 V-3.6 V，5V 模拟电源（AVDD_5V）4.75 V-5.5 V；ADC 模拟电源（AVDD_ADC）1.7 V-1.9 V，数字电源（DVDD）1.7 V-1.9 V，支持多电源域独立供电。
• 功耗表现 ：低噪声模式下每通道 158 mW（65 MSPS），低功耗模式下 101.5 mW（40 MSPS）；掉电模式功耗低至 0.6 mW / 通道，支持快速上电 / 掉电切换（响应时间≤2.5 ms），适配脉冲工作模式的超声系统。

3. 集成功能特性

• 灵活输入配置 ：支持可编程有源终端（50/100/200/400 Ω 预设，可自定义阻抗）；输入线性范围 250 mVPP-1 VPP（随 LNA 增益变化），内置输入钳位电路，过载恢复快速稳定。
• 信号增强功能 ：内置数字高通滤波器（HPF），截止频率可调（50 kHz-200 kHz）；支持通道平均、数字增益（0-6 dB，0.2 dB 步进）与偏移校正，优化信号质量；VCAT 支持模拟 / 数字双控制模式，数字模式抑制控制噪声，提升多普勒性能。
• 辅助功能 ：内置 1.5 V/0.5 V 参考源（支持外部 1.4 V 参考输入）；支持单通道 / 多通道独立掉电，寄存器配置断电保持；集成测试模式（信号发生器、斜坡 / 固定码输出），便于系统调试。

4. 封装与环境适应性

• 封装类型 ：135 引脚 BGA 封装（15mm×9mm），结到环境热阻 34.1 °C/W，结到板热阻 11.5 °C/W，暴露热焊盘需接地优化散热，适配高密度 PCB 布局。
• 可靠性 ：ESD 防护（HBM ±2000 V、CDM ±500 V）；存储温度范围 - 55°C 至 150°C，最大结温 105°C，满足医疗设备长期稳定运行需求。

二、工作模式与功能原理

1. 核心架构

采用 “LNA→VCAT→PGA→LPF→ADC→LVDS 输出” 全链路信号调理架构，每通道独立配置；通过 SPI 接口控制寄存器（ADC 寄存器 + VCA 寄存器），实现增益、带宽、电源模式等参数调节；支持多通道同步采样，时钟树网络保证通道间采样延迟一致性。

2. 主要工作模式

模式	核心配置	关键参数	适用场景
正常工作模式	全链路使能，按需配置增益 / 带宽	采样率 10-65 MSPS，低噪声 / 中 / 低功耗可选	超声成像、连续数据采集
部分掉电模式	PDN_VCA/PDN_ADC 置高，保留参考电路	功耗 26 mW / 通道，唤醒时间≤2.5 ms	脉冲重复频率（PRF）低的场景
完全掉电模式	PDN_GLOBAL 置高，全电路断电	功耗 0.6 mW / 通道，唤醒时间 2.5 ms	长时间无采样需求场景
测试模式	寄存器配置测试图案输出	支持斜坡 / 全 0 / 全 1 / 自定义图案	系统调试、链路验证

3. 关键功能细节

• 时间增益控制（TGC） ：通过 VCAT 的模拟控制电压（VCNTL）或数字寄存器实现 40 dB 增益动态调节，响应时间≤1.5 μs，适配超声远近场信号强度差异补偿。
• 多功耗模式 ：低噪声模式优化噪声性能（0.75 nV/rtHz），低功耗模式优先降低功耗（1.1 nV/rtHz），用户可根据系统需求权衡噪声与功耗。
• LVDS 输出灵活配置 ：支持 12 位（截尾）、14 位、16 位（补零）格式，帧时钟（1X）与位时钟（7X/6X/8X）同步输出，便于 FPGA/ASIC 数据采集。

三、应用场景与设计建议

1. 典型应用领域

• 医疗超声成像设备（B 超、多普勒超声）、工业无损检测设备（材料缺陷检测）、高精度多通道数据采集系统。

2. 设计关键要点

• 电源设计 ：多电源域独立供电，每路电源就近并联 0.1 μF 陶瓷电容与 10 μF 钽电容滤波；AVSS 与 DVSS 单点接地，避免数字噪声串扰模拟电路；CM_BYP、VHIGH 引脚需≥1 μF 电容 decoupling，抑制低频噪声。
• 输入与时钟设计 ：模拟输入通过 0.1 μF 电容 AC 耦合，INM 引脚并联 15 nF 电容设置 HPF 截止频率；有源终端需外接 1 μF 反馈电容；时钟采用低抖动源（如 CDCE72010），差分时钟 AC 耦合输入，单端时钟需将 CLKM 接地。
• 布局与散热 ：模拟信号路径远离数字电路，LVDS 信号线等长布线（长度差≤3.81 mm），控制阻抗匹配；热焊盘充分接地，避免高温区域靠近模拟电路；电源平面分区设计，减少模拟 / 数字电源相互干扰。
• 掉电管理 ：根据 PRF 动态切换部分掉电 / 正常模式，降低平均功耗；掉电前保存寄存器配置，唤醒后快速恢复，避免重复初始化。