AFE5807 超声模拟前端技术文档总结

该AFE5807是一种集成的模拟前端（AFE）解决方案，专为 需要高性能和小型体积的超声系统。AFE5807积分了 完整的时间增益控制（TGC）成像路径和连续波多普勒（CWD）路径。它还 允许用户选择多种功率/噪声组合之一，以优化系统性能。 因此，AFE5807不仅适用于高端，是超声模拟前端的合适解决方案 系统，也适用于便携式系统。
*附件：afe5807.pdf

该AFE5807包含八个12位电压控制放大器（VCA）通道 模拟转数字转换器（ADC）和CW混频器。VCA包括低噪声放大器（LNA）， 电压控制衰减器（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250 mVPP到1 VPP输入信号。可编程主动终端也由 LNA。超低噪声VCAT提供40 dB的衰减控制范围，整体性能有所提升 低增益信噪比，有利于谐波成像和近场成像。PGA提供增益选项 分别为24 dB和30 dB。在ADC之前，LPF可以配置为10 MHz、15 MHz、20 MHz或30 MHz 支持不同频率的超声应用。高性能12位/80 MSPS ADC AFE5807中实现了70 dBFS的信噪比。它确保在低链增益下获得优异的信噪比。ADC的LVDS 输出支持微型化系统所需的灵活系统集成。AFE5807 集成了低功耗无源混频器和低噪声加总放大器，实现片上CWD 光束成形器。每个模拟输入信号可施加16个可选相位延迟。与此同时 独特3^RD^以及5^th^有序谐波抑制 滤波器旨在增强连续波的灵敏度。

该AFE5807提供15毫米×9毫米、135针BGA封装，规格如下： 作范围为0°C至85°C。 它还与AFE5808、AFE5803和AFE5808A兼容针到针。 此外，AFE5809 也是该系列中另一具增强数字解调功能的成员。

特性

• 8通道完整模拟前端
  • LNA、VCAT、PGA、LPF、
    ADC和CW混音器
• 可编程增益低噪声放大器（LNA）
  • 24/18/12 dBGain
  • 0.25/0.5/1 VPP线性输入范围
  • 0.63/0.7/0.9 nV/rtHz IRN（低噪声模式）
  • 0.99/1.0/1.05 nV/rtHz IRN（低功耗模式）
  • 可编程主动终端
• 40 dB 低噪声电压控制衰减器（VCAT）
• 24/30 dB 可编程增益放大器（PGA）
• 3^RD^有序线性相位低通滤波器（LPF）
  • 10、15、20、30 MHz
• 12位模拟转数字转换器（ADC）
  • 70 dBFS 信噪比，80 MSPS
  • LVDS输出
• 噪声/功耗优化（全链）
  • 117 mW/CH，功率1.05 nV/rtHz，80 MSPS
  • 159 mW/CH，功率为0.75 nV/rtHz，80 MSPS
  • 连续波模式下80毫瓦/CH
• 卓越的设备间增益匹配
  • ±0.5 dB（典型）和±1 dB（最大）
• 低谐波失真
• 快速且持续的过载恢复
• 连续波多普勒（CWD）被动混频器
  • 低近相位噪声 – 1 KHz
    时156 dBc/Hz，从2.5 MHz载波起
  • 相位分辨率为1/16和lamba;
  • 支持16X、8X、4X和1X连续时钟
  • 3档12dB抑制^RD^以及5^th^谐波
  • 柔性输入时钟
• 小封装：15毫米×9毫米，135-BGA
• 应用
  • 医学超声成像
  • 无损评估设备

参数

方框图

AFE5807 是德州仪器（TI）推出的全集成 8 通道超声模拟前端（AFE），专为医疗超声成像和无损检测设备设计，集成低噪声放大器、压控衰减器、可编程增益放大器、低通滤波器、ADC 及 CW 混频器，支持时间增益控制（TGC）成像和连续波多普勒（CWD）两种工作模式，凭借低噪声、高采样率及灵活的功率优化特性，适配从便携式到高端超声系统的各类需求。

一、芯片基础信息与核心特性

1. 基础规格

• 型号与定位 ：文档编号 SLOS703C，初始发布于 2010 年 9 月，2013 年 5 月修订，与 AFE5803/AFE5808/AFE5808A 引脚兼容，AFE5809 为其增强数字解调版本。
• 供电与温度 ：模拟电源 3.15V-3.6V（AVDD）、4.75V-5.5V（AVDD_5V），ADC 模拟电源 1.7V-1.9V（AVDD_ADC），数字电源 1.7V-1.9V（DVDD）；工作温度 0°C 至 85°C，存储温度 - 55°C 至 150°C。
• 封装形式 ：135 引脚 15mm×9mm BGA 封装（型号 ZCF），底部带热焊盘，结到环境热阻 34.1°C/W，适配高密度 PCB 布局。

2. 核心性能指标

• 信号链性能 ：LNA 增益可编程为 12/18/24 dB，输入参考噪声低至 0.63 nV/√Hz（低噪声模式）；40 dB 压控衰减器（VCAT）实现线性衰减；PGA 增益可选 24/30 dB；3 阶低通滤波器（LPF）带宽可配置为 10/15/20/30 MHz。
• ADC 性能 ：12 位分辨率，最高采样率 80 MSPS，SNR 达 70 dBFS，无失码；支持 10/12/14/16 位 LVDS 输出格式，通道间增益匹配典型值 ±0.5 dB，最大 ±1 dB。
• CW 模式性能 ：集成无源 CW 混频器和求和放大器，支持 16X/8X/4X/1X 时钟模式，相位分辨率 1/16λ（22.5° 步进）；1 kHz 偏移处相位噪声低至 - 156 dBc/Hz，3 次和 5 次谐波抑制达 12 dB 以上。
• 功耗优化 ：支持低噪声、中等功率、低功率三种模式，TGC 模式每通道功耗 80 mW-159.5 mW，CW 模式低至 80 mW / 通道；支持部分 / 完全掉电模式，掉电功耗仅 0.6 mW / 通道。

二、关键功能模块与工作原理

1. 核心功能模块

• TGC 成像路径 ：每通道包含 LNA（低噪声放大）→VCAT（压控衰减，0~-40 dB）→PGA（可编程增益）→LPF（抗混叠滤波）→ADC（模数转换）流程，通过 VCNTL 引脚的差分电压控制衰减量，实现动态增益调整。
• CWD 路径 ：集成 8 通道无源混频器和低噪声求和放大器，支持 16 级相位延迟调整（0°-337.5°，步长 22.5°），可实现多通道信号相干叠加，适配超声多普勒血流检测需求。
• ADC 与数字接口 ：12 位 ADC 支持 10-80 MSPS 采样率，LVDS 输出格式（帧时钟 1X、位时钟 6X/7X），数据分辨率可配置为 10/12/14/16 位；支持数字高通滤波、偏移校正和数字增益调整（0 dB-6 dB，步长 0.2 dB）。
• 灵活控制 ：通过 SPI 接口（SEN/SCLK/SDATA/SDOUT）配置寄存器，支持单通道独立增益控制、有源终端阻抗编程（50/100/200/400 Ω）及多芯片同步。

2. 工作模式与功率管理

• 双工作模式 ：TGC 模式用于超声成像，支持快速增益切换（响应时间 1.5 μs）；CW 模式用于多普勒检测，可关闭冗余模块降低功耗。
• 功率优化 ：支持部分掉电（快速唤醒，响应时间 2 μs）和完全掉电（最低功耗），可通过引脚或寄存器独立控制 LNA、VCAT、PGA、ADC 的电源状态，适配低功耗场景。

三、应用场景与设计建议

1. 典型应用

• 医疗超声 ：超声诊断设备的信号接收前端，支持 B 超、彩色多普勒、连续波多普勒等多种成像模式。
• 无损检测 ：工业无损检测设备的超声信号采集与处理，适配高分辨率检测需求。

2. 设计注意事项

• 电源与接地 ：模拟地（AVSS）与数字地（DVSS）需共地且电位差控制在 0.3V 内；各电源引脚就近并联 0.1 μF 去耦电容，AVDD_5V、AVDD 等主电源需额外并联 10 μF 大电容，降低电源噪声。
• 信号匹配 ：LNA 输入需 AC 耦合（推荐 0.1 μF 电容），INM 引脚需并联≥15 nF 旁路电容设定高通滤波截止频率；LVDS 输出需匹配 100 Ω 差分阻抗，走线长度差异控制在 3.81 mm 内。
• ESD 防护 ：芯片 ESD 额定值为人体放电模型（HBM）2000 V、带电器件模型（CDM）500 V，PCB 设计需加入 ESD 防护元件，操作时避免静电损坏。
• 时钟设计 ：ADC 和 CW 时钟推荐使用低抖动时钟源（如 LMK048X/CDCM7005），差分时钟幅度建议≥0.7 Vpp，确保低相位噪声和采样稳定性。

四、关键寄存器与配置要点

1. 核心寄存器功能

• VCA 配置 ：通过 Reg52 [14:13] 设置 LNA 增益，Reg51 [3:1] 配置 LPF 带宽，Reg52 [7:6] 选择有源终端阻抗，Reg53 [11:10] 切换功率模式。
• ADC 配置 ：Reg4 [2:0] 选择输出分辨率，Reg2 [12] 开启低延迟模式（8 个时钟周期），Reg3 [14:13] 配置 LVDS 序列化速率。
• CW 模式配置 ：Reg54 [11:10] 选择 CW 时钟模式（16X/8X/4X/1X），Reg55/56 配置各通道混频器相位延迟，Reg54 [4:0] 设定求和放大器反馈电阻。