MAX2079：低功耗高性能八通道超声接收器的卓越之选

在超声成像与声纳等领域，高性能、低功耗的超声接收器是系统设计的关键。今天要为大家详细介绍 Maxim Integrated 推出的 MAX2079 低功耗、高性能、完全集成的八通道超声接收器，它在高通道数的便携式和推车式超声系统中表现出色。

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一、产品概述

MAX2079 是一款高度集成的八通道超声接收器，专为高通道数、高性能的便携式和推车式超声系统优化设计。它集成了低噪声放大器（LNA）、可变增益放大器（VGA）、抗混叠滤波器（AAF）、模数转换器（ADC）和数字高通滤波器（HPF）等功能模块，能够以极小的空间和功耗实现高端 2D 和多普勒成像能力。

产品特性及优势

1. 极小的 PCB 面积与设计成本：采用小巧的 10mm x 10mm CTBGA 封装，集成了 8 个完整的通道，包含 LNA、VGA、AAF、12 位 ADC、数字 HPF 和 CWD 混频器波束形成器，大大节省了 PCB 空间和设计成本。
2. 卓越的系统灵敏度：在 (R{S}=R{IN}=200 Omega) 时，全通道噪声系数低至 2.8dB，有效提升系统灵敏度。
3. 出色的系统动态范围：在 2MHz 带宽内，图像路径信噪比（SNR）达到 76dBFS（(f{RF}=5 MHz)）；在距 (f{RF}=5MHz) 偏移 1kHz 处，图像路径信噪比达到 137dBFS/Hz，为高质量成像提供保障。
4. 超低功耗：在成像模式下，50Msps 时每个完整通道仅消耗 120mW 功率，非常适合便携式设备应用。
5. 灵活的输入阻抗匹配：提供 50Ω、100Ω、200Ω 和 1kΩ 可选的有源输入阻抗匹配，可根据不同的应用需求进行灵活配置。
6. 可编程功能：包括可编程 VGA 输出钳位、集成可选的 3 阶 9MHz、10MHz、15MHz 和 18MHz 巴特沃斯抗混叠滤波器、可编程数字高通 2 阶滤波器等，增加了设计的灵活性。
7. 快速恢复低功耗模式：恢复时间小于 2µs，能够在低功耗和高性能之间快速切换。
8. 独立通道 I/Q CWD 混频器：有助于改善动态范围和灵敏度，提升系统的多普勒性能。

二、产品核心参数剖析

（一）绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。MAX2079 的各种引脚电压、功耗、温度等参数都有明确的限制范围。例如，OUT+/-, SDIO 等引脚相对于地的电压范围为 -0.3V 到 (VOVDD + 0.3V) 和 +2.1V 中的较低值；连续功耗在 (T_{A}=+70^{circ} C) 时，144 - 凸点 CTBGA 封装为 3200mW（高于 +70°C 时需按 33.3mW/°C 降额）；工作外壳温度范围为 0°C 到 +70°C 等。在设计电路时，必须确保所有参数都在这些额定值范围内，否则可能会对器件造成永久性损坏。

（二）电气特性

1. DC 电气特性 - VGA 模式（CWD 波束形成器关闭）
   • 电源电压：3.3V 电源电压（(V{CC3})）范围为 3.13V 到 3.47V，5V 电源电压（(V{CC5})）范围为 4.5V 到 5.25V，1.8V 电源电压（(V_{CC1.8})，对应 AVDD 和 OVDD 引脚）范围为 1.7V 到 1.9V。
   • 电源电流：不同电源电压下每个通道的电源电流也有相应的典型值和最大值，如 3V 电源电流每通道典型值为 9.5mA，最大值为 16mA 等。
   • 直流功耗：每个通道的直流功耗典型值为 120mW（(V{GC+}-V{GC-}=-0.4V) 时）。
   • 其他参数：还包括外部参考电压范围、差分模拟控制电压范围等参数，这些参数对于保证器件的正常工作和性能至关重要。
2. AC 电气特性 - VGA 模式（CWD 波束形成器关闭）
   • ADC 相关参数：ADC 为 12 位，最小采样率为 25Msps，最大采样率为 50Msps。
   • 噪声系数：在不同的输入阻抗和增益控制电压下，噪声系数有所不同。例如，在高 LNA 增益下，(R{S}=R{IN}=200 Omega)，(V{GC+}-V{GC-}= +3V) 时，噪声系数为 2.8dB。
   • 增益相关参数：LNA 有低增益和高增益两种模式，对应的增益值不同；VGA 的增益范围可达 38.8dB，且增益响应时间在增益上升和下降时也有相应的典型值。
   • 其他参数：还包括 8 通道相关噪声功率、AA 滤波器 3dB 截止频率、数字高通滤波器 3dB 截止频率等参数，这些参数影响着系统的频率响应和信号处理能力。
3. DC 电气特性 - CWD 模式（VGA、AAF 和 ADC 关闭）
   • 混频器相关参数：混频器 LVDS LO 输入的共模电压、差分输入电压、输入电阻等都有特定的要求和典型值。
   • 电源电流和功耗：在全功率模式和低功率模式下，不同电源电压下每个通道的电源电流和片上功耗也有所不同，设计时可根据实际需求选择合适的工作模式。
4. AC 电气特性 - CWD 模式（VGA、AAF 和 ADC 关闭）
   • 混频器工作范围：混频器的 RF 频率范围为 0.9MHz 到 7.6MHz，LO 频率范围为 8.0MHz 到 60MHz，输出频率范围为 DC 到 100kHz。
   • 噪声和失真性能：在全功率模式和低功率模式下，噪声系数、SNR 和 IM3 失真等参数也有相应的表现，为评估系统的性能提供了参考。

（三）时钟和时序特性

MAX2079 的时钟输入支持差分模式和单端模式，每种模式下都有相应的电压、电阻、电容等参数要求。例如，差分时钟输入电压范围为 0.4V 到 2.0V (P - P)，自偏置时的共模电压为 1.2V 等。同时，在数字输入和输出方面，也有输入高、低阈值，输入泄漏电流、输入电容等参数，以及输出电压低、输出电压高等参数。此外，还规定了串行端口接口时序、LVDS 数字输出时序特性和 CWD LO 时序等，这些时序参数对于保证系统的同步和数据传输的准确性至关重要。

三、工作模式与功能详解

（一）工作模式控制

MAX2079 需要通过编程来设置工作模式，由 17 个 8 位寄存器（00h 到 10h）进行控制。这些寄存器可以控制不同的功能，如 PLL 采样率、电源管理、输出数据格式、数字高通滤波器等。

（二）各功能模块特点

1. 低噪声放大器（LNA）：每个 LNA 针对出色的动态范围和线性性能进行了优化，非常适合超声成像应用。在低增益模式下，输入电阻会增加约 2 倍，需要改变控制反馈电阻的开关。
2. 可变增益放大器（VGA）：为高线性度、高动态范围和低输出噪声性能进行了优化。VGA 增益可以通过差分增益控制输入（GC+ 和 GC -）进行调节，设置差分增益控制输入电压为 -3V 时为最小增益，+3V 时为最大增益。
3. 过载恢复：针对超声输入缓冲器成像应用中的大输入信号条件，进行了快速过载恢复优化。通过启用 ADC 内的数字 HPF 功能，可以消除设备中的动态或直流偏移，且不会降低 ADC 的动态范围。
4. 八通道连续波（CW）混频器：采用有源双平衡拓扑设计，具有高动态范围、高线性性能和极低的热噪声和抖动噪声，适合超声 CWD 信号接收。每个混频器可以编程为 16 个相位之一，通过设置位 (CW_SHDN_CHn) 可以将每个 CW 通道编程为关闭状态。
5. CW 混频器输出求和：八通道混频器阵列的输出在内部求和，产生总 CWD 波束形成信号。使用单个 8 x LO 高频主时钟，通过内部分频器将其分频到 CWD 频率，实现 CWD 波束形成。
6. LO 相位选择：LO 相位分频器可以通过移位寄存器进行编程，提供 16 个正交相位，以实现完整的 CW 波束形成解决方案。

（三）VGA 和 CW 混频器操作

在正常操作中，设备可以配置为 VGA 路径启用而混频器阵列断电（VGA 模式），或者正交混频器阵列启用而 VGA 路径断电（CW 模式）。通过设置 CWD 的逻辑高或低来选择相应的模式。

（四）外部电压参考和 ADC 时钟输入

需要连接一个外部低噪声 +2.5V 参考到 VREF 引脚，并使用 0.1µF 电容器尽可能靠近设备进行旁路。设备噪声性能取决于 VREF 处的外部噪声。ADC 时钟输入接口灵活，支持全差分时钟或单端逻辑电平时钟，输入采样频率范围为 25MHz 到 50MHz。

（五）电源管理

SHDN 输入用于在两种电源管理状态之间切换，通过 PLL 采样率和电源管理寄存器（00h）以及通道电源管理寄存器（05h 和 06h）可以完全定义每个电源管理状态。设备提供了睡眠模式和小憩模式（Nap mode）等低功耗模式，在不同模式下，设备的功耗和唤醒时间有所不同。

（六）可编程数字高通 2 阶滤波器

该数字 HPF 由两个相同的一阶高通 IIR 滤波器部分级联实现，其 3dB 截止频率由滤波器系数（R）确定。每个部分可以独立编程为 10 种可能的值之一或旁路模式。同时，滤波器会提供一个小信号增益，通过在滤波器输出端加入粗数字乘法器可以部分补偿数字滤波器增益。

四、系统设计关键要点

（一）系统时序要求

了解模拟输入、输入时钟、帧对齐输出、串行时钟输出和串行数据输出之间的关系对于系统设计至关重要。差分 ADC 输入信号在施加的时钟信号（CLKIN +, CLKIN -）的上升沿采样，结果数据在 10.5 个时钟周期后出现在数字输出端。

（二）时钟输出和帧对齐输出

ADC 提供差分时钟输出（CLKOUT +, CLKOUT -），其频率是输入时钟频率的 6 倍，并且可以通过输出数据格式和测试模式/数字 HPF 选择寄存器（01h）调整时钟输出相对于输出数据帧的相位。帧对齐输出（FRAME +, FRAME -）的上升沿对应 12 位串行数据流的第一位，其频率与输入时钟频率相同，但占空比会根据输入时钟频率而变化。

（三）串行输出数据和差分 LVDS 数字输出

ADC 通过差分输出（OUT +, OUT -）提供转换结果，结果在采样后 10.5 个输入时钟周期有效。输出数据默认以 LSB 优先的偏移二进制格式传输，但可以通过输出数据格式和测试模式/数字 HPF 选择寄存器（01h）进行定制。LVDS 输出具有灵活的编程选项，包括输出共模电压、输出驱动电流和内部终端等。

（四）3 线串行外设接口（SPI）

MAX2079 作为从设备，通过 3 线 SPI 接口与主设备进行数据收发。主设备必须发起所有数据传输，使用有源低电平的 SPI 芯片选择输入（CS）来启用通信，通过外部生成的 SPI 时钟输入（SCLK）控制时序，所有数据通过双向 SPI 数据线（SDIO）发送和接收。

五、应用与订购信息

（一）应用领域

MAX2079 主要应用于医疗超声成像和声纳领域，其高性能和低功耗的特点使其能够满足这些领域对设备小型化、高灵敏度和高动态范围的要求。

（二）订购信息

提供了不同型号的产品，如 MAX2079CXE + 和 MAX2079CXE + T，温度范围为 0°C 到 +70°C，采用 144 CTBGA 封装。同时，还提供了最新的封装轮廓信息和焊盘图案的获取途径。

综上所述，MAX2079 是一款功能强大、性能卓越的八通道超声接收器，在超声成像和声纳等领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计相关系统时，可以充分利用其丰富的功能和灵活的配置选项，实现高性能、低功耗的设计目标。