超声衰减补偿的典型应用电路设计与实现

　　AD604是一款超低噪声、极高、双通道、线性dB可变增益放大器（VGA），针对超声应用中基于时间的可变增益控制进行了优化，但同样支持任何要求低噪声、宽带宽、可变增益控制的应用。AD604的每个通道均提供300 k?输入电阻和单极性增益控制，使用方便。用户自定义的增益范围、增益调整比例（dB/V）和输出直流电平转换则使性能进一步得到优化。

　　AD604的每个通道均采用高性能前置放大器，折合到输入端的噪声电压为0.8 nV/√Hz。借助差分输入指数放大器（DSX-AMP）架构，AD604可实现极高的线性dB响应。每个DSX-AMP均内置6.908 dB至48.36 dB可变衰减器，后接高速固定增益放大器。该衰减器为7级R-1.5R梯形网络。

　　线性dB增益响应的方程式为：

　　G（dB） = （增益调整比例 （dB/V） × VGN （V））

　　+ （前置放大器增益 （dB） – 19 dB）

　　5和10之间的前置放大器增益（14 dB和20 dB）），使每通道的总增益范围为0 dB至48 dB和6 dB至54 dB。通过旁路第二通道的前置放大器，便可以将AD604的两个通道级联起来，以提供更高的增益范围。不过，在多通道系统中，将AD604与AD60x VGA系列中不包含前置放大器的其它器件级联起来，则可以提供更有效的解决方案。AD604提供对前置放大器输出的访问，从而可以在前置放大器与差分衰减器级之间进行外部滤波。

　　注意，比例因子可达40 dB/V,但比例因子超过30 dB/V时会降低。比例因子为20 dB/V时，增益线性dB调整的控制电压（VGN）范围为0.4 V至2.4 V。如果高于或低于此增益控制范围，增益就会偏离理想的线性dB控制法则。0.1 V以下的增益控制区域不用于增益控制。事实上，当增益控制电压小于50 mV时，放大器通道进入省电模式，功耗为1.9 mA。

　　AD604采用24引脚SSOP、SOIC和PDIP封装，保证工作温度范围为？40°C至+85°C。

　　AD604是Analog Devices（AD公司）的产品。和同类产品相比，AD604具有超低噪声、高、增益连续可调，且增益的分贝（dB）数和增益的控制电压成正比的特点。而医用超声仪器的时间增益控制（TGC）电路要求其增益与控制电压呈指数关系，也就是增益的分贝（dB）数和控制电压成线性关系。因此，在这方面， AD604是一个理想的超声TGC放大器，它能有效减小送入A／D转换器的信号动态范围。AD604的主要特点如下：

　　●具有超低的输入噪声，在增益时，其电压

　　和电流噪声分别为

　　●带宽为40MHz（－3dB）；

　　●具有两个独立的增益通道，并且增益的分贝（dB）数和增益控制电压成正比；

　　●每个通道的增益均可程控。在前置放大14 dB时，增益可在0～＋48dB之间调整；而在前置放大20dB时，增益在＋6～＋54dB之间可调；

　　●具有300kΩ输入电阻；

　　●可变增益范围为20～40dB／V；

　　●在温度和供电电压发生变化时，其增益非常稳定；

　　●可进行单端单极性增益控制；

　　●当增益超出端极，电源会自动断电；

　　●可直接驱动A／D转换器。

　　1 引脚功能

　　AD604采用24脚封装，并有DIP、SSOP和SOIC三种封装形式，其管脚排列如图1所示。各引脚的功能说明如下：

　　PAI1／PAI2：前置放大器正输入；

　　PAO1／PAO2：前置放大器输出；

　　FBK1／FBK2：前置放大器反馈端；

　　COM1／COM2：信号地；当其接正电源时，前置放大器通道被关闭；

　　－DSX1／－DSX2：微分衰减器信号输入负端；

　　＋DSX1／＋DSX2：微分衰减器信号输入正端；

　　VGN1／VGN2：增益控制输入端以及电源关闭端。接地时，该衰减通道被关闭；否则随着正电压的增加，增益将逐渐增加；

　　VREF：两个通道的增益控制档。当其电压为＋2.5V时，增益为20dB／V，而当电压为＋1.67V时，增益为30dB／V；

　　VOCM：输出信号的共模信号控制端。用以确定这部分电路中直流信号的中值电压；

　　OUT1／OUT2：信号输出端；

　　VPOS／VNEG：接正／负电源；

　　GND1／GND2：接地端。

　　2 内部结构及工作原理

　　AD604是一个双通道可变增益放大器。它的每一个通道都是由一个低噪声前置放大器和一个可变增益放大器（XAMP）组成。同时XAMP又由一个高受控微分衰减器、一个增益控制单元、一个固定增益反馈放大器及一个由分立元件R3、 R4组成的VOCM共模电压控制单元组成。其原理如图2所示。AD604的每一个通道都可提供一个范围为48dB的可变增益。

　　2.1前置放大器

　　AD604的每一个通道都有一个高性能的前置放大器，通过反馈回路上的一个外部电阻可将放大倍数控制在＋14dB～＋20dB。前置放大器的内部电路如图3所示。其中R5、R6、R7是前置放大器的增益控制电阻。具体增益的大小可通过FBK1和PAO1之间的电阻来确定。

　　2.2微分梯形网络（衰减器）

　　前置放大的输出可作为指数放大器的微分输入以获得分贝线性的增益。这个衰减器是由一个7阶的R－1.5R梯形网络实现的。每一阶的衰减为6.908dB，因此总的衰减为48.356dB。

　　2.3增益控制

　　AD604的线性增益控制是通过VGN端实现的。用户可将自己需要的变化电压输入给VGN以获得一个变化的增益。VGN端的输入电阻是2MΩ。

　　为了适应不同用户对增益的需要，AD604还提供了一个增益控制档。通过调节VREF的输入电压可以调节增益的档次：VREF电压从2.5～1. 25V分别对应20～40dB／V的增益档。对于20dB／V增益档，VGN的调节范围为0.2～1.2V；而对于40dB／V增益档，VGN的调节范围为0.4～2.4V。当前置放大为14dB时，可以按以下公式来计算增益数：

　　2.4固定增益放大器

　　这放大实际上就是由一个运算放大器组成的反馈电路。反馈放大器输出中的一路可作为反馈输入；另一路则作为微分器的输入（参见图2）。

　　这部分放大器总的增益为：G总＝VOUT／VATTEN＝［（R1＋R2）／R2］gm1／gm2。其中，VOUT是输出电压，VATTEN是衰减器的读出信号，（R1＋R2）／R2＝42，gm1／gm2＝1.25。因此，总的增益为52.5（即34.4dB）。

　　3 AD604在医用超声设备中的应用

　　当医用超声仪器发出的超声波在人体内传播时，其能量将被人体组织吸收。随着探测深度的增加，超声波的能量将逐渐衰减。为了使不同深度组织界面的回波幅值相同，应将不同深度下的回波信号进行不同程度的衰减放大，以实现声程补偿，也就是需要接收机的增益随扫描时间的增加而增加，因为从较深部位声界面反射的回声信号的放大倍数较大，而距换能器较近的反射信号，也就是在时间上较早到达的回波信号则放大倍数较小。在超声波诊断类仪器中，一般使用TGC（Time Gain Compensation）深度时间增益补偿电路，即用一定的电压曲线来控制放大器的增益，以使得不同深度下的超声回波能够获得不同的放大倍数，从而起到补偿作用。

　　图4所示是一个用AD604驱动AD9050（10－bit，40MSPS的ADC）的医用超声增益补偿电路。当AD7226 D／A转换器与其它微处理器接口时，应将读入的放大倍数数字量转换为模拟量，然后把这个模拟量作为AD604的增益控制信号输入（即与其VGN端相连），从而实现增益的控制。经过AD604衰减补偿的信号，再经过滤波器及AD9631（低畸变、低噪声、高速运算放大器）后即可成为ADC的有效输入。运算放大器的输出和ADC的自偏输入在进行交流耦合后，即可由AD9050 A／D转换器进行采样速率为40MSPS的模数转换。

　　该方案解决了医用超声软组织测量过程中由声程导致的回波信号的非线性补偿问题。与传统的分立元件电路相比，该方案具有电路简单、TGC控制信号稳定可靠以及调节灵活等特点，能准确地补偿超声波在人体内的衰减，从而为控制系统实现高速数字化提供一个新的可靠方法。