基于AD604芯片的超聲衰減補(bǔ)償?shù)牡湫蛻?yīng)用電路

AD604是Analog Devices（AD公司）的產(chǎn)品。和同類產(chǎn)品相比，AD604具有超低噪聲、高精度、增益連續(xù)可調(diào)，且增益的分貝（dB）數(shù)和增益的控制電壓成正比的特點(diǎn)。而醫(yī)用超聲儀器的時(shí)間增益控制（TGC）電路要求其增益與控制電壓呈指數(shù)關(guān)系，也就是增益的分貝（dB）數(shù)和控制電壓成線性關(guān)系。因此，在這方面， AD604是一個(gè)理想的超聲TGC放大器，它能有效減小送入A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。

1 引腳vv x功能

AD604采用24腳封裝，并有DIP、SSOP和SOIC三種封裝形式，其管腳排列如圖1所示。各引腳的功能說明如下：

PAI1/PAI2：前置放大器正輸入;

PAO1/PAO2：前置放大器輸出;

FBK1/FBK2：前置放大器反饋端;

COM1/COM2：信號(hào)地;當(dāng)其接正電源時(shí)，前置放大器通道被關(guān)閉;

-DSX1/-DSX2：微分衰減器信號(hào)輸入負(fù)端;

+DSX1/+DSX2：微分衰減器信號(hào)輸入正端;

VGN1/VGN2：增益控制輸入端以及電源關(guān)閉端。接地時(shí)，該衰減通道被關(guān)閉;否則隨著正電壓的增加，增益將逐漸增加;

VREF：兩個(gè)通道的增益控制檔。當(dāng)其電壓為+2.5V時(shí)，增益為20dB/V，而當(dāng)電壓為+1.67V時(shí)，增益為30dB/V;

VOCM：輸出信號(hào)的共模信號(hào)控制端。用以確定這部分電路中直流信號(hào)的中值電壓;

OUT1/OUT2：信號(hào)輸出端;

VPOS/VNEG：接正/負(fù)電源;

GND1/GND2：接地端。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

AD604是一個(gè)雙通道可變?cè)鲆娣糯笃鳌Ｋ拿恳粋€(gè)通道都是由一個(gè)低噪聲前置放大器和一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鳎╔AMP）組成。同時(shí)XAMP又由一個(gè)高精度受控微分衰減器、一個(gè)增益控制單元、一個(gè)固定增益反饋放大器及一個(gè)由分立元件R3、 R4組成的VOCM共模電壓控制單元組成。其原理如圖2所示。AD604的每一個(gè)通道都可提供一個(gè)范圍為48dB的可變?cè)鲆妗?/p>

2.1前置放大器

AD604的每一個(gè)通道都有一個(gè)高性能的前置放大器，通過反饋回路上的一個(gè)外部電阻可將放大倍數(shù)控制在+14dB～+20dB。前置放大器的內(nèi)部電路如圖3所示。其中R5、R6、R7是前置放大器的增益控制電阻。具體增益的大小可通過FBK1和PAO1之間的電阻來確定。

2.2微分梯形網(wǎng)絡(luò)（衰減器）

前置放大的輸出可作為指數(shù)放大器的微分輸入以獲得分貝線性的增益。這個(gè)衰減器是由一個(gè)7階的R-1.5R梯形網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。每一階的衰減為6.908dB，因此最后總的衰減為48.356dB。

2.3增益控制

AD604的線性增益控制是通過VGN端實(shí)現(xiàn)的。用戶可將自己需要的變化電壓輸入給VGN以獲得一個(gè)變化的增益。VGN端的輸入電阻是2MΩ。

為了適應(yīng)不同用戶對(duì)增益的需要，AD604還提供了一個(gè)增益控制檔。通過調(diào)節(jié)VREF的輸入電壓可以調(diào)節(jié)增益的檔次：VREF電壓從2.5～1. 25V分別對(duì)應(yīng)20～40dB/V的增益檔。對(duì)于20dB/V增益檔，VGN的調(diào)節(jié)范圍為0.2～1.2V;而對(duì)于40dB/V增益檔，VGN的調(diào)節(jié)范圍為0.4～2.4V。當(dāng)前置放大為14dB時(shí)，可以按以下公式來計(jì)算增益數(shù)：

2.4固定增益放大器

這一級(jí)放大實(shí)際上就是由一個(gè)運(yùn)算放大器組成的反饋電路。反饋放大器輸出中的一路可作為反饋輸入;另一路則作為微分器的輸入（參見圖2）。

這部分放大器總的增益為：G總=VOUT/VATTEN=［（R1+R2）/R2］gm1/gm2。其中，VOUT是輸出電壓，VATTEN是衰減器的讀出信號(hào)，（R1+R2）/R2=42，gm1/gm2=1.25。因此，總的增益為52.5（即34.4dB）。

3 AD604在醫(yī)用超聲設(shè)備中的應(yīng)用

當(dāng)醫(yī)用超聲儀器發(fā)出的超聲波在人體內(nèi)傳播時(shí)，其能量將被人體組織吸收。隨著探測(cè)深度的增加，超聲波的能量將逐漸衰減。為了使不同深度組織界面的回波幅值相同，應(yīng)將不同深度下的回波信號(hào)進(jìn)行不同程度的衰減放大，以實(shí)現(xiàn)聲程補(bǔ)償，也就是需要接收機(jī)的增益隨掃描時(shí)間的增加而增加，因?yàn)閺妮^深部位聲界面反射的回聲信號(hào)的放大倍數(shù)較大，而距換能器較近的反射信號(hào)，也就是在時(shí)間上較早到達(dá)的回波信號(hào)則放大倍數(shù)較小。在超聲波診斷類儀器中，一般使用 TGC（Time Gain Compensation）深度時(shí)間增益補(bǔ)償電路，即用一定的電壓曲線來控制放大器的增益，以使得不同深度下的超聲回波能夠獲得不同的放大倍數(shù)，從而起到補(bǔ)償作用。

圖4所示是一個(gè)用AD604驅(qū)動(dòng)AD9050（10-bit，40MSPS的ADC）的醫(yī)用超聲增益補(bǔ)償電路。當(dāng)AD7226 D/A轉(zhuǎn)換器與其它微處理器接口時(shí)，應(yīng)將讀入的放大倍數(shù)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，然后把這個(gè)模擬量作為AD604的增益控制信號(hào)輸入（即與其VGN端相連），從而實(shí)現(xiàn)增益的控制。經(jīng)過AD604衰減補(bǔ)償?shù)男盘?hào)，再經(jīng)過濾波器及AD9631（低畸變、低噪聲、高速運(yùn)算放大器）后即可成為ADC的有效輸入。運(yùn)算放大器的輸出和ADC的自偏輸入在進(jìn)行交流耦合后，即可由AD9050 A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣速率為40MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

該方案解決了醫(yī)用超聲軟組織測(cè)量過程中由聲程導(dǎo)致的回波信號(hào)的非線性補(bǔ)償問題。與傳統(tǒng)的分立元件電路相比，該方案具有電路簡單、TGC控制信號(hào)穩(wěn)定可靠以及調(diào)節(jié)靈活等特點(diǎn)，能準(zhǔn)確地補(bǔ)償超聲波在人體內(nèi)的衰減，從而為控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字化提供一個(gè)新的可靠方法。