德州儀器AFE58JD28ZAV模擬前端中文資料

一、型號與類型

德州儀器（Texas Instruments，簡稱TI）的AFE58JD28ZAV是一款高度集成的模擬前端（Analog Front-End, AFE）解決方案，專為需要高性能、低功耗和小尺寸的超聲波系統(tǒng)而設計。該型號屬于AFE58JD28系列，是TI在超聲波技術領域的重要產(chǎn)品之一。AFE58JD28ZAV通過其獨特的架構和功能，為醫(yī)療、工業(yè)檢測等領域的超聲波應用提供了強大的支持。

　　廠商名稱：TI德州儀器

　　元件分類：模擬前端

　　中文描述： 具有102mW/通道功率、數(shù)字解調器以及JESD或LVDS接口的16通道超聲波AFE

　　英文描述： 16-Ch Ultrasound AFE With 102mW/Ch Power,Digital Demodulator,and JESD or LVDS Interface 289-NFBGA-40 to 85

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　　AFE58JD28ZAV概述

　　AFE58JD28器件是高度集成的模擬前端(AFE)解決方案，專用于需要高性能、低功耗和小尺寸的超聲波系統(tǒng)。

　　AFE58JD28是針對醫(yī)療超聲波應用進行了優(yōu)化的集成模擬前端(AFE)。該器件通過具有兩個裸片的多芯片模塊(MCM)進行實現(xiàn)：一個電壓控制放大器(VCA)裸片和一個模數(shù)轉換器(ADC)裸片。VCA裸片具有16個與ADC裸片的16個通道進行連接的通道。

　　VCA裸片中的每個通道均可配置為兩種模式之一：時間增益補償(TGC)模式和連續(xù)波(CW)模式。在TGC模式下，每個通道包含一個低噪聲放大器(LNA)、一個電壓控制器衰減器(VCAT)、一個可編程增益放大器(PGA)和一個三階低通濾波器(LPF)。LNA能夠以21dB、18dB或15 dB的增益進行編程。LNA還支持有源終端。VCAT支持0dB至36dB的衰減范圍，并對衰減進行模擬電壓控制。PGA提供階躍為3dB的18dB至27dB增益選項。LPF截至頻率可以在10MHz和30MHz之間進行設置，以支持具有不同頻率的超聲波應用。在CW模式下，LNA的輸出將進入具有16種可選相位延遲的低功耗無源混頻器，后跟具有帶通濾波器的加法放大器。可以對每個模擬輸入信號施加不同的相位延遲，從而執(zhí)行片上波束形成操作。CW混頻器中的諧波濾波器可以抑制三階和五階諧波，從而增強CW多普勒測量的靈敏度。

　　ADC裸片的16個通道可以配置為以14位或12位分辨率運行。ADC分辨率可以與轉換速率進行折衷，并且能夠在14位和12位的分辨率下分別以65MSPS和80MSPS的最大速度運行。ADC設計為根據(jù)采樣率調整其功耗。ADC的輸出接口通過低電壓差分信號(LVDS)進行輸出，可輕松與低成本現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)相連接。

　　此外，AFE58JD28還包含數(shù)字解調器和JESD204B數(shù)據(jù)打包塊。具有可編程抽取濾波器的數(shù)字同相和正交(I/Q)解調器以低功耗加快了計算密集型算法的執(zhí)行速度。該器件還支持速率高達5Gbps的可選JESD204B接口，進一步降低了高通道數(shù)系統(tǒng)中電路板布線的難度。

　　該器件還支持各種功率和噪聲組合選項，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。因此，對于具有嚴格的電池壽命要求的系統(tǒng)而言，這些器件是非常合適的超聲波AFE解決方案。

　　該器件采用15mm×15mm NFBGA-289封裝，并且與AFE5818和AFE5816系列引腳兼容。

　　AFE58JD28ZAV中文參數(shù)

　　AFE58JD28ZAV引腳圖

二、工作原理

AFE58JD28ZAV模擬前端的工作原理主要基于模擬信號到數(shù)字信號的轉換過程，同時集成了多種信號處理功能。其核心組成部分包括電壓控制放大器（VCA）、模數(shù)轉換器（ADC）、數(shù)字解調器以及JESD或LVDS接口等。

1. 信號放大與衰減：VCA裸片中的每個通道均可配置為時間增益補償（TGC）模式或連續(xù)波（CW）模式。在TGC模式下，每個通道包含一個低噪聲放大器（LNA）、電壓控制器衰減器（VCAT）、可編程增益放大器（PGA）和三階低通濾波器（LPF）。LNA能夠以不同的增益（如21dB、18dB或15dB）進行編程，并支持有源終端。VCAT則提供0dB至36dB的衰減范圍，用于調節(jié)信號的幅度。PGA則提供階躍為3dB的增益選項，進一步調整信號強度。

2. 信號濾波：LPF用于濾除不需要的頻率成分，確保信號的純凈度。其截至頻率可在10MHz和30MHz之間設置，以適應不同頻率的超聲波應用。

3. 連續(xù)波處理：在CW模式下，LNA的輸出進入低功耗無源混頻器，該混頻器具有16種可選的相位延遲，后跟帶通濾波器的加法放大器。這一設計允許對每個模擬輸入信號施加不同的相位延遲，從而執(zhí)行片上波束形成操作。此外，CW混頻器中的諧波濾波器能夠抑制三階和五階諧波，提高CW多普勒測量的靈敏度。

4. 模數(shù)轉換：ADC裸片的16個通道可配置為14位或12位分辨率運行，轉換速率可根據(jù)需要進行調整。ADC設計為根據(jù)采樣率調整其功耗，以確保在高性能和低功耗之間取得平衡。

5. 數(shù)字信號處理：AFE58JD28ZAV還包含數(shù)字解調器和JESD204B數(shù)據(jù)打包塊。數(shù)字解調器以低功耗加速了計算密集型算法的執(zhí)行速度，支持I/Q解調，提高了信號處理的效率。JESD204B接口則支持高達5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，降低了高通道數(shù)系統(tǒng)中電路板布線的難度。

三、特點

1. 高度集成：AFE58JD28ZAV集成了完整的超聲波信號處理鏈，包括信號放大、衰減、濾波、模數(shù)轉換和數(shù)字解調等功能，大大簡化了系統(tǒng)設計。

2. 高性能：該器件提供102mW/通道的功率輸出，支持高達14位的ADC分辨率和65MSPS至80MSPS的采樣率，確保了信號的高保真度和高處理速度。

3. 低功耗：通過優(yōu)化的電路設計和功耗管理機制，AFE58JD28ZAV在提供高性能的同時，實現(xiàn)了低功耗運行，非常適合于電池供電的設備。

4. 小尺寸：采用15mm×15mm的NFBGA-289封裝，節(jié)省了寶貴的板載空間，適用于對尺寸有嚴格要求的應用場景。

5. 靈活性：支持多種工作模式（TGC模式和CW模式）和配置選項（如ADC分辨率和采樣率），可根據(jù)具體需求進行靈活調整。

6. 易用性：提供JESD204B和LVDS接口，便于與各種數(shù)字處理平臺（如FPGA）進行連接和通信。

四、應用

AFE58JD28ZAV因其卓越的性能和廣泛的應用性，在多個領域得到了廣泛的應用：

1. 醫(yī)療超聲波：作為醫(yī)療超聲波設備的關鍵組件，AFE58JD28ZAV為醫(yī)療成像提供了高質量的信號處理和轉換功能，支持從基本的B超成像到高級的多普勒血流成像等多種應用。

2. 工業(yè)檢測：在工業(yè)檢測領域，超聲波技術被廣泛應用于材料檢測、缺陷識別和厚度測量等方面。AFE58JD28ZAV的高性能和低功耗特性使其成為工業(yè)超聲波檢測設備的理想選擇。

3. 科學研究：在物理、生物醫(yī)學等科學研究領域，超聲波技術也發(fā)揮著重要作用。AFE58JD28ZAV的高精度和靈活性使其成為科學研究中不可或缺的工具之一。

五、主要參數(shù)

1. 模擬輸入特性：

• 輸入通道數(shù)：16通道（支持獨立配置）

• 輸入范圍：可編程，通常覆蓋從微伏級到幾伏級的信號范圍

• 噪聲性能：低噪聲放大器（LNA）提供極低的輸入噪聲，通常在幾十nV/√Hz以下

• 增益范圍：VCA提供寬范圍的增益調整，包括LNA增益（如21dB、18dB、15dB）、VCAT衰減（0dB至36dB）和PGA增益（以3dB為步長可調）

2. 模數(shù)轉換器（ADC）：

• 分辨率：可選14位或12位

• 采樣率：支持65MSPS至80MSPS（具體取決于配置和通道數(shù)）

• 信噪比（SNR）：在最高分辨率下，可達到70dB以上

• 功耗：根據(jù)采樣率和分辨率的不同而有所變化，優(yōu)化設計以實現(xiàn)低功耗

3. 數(shù)字信號處理：

• 解調器：內(nèi)置I/Q解調器，支持復數(shù)信號處理

• 諧波抑制：CW混頻器中包含諧波濾波器，有效抑制三階和五階諧波

• 數(shù)據(jù)接口：JESD204B接口，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，最高可達5Gbps

4. 電源與功耗：

• 供電電壓：通常為單一供電電壓，如3.3V或1.8V（具體根據(jù)型號和配置）

• 功耗：在滿配置和高性能模式下，總功耗較低，適合電池供電應用

• 功耗管理：支持多種低功耗模式，如待機模式和休眠模式，以進一步降低功耗

5. 封裝與尺寸：

• 封裝類型：NFBGA-289封裝，適合高密度集成

• 尺寸：15mm x 15mm，小巧緊湊，節(jié)省板載空間

6. 環(huán)境參數(shù)：

• 工作溫度范圍：-40°C至+85°C（工業(yè)級溫度范圍）

• 存儲溫度范圍：-65°C至+150°C

• 濕度敏感性等級：根據(jù)具體封裝和批次而定，通常遵循JEDEC標準

7. 其他特性：

• 靈活的時鐘管理：支持多種時鐘源和時鐘分頻選項

• 同步功能：支持多片AFE58JD28ZAV之間的同步操作，便于構建大規(guī)模超聲波陣列

• 編程與配置：可通過SPI接口進行編程和配置，支持廣泛的配置選項和參數(shù)調整

六、總結與展望

德州儀器AFE58JD28ZAV模擬前端憑借其高度集成、高性能、低功耗和靈活配置的特點，在醫(yī)療超聲波、工業(yè)檢測以及科學研究等領域展現(xiàn)出了廣泛的應用前景。該器件不僅提升了超聲波系統(tǒng)的整體性能，還簡化了系統(tǒng)設計流程，降低了系統(tǒng)成本。

隨著超聲波技術的不斷發(fā)展，對模擬前端的要求也在不斷提高。未來，AFE58JD28ZAV系列可能會繼續(xù)優(yōu)化其性能參數(shù)，如進一步提高ADC的分辨率和采樣率、降低功耗、增強抗干擾能力等。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術的普及，超聲波技術也將與這些先進技術相結合，為更多領域的應用提供創(chuàng)新解決方案。

總之，AFE58JD28ZAV作為德州儀器在超聲波模擬前端領域的杰出代表，將繼續(xù)在推動超聲波技術發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。