AD604放大器在醫(yī)用超聲系統(tǒng)中的應(yīng)用
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。AD604的主要特點(diǎn)如下:
具有超低的輸入噪聲,在最大增益時(shí),其電壓和電流噪聲分別為
帶寬為40MHz(-3dB);
具有兩個(gè)獨(dú)立的增益通道,并且增益的分貝(dB)數(shù)和增益控制電壓成正比;
每個(gè)通道的增益均可程控。在前置放大14 dB時(shí),增益可在0~+48dB之間調(diào)整;而在前置放大20dB時(shí),增益在+6~+54dB之間可調(diào);
具有300kΩ輸入電阻;
可變?cè)鲆娣秶鸀?0~40dB/V;
在溫度和供電電壓發(fā)生變化時(shí),其增益非常穩(wěn)定;
可進(jìn)行單端單極性增益控制;
當(dāng)增益超出最低端極限時(shí),電源會(huì)自動(dòng)斷電;
可直接驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器。
1 引腳功能
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。
圖1 AD604引腳圖
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?。它的每一個(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>
圖2 ad604單通道結(jié)構(gòu)圖
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。
圖3 AD604 前置增益放大
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 AD604在TGC應(yīng)用超聲中的應(yīng)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。