通过优化的系统设计最大限度地提高高信噪比超声接收机的性能

当前一代超声接收器和收发器（如MAX2082）经过优化，具有优异的SNR性能。低功耗、高分辨率模数转换器（ADC）和低输出噪声可变增益放大器（VGA）的进步使这些进步成为可能。然而，为了利用这种改进的接收器性能，设计人员必须了解如何正确优化这些器件中的增益设置以及接收数据的动态范围、滤波、检测和显示映射。本应用笔记旨在详细回顾这些主题，以便读者能够更好地优化系统并利用这些改进的器件。

近年来，超声接收机的信噪比（SNR）性能有了显著提高。这些进步与低功耗ADC技术息息相关，该技术允许用户从10位迁移到12位及更高ADC。同时，低输出参考噪声可变增益放大器（VGA）旨在利用这些ADC。当这些新的ADC和VGA集成到超声接收器中时，SNR会显著提高。新的高信噪比接收器已被普遍接受，系统现在可以支持显著改进的B型谐波成像和脉冲模式多普勒性能。

为了优化信噪比，需要改变这些新型超声接收器的增益范围。这会给一些习惯于较旧的低SNR接收器设计的用户带来问题。

本应用笔记解释了如何确定接收机增益，以及当接收机增益设置过高时，接收机增益设置如何对接收机SNR产生负面影响。它还讨论了如何正确优化数字波束形成器、滤波器、检波器和压缩信号映射的动态范围。完成此操作后，您的系统将最大限度地提高高SNR接收器提供的性能，从而显著提高诊断性能。

计算超声接收机增益

典型的高性能超声接收器阵容如图1所示。它由低噪声放大器 （LNA）、VGA、抗混叠滤波器 （AAF） 和 ADC 组成。LNA缓冲输入信号，并提供足够的增益来克服后续级的噪声。在设计合理的接收机中，LNA的噪声性能在很大程度上决定了整个接收机系列的噪声性能。VGA级提供必要的可变时间增益控制，以将大输入信号的动态范围映射到ADC更有限的动态范围。AAF 提供必要的滤波，以确保带外噪声和信号不会混叠到信号频段中，从而不会破坏接收器性能。

图1.典型的超声接收机路径框图。本例来自MAX2082八通道超声收发器。

图1显示，接收器的最大和最小增益分别为44.7dB和5.9dB。现在要问的问题是，这些收益是如何选择的？

选择接收器的最小增益，以确保允许的最大LNA输入信号不会使近场中的ADC饱和。使用MAX2082接收器时，LNA增益为18.5dB时的最大输入信号为330mVP-P.12位ADC的最大输入范围为1.5VP-P.因此，最小接收器增益需要不大于20×对数（1.5/0.33）或约13.2dB。对于MAX2082，最小增益实际上为5.9dB，可提供额外的7.3dB裕量。

选择最大接收器增益是为了确保VGA、AAF和ADC电路的组合输出噪声贡献不会显著破坏其噪声系数。为了确保不会发生这种情况，最大增益下的接收器输出噪声必须至少比这些源的总噪声贡献大10dB。10dB数字是普遍接受的“良好做法”规则。当满足VGA、AAF和ADC的噪声贡献时，接收器噪声系数通常低于0.25dB，这通常被认为是可以接受的。图2所示为MAX2082接收器的输出噪声与增益的关系。

图2.MAX2082总输出噪声与增益的关系

图2显示，MAX2082收发器在低增益时的本底噪声约为50nV/√Rt。该噪声是12位ADC、VGA和AAF的输出噪声贡献。在设计良好的接收器中，ADC应该主导这种噪声。MAX2082中，ADC的本底噪声约为42nV/√Rt;考虑到总输出噪声为50nV/√Rt，ADC之前的电路噪声贡献很小。假设接收器的源阻抗为200Ω，终端阻抗为200Ω，则折合到输入端的噪声约为1.0nV/√Rt。因此，最大接收器增益需要至少为20×log（50/1）+ 10dB，或约44dB。MAX2082的最大增益选择为44.7dB，收发器满足这一标准，裕量为0.7dB。从图2可以看出，最大增益下的实测噪声约为190nV/√Rt，比最小增益下的50nV/√Rt噪声电压高出约11dB。

为了进一步说明这一概念，MAX2082的接收增益图如图3所示。

图3.MAX2082增益图

在本例中，应该注意的是，我们假设LNA增益为18.5dB，因为这通常是最有用的LNA增益设置。该增益设置提供了足够的LNA输入范围和非常好的噪声系数。在大多数情况下，较高的LNA增益设置往往会减小LNA输入范围并限制近场成像，噪声系数略有改善。例如，LNA增益每增加6dB，输入范围通常会降低2倍。然而，较低的LNA增益会增加允许的输入范围，但会牺牲噪声性能到不可接受的水平。

接收器增益过大的负面影响

对于具有12位ADC的典型接收器，如MAX2082收发器中集成的接收器，无需将最大增益提高到44.7dB以上。在此增益电平下可获得良好的噪声系数。增加更多增益不会明显提高接收器灵敏度或噪声系数。

现在应该很容易理解为什么低SNR接收器需要更大的最大增益。假设ADC最大输入范围大致相同，这些接收器中的ADC具有较高的本底噪声。因此，需要更多的接收器增益来保持良好的噪声系数。简而言之，SNR低10dB的接收器需要大约10dB的最大增益才能提供相同的噪声系数性能。

如果系统未针对这些变化进行优化，则从低SNR接收器迁移到最大增益降低的高SNR接收器的用户可能会遇到问题。我们将在本应用笔记的后面部分讨论为什么会这样。但现在我们需要考虑为什么需要限制12位高SNR接收器的最大增益。当然，我们已经证明，12位高SNR接收器的最大增益不需要10位低SNR接收器那么多。问题仍然存在：为什么不增加12位接收器的最大增益和增益范围以匹配10位接收器，从而在从低SNR接收器切换到高SNR接收器时最大限度地减少任何系统问题？这是一个非常好的问题。答案涉及VGA的实际设计限制。

增加VGA的最大增益本身也会导致VGA的输出参考噪声增加。在设计良好的接收器中，低增益和中等增益下的VGA输出噪声应远低于ADC噪声。如果是这种情况，低增益和中等增益下的接收器SNR应该与ADC SNR大致相同，这就是我们想要的。不幸的是，如果我们尝试增加VGA的最大增益，VGA在中低增益下的输出噪声也会开始增加。当VGA输出噪声接近ADC噪声电平时，接收器的SNR开始下降。

这种效应很容易在一些具有可调VGA后增益放大器（PGA）的竞争超声接收器中看到，这些放大器允许用户增加最大VGA增益输出。仔细检查这些器件的SNR与增益曲线表明，当VGA在这些高PGA增益后设置下工作时，SNR会降低。因此，这些增益后放大器的优势有限，因为它们对改善噪声系数的作用很小，并且对接收器SNR有显著的负面影响。

系统设计问题

优化整个超声系统以适应新器件增强的SNR能力非常重要，包括数字波束形成器（数字延迟和求和）、数字滤波器、检波器和压缩映射。这一切都显示在图4的简化超声接收器框图中。

图4.简化的n通道超声接收器波束形成器框图。

如果数字波束形成器、滤波器、检波器和压缩电路没有足够的动态范围（即足够的位）和/或检测信号的压缩映射未正确设置以显示灰度，则无法实现这些新接收器的SNR改进。此外，如果这些关键模块已针对较旧的低SNR接收器进行了优化，则新的高SNR接收器似乎没有足够的最大增益或调整范围。

为了说明这一点，请考虑一个典型的64通道系统，如图5所示。

图5.简化的 64 通道超声接收机系统噪声分析，最小 VGA 增益。

本例假设使用MAX2082收发器。单个接收通道的SNR与增益的关系图如图5的左侧所示。该图显示，在低增益和中等增益下，SNR约为68dBFS。正如预期的那样，SNR随着增益的增加而降低;接收器和换送器元件的放大输入噪声大于ADC噪声。这也可以从图2所示MAX2082的输出噪声与增益的关系图中看出。

本例中的数字波束成形器延迟并求和接收器的数字输出，以产生数字波束成形输出。当对波束成型器中ADC的输出求和时，每增加一倍通道数，SNR就会增加3dB。因此，64通道接收器的波束成形输出的SNR约为68dB +（3dB×对数）2（64）） = 86dBFS 在低增益时。波束成形器必须至少保持此动态范围，因此其输出应至少为16位，以求和所有64个通道的12位输出。波束成形器的输出通常使用与探头带宽匹配的滤波器进行滤波，然后进行检测。这些模块还必须保持必要的动态范围。然后，需要将检测器的输出映射到可用的有限显示器灰度动态范围内。典型的检测器到灰度映射曲线如图6所示。

图6.探测器输出到灰度映射曲线显示了VGA在最小增益下的探测器噪声电平。

正确的系统设计有一个关键设置：将最小灰度显示电平或黑电平设置为略高于检波器输出本底噪声的水平，而接收器则以最小增益设置。此时设置黑电平可确保保持整个接收器的最大动态范围，并且接收器在低增益和中等增益下的输出噪声在图像中不可见。

现在让我们考虑VGA处于最大增益时的情况，如图7所示。在这种情况下，单通道信噪比约为59dBFS，如图中的单通道信噪比与增益的关系图所示。因此，64通道波束形成器输出SNR为77dBFS。因此，最大VGA增益下的波束成形器输出噪声比最小增益时的波束成形器输出噪声高出约11dB。

图7.简化的 64 通道超声接收机系统噪声分析，最大 VGA 增益。

在上述图7的最大VGA增益条件下，相对于正确设置的压缩曲线，检波器本底噪声应如图8所示。在这种情况下，在高增益下，本底噪声附近的低电平信号应映射到B模式显示中清晰可见的电平。需要注意的是，对于低电平检测到的信号，压缩曲线应该相当陡峭，以使其清晰可见并增强这些低电平信号的差分灰度。

图8.探测器输出到灰度映射曲线，显示最大增益下VGA下的探测器噪声水平。

从该分析中很容易看出，如果波束成形器、滤波器、检波器和灰度映射已针对低SNR 10位接收器进行了优化，那么人们可能会认为在使用高SNR接收器时需要更高的最大增益。当使用低SNR接收器时，低VGA增益下检波器输出上的噪声会更高。因此，有必要将灰度映射曲线的黑电平设置得更高，以确保这种噪声在显示器上不可见。但是，如果接收器现在改为高SNR 12位接收器，则最大VGA增益下的低电平信号将降至压缩曲线的黑电平以下。看起来接收器没有足够的增益。

使用更高SNR接收器和系统的必要时间增益控制（TGC）范围还存在另一个问题。在典型的超声B模式图像中，调整时间增益控制，使相同类型的组织在图像中从近场到远场具有均匀的灰度水平。为了保持均匀的灰度，必要的TGC增益调整范围约为50dB。根据我们之前的分析，像MAX2082收发器这样的高SNR接收器所需的增益范围仅为39dB左右。因此，很明显，该模拟增益调整范围不足以提供必要的TGC范围。

因此，具有高SNR接收器的系统必须使用数字增益调整技术来提供额外的TGC增益调整范围。通常，软件控制下的数字衰减器放置在波束形成器之后，以提供必要的额外调整范围。图9下面是带有数字和模拟增益图的系统框图。它显示了模拟接收器VGA和数字增益调整如何结合使用以提供足够的调整范围。对于较低的TGC增益，使用数字衰减器以数字方式实现调整。在本例中，调整范围的较低12dB是使用此技术实现的。对于超过TGC范围较低12dB的TGC增益，增益调整使用接收器中的模拟VGA实现。

图9.组合模拟接收器 VGA 和数字 TGC 增益调节。

结论

随着具有更高SNR的新型超声接收器的出现，用户需要确保其系统设计正确，以利用这些改进。

通过选择高PGA和LNA接收机增益设置来补偿不正确的系统设计，抵消了这些更复杂的接收机的正SNR和LNA输入范围优势。用户必须确保通过完整的数字波束成形、滤波、检测和压缩路径保持接收机动态范围，并确保信号适当地映射到灰度显示范围。随着新一代接收器SNR的不断提高，设计人员还必须结合使用数字和模拟增益调整技术来实现必要的TGC范围。希望本应用笔记能更清楚地说明这些问题，使用户更容易利用这些新型高SNR接收器提供的全部性能。

审核编辑：郭婷