TX7516 是一款高度集成、高性能的超聲成像系統(tǒng)變送器解決方案。該器件共有16個脈沖發(fā)生器電路，16個發(fā)送/接收開關(guān)（稱為T/R或TR開關(guān)），并支持片上波束形成器（TxBF）。該器件還集成了片內(nèi)浮動電源，可減少所需的高壓電源數(shù)量。

TX7516 有一個脈沖發(fā)生器電路，可產(chǎn)生五級高壓脈沖（高達(dá) ±100 V），用于激發(fā)超聲換能器的多個通道。該設(shè)備總共支持 16 個輸出。最大輸出電流為 2 A。

該設(shè)備可用作許多應(yīng)用的發(fā)射器解決方案，如超聲成像、無損檢測、聲納、激光雷達(dá)、海洋導(dǎo)航系統(tǒng)、腦成像系統(tǒng)等。
*附件：tx7516.pdf

特性

• 發(fā)射器支持：
  • 16 通道 5 電平脈沖發(fā)生器和有源發(fā)射/接收 （T/R） 開關(guān)
• 5級脈沖發(fā)生器：
  • 最大輸出電壓：±100 V
  • 最小輸出電壓：±1 V
  • 最大輸出電流：2 A
  • 支持4A輸出電流模式。
  • 真正歸零，將輸出放電到地
  • 5 MHz時的二次諧波為–45 dBc
  • –3 dB帶寬，1 kΩ ||240 pF 負(fù)載
    • 20 MHz，用于 ±100V 電源
    • 25 MHz，用于 ±70V 電源
    • 35 MHz，用于 4A 模式下的 ±100V 電源
  • 集成抖動：100 fs，測量范圍為 100 Hz 至 20 kHz
  • CW模式近相位噪聲：5 MHz信號時–154 dBc/Hz（1 kHz偏移）
  • 極低的接收功率：1mW/ch
• 有源發(fā)送/接收 （T/R） 開關(guān)，具有：
  • 導(dǎo)通電阻為 8 Ω
  • 導(dǎo)通和關(guān)斷時間：100 ns
  • 瞬態(tài)毛刺：10 mV聚丙烯
• 片上光束形成器具有：
  • 基于通道的 T/R 開關(guān)開啟和關(guān)閉控制
  • 延遲分辨率：半波束形成器時鐘周期，最小 2 ns
  • 最大延遲：2^14^波束形成器時鐘周期
  • 最束形成器時鐘速度：320 MHz
  • 每通道模式控制，具有 2K 不同電平。
  • 全局和局部重復(fù)模式，為剪切波成像提供長時間的模式
  • 支持 120 個延遲配置文件
• 高速（最大 400 MHz）、2 通道 LVDS 串行編程接口。
  • 編程時間短：延遲配置文件更新時間< 500 ns
  • 32 位校驗(yàn)和功能，用于檢測錯誤的 SPI 寫入
• 支持 CMOS 串行編程接口（最大 50 MHz）
• 內(nèi)部溫度傳感器和自動熱關(guān)斷
• 無特定的電源排序要求
• 用于檢測故障情況的錯誤標(biāo)志寄存器
• 用于浮動電源和偏置電壓的集成無源器件
• 小型封裝：FC-BGA-144（10 mm × 10 mm），間距為 0.8 mm

參數(shù)

方框圖

一、產(chǎn)品核心定位

TX7516 是德州儀器（TI）推出的 高集成度五電平 16 通道超聲發(fā)射芯片 ，專為超聲成像系統(tǒng)設(shè)計，可驅(qū)動壓電換能器并實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束成形（TxBF），適配超聲成像、探頭內(nèi)超聲成像、無損檢測、聲吶（SONAR）、激光雷達(dá)（LIDAR）等場景。其核心優(yōu)勢在于 高電壓大電流輸出能力 （±100 V 電壓、2 A 電流，支持 4 A 模式）、 集成化波束成形功能 （延遲分辨率 2 ns、最大延遲 16384 個時鐘周期）與 低功耗接收設(shè)計 （每通道僅 1 mW），采用 10mm×10mm 144 引腳 FC-BGA 封裝，滿足小型化超聲設(shè)備（如便攜式超聲、探頭內(nèi)成像）的集成需求，工作溫度范圍 0°C 至 70°C。

二、關(guān)鍵特性

1. 16 通道五電平脈沖發(fā)生器（Pulser）

• 高電壓大電流輸出 ：
  • 輸出電壓范圍 ±1 V 至 ±100 V，支持五電平脈沖（可靈活調(diào)整激勵強(qiáng)度），適配不同靈敏度的超聲換能器；最大輸出電流 2 A，支持 4 A 增強(qiáng)模式，滿足高功率換能器驅(qū)動需求。
  • 真歸零設(shè)計（True Return to Zero）：脈沖結(jié)束后自動放電至接地電位，避免殘留電荷影響換能器接收回聲信號，提升成像信噪比。
• 寬頻帶與低失真 ：
  • 帶寬性能：1 kΩ || 240 pF 負(fù)載下，±100 V 供電時 - 3 dB 帶寬 20 MHz，±70 V 供電時 25 MHz，4 A 模式（±100 V）時達(dá) 35 MHz，支持高頻超聲成像（如淺表組織高分辨率成像）。
  • 低諧波失真：5 MHz 輸出時二次諧波 - 45 dBc，減少信號失真對成像質(zhì)量的影響；集成抖動僅 100 fs（100 Hz-20 kHz 測量），連續(xù)波（CW）模式下 1 kHz 偏移處相位噪聲 - 154 dBc/Hz，信號穩(wěn)定性優(yōu)異。

2. 集成發(fā)射 / 接收（T/R）開關(guān)

• 低阻高速切換 ：
  • 導(dǎo)通電阻僅 8 Ω，減少接收回聲信號的衰減；開關(guān)導(dǎo)通 / 關(guān)斷時間均為 100 ns，快速切換發(fā)射與接收模式，避免發(fā)射高壓脈沖損壞低壓接收電路。
  • 低瞬態(tài)干擾：切換時瞬態(tài)毛刺僅 10 mVpp，減少噪聲對接收信號的干擾，確保回聲信號完整性。
• 模式控制 ：由片內(nèi)波束成形引擎自動控制開關(guān)狀態(tài) —— 發(fā)射時關(guān)斷（保護(hù)接收器），接收時導(dǎo)通（將換能器連接至接收器），無需外部額外控制邏輯，簡化系統(tǒng)設(shè)計。

3. 片內(nèi)發(fā)射波束成形（TxBF）

• 靈活延遲控制 ：
  • 延遲分辨率：最小 2 ns（波束成形時鐘周期的 1/2），最大延遲為214（16384）個波束成形時鐘周期，時鐘最高頻率 320 MHz，可精準(zhǔn)調(diào)整各通道脈沖發(fā)射時序，實(shí)現(xiàn)不同方向的超聲波束聚焦（如扇形掃描、線性掃描）。
  • 多延遲剖面：支持 120 組延遲剖面存儲，可快速切換不同成像模式（如不同深度、不同角度的掃描），延遲剖面更新時間＜500 ns，滿足實(shí)時成像需求。
• 脈沖模式生成 ：
  • 每通道獨(dú)立 960 字 RAM：存儲脈沖模式剖面，支持 2000 種不同電平模式，可生成自定義脈沖序列（如調(diào)幅、調(diào)頻脈沖）。
  • 全局 / 局部重復(fù)功能：支持模式重復(fù)輸出，可生成超長脈沖序列，適配剪切波成像（Shear Wave Imaging）等需要長時激勵的特殊超聲模式。

4. 高速編程接口與可靠性設(shè)計

• 高速串行接口 ：
  • 支持 400 MHz 最大速率的 2 通道 LVDS 串行編程接口，及 50 MHz 最大速率的 CMOS 串行接口，快速寫入延遲剖面與模式數(shù)據(jù)；32 位校驗(yàn)和（Checksum）功能，檢測 SPI 寫入錯誤，避免配置錯誤導(dǎo)致器件故障。
• 安全與保護(hù)機(jī)制 ：
  • 內(nèi)置溫度傳感器與自動熱關(guān)斷：溫度過高時自動關(guān)閉輸出，保護(hù)器件免受損壞；錯誤標(biāo)志寄存器（Error Flag Register）可檢測故障狀態(tài)（如過壓、過流），并自動進(jìn)入關(guān)斷模式，提升系統(tǒng)可靠性。
  • 集成浮地電源與偏置無源元件：無需外部額外配置高電壓浮地電源的 decoupling 電容，減少外部元件數(shù)量，簡化 PCB 布局，降低系統(tǒng)成本。

三、典型應(yīng)用場景

1. 超聲成像系統(tǒng) ：驅(qū)動 16 通道超聲換能器陣列，通過片內(nèi)波束成形實(shí)現(xiàn)多方向掃描，五電平脈沖適配不同深度成像（如腹部超聲、心血管超聲），低功耗接收設(shè)計延長便攜式設(shè)備續(xù)航。
2. 探頭內(nèi)超聲成像 ：10mm×10mm 小封裝適配探頭內(nèi)集成需求，集成化設(shè)計減少探頭內(nèi)元件數(shù)量，降低探頭體積與重量，提升操作靈活性（如內(nèi)鏡超聲、介入超聲）。
3. 無損檢測（NDT） ：±100 V 高電壓與 2 A 電流驅(qū)動高功率換能器，35 MHz 帶寬支持高頻檢測（如金屬材料微小缺陷檢測），波束成形功能實(shí)現(xiàn)多角度掃描，覆蓋更大檢測范圍。
4. 聲吶與激光雷達(dá)輔助 ：大電流輸出驅(qū)動水下聲吶換能器，寬溫工作范圍（0°C-70°C）適配 marine 環(huán)境，低相位噪聲確保信號穩(wěn)定性，提升目標(biāo)探測精度。

四、器件信息與訂購參數(shù)

1. 基礎(chǔ)器件信息

2. 訂購選項(xiàng)詳情

五、核心功能模塊

1. 脈沖發(fā)生器與 T/R 開關(guān)

• 五電平脈沖生成 ：通過內(nèi)部高壓驅(qū)動電路生成五電平信號，可通過 SPI 配置脈沖幅度、寬度與重復(fù)頻率（PRF），適配不同換能器的激勵需求；真歸零設(shè)計通過放電回路快速釋放換能器殘留電荷，確保接收階段換能器處于零電位基準(zhǔn)。
• T/R 開關(guān)控制 ：由波束成形引擎輸出的時序信號控制開關(guān)狀態(tài)，發(fā)射階段（Pulser 工作時）開關(guān)關(guān)斷，隔離高壓脈沖與低壓接收器（如低噪聲放大器 LNA）；接收階段開關(guān)導(dǎo)通，將換能器接收到的微弱回聲信號傳輸至接收器，導(dǎo)通電阻 8 Ω 可最小化信號衰減。

2. 片內(nèi)發(fā)射波束成形（TxBF）

• 延遲控制 ：
  • 基于波束成形時鐘（最高 320 MHz），每通道可獨(dú)立設(shè)置延遲時間，延遲分辨率 2 ns（時鐘周期的 1/2），最大延遲 16384 個時鐘周期（320 MHz 時鐘下約 51.2 μs），可實(shí)現(xiàn)大角度波束偏轉(zhuǎn)（如超聲扇形掃描的 60°-90° 覆蓋角）。
  • 延遲剖面存儲：支持 120 組預(yù)設(shè)延遲剖面，通過高速 LVDS 接口快速切換，適配不同成像深度（如近場、中場、遠(yuǎn)場）的波束聚焦需求。
• 脈沖模式生成 ：
  • 每通道 960 字 RAM 存儲脈沖模式，支持 2000 種電平組合，可生成方波、正弦波、調(diào)幅脈沖等自定義波形；全局重復(fù)（所有通道同步重復(fù)）與局部重復(fù)（單通道獨(dú)立重復(fù)）功能，可生成超長脈沖序列（如剪切波成像所需的連續(xù)激勵脈沖）。

3. 編程接口與保護(hù)機(jī)制

• 高速編程接口 ：
  • 2 通道 LVDS 接口（最高 400 MHz）：用于高速寫入延遲剖面與模式數(shù)據(jù)，延遲剖面更新時間＜500 ns，滿足實(shí)時成像的快速模式切換需求；CMOS 串行接口（最高 50 MHz）：適配低速配置場景，兼容性更強(qiáng)。
  • 32 位校驗(yàn)和：寫入數(shù)據(jù)時自動計算校驗(yàn)和，對比預(yù)設(shè)值檢測錯誤，避免配置錯誤導(dǎo)致脈沖輸出異常，提升系統(tǒng)可靠性。
• 安全保護(hù) ：
  • 溫度監(jiān)測與熱關(guān)斷：內(nèi)置溫度傳感器實(shí)時監(jiān)測結(jié)溫，超過閾值時自動關(guān)斷 Pulser 輸出，防止器件過熱損壞；錯誤標(biāo)志寄存器記錄過壓、過流、配置錯誤等故障狀態(tài)，可通過 SPI 讀取故障信息，便于系統(tǒng)診斷。
  • 集成浮地電源無源元件：內(nèi)置浮地電源（AVDDP_HV_A/B、AVDDM_HV_A/B）的 decoupling 電容與偏置電阻，無需外部額外配置，減少 PCB 面積與元件數(shù)量，降低系統(tǒng)成本。

六、設(shè)計與應(yīng)用指導(dǎo)

1. 硬件設(shè)計建議

• 電源設(shè)計 ：
  • 高壓電源（AVDDP_HV_A/B、AVDDM_HV_A/B）：需提供 ±1 V 至 ±100 V 可調(diào)電壓，推薦使用高壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（如 TI 的 LM5175），確保輸出紋波＜100 mVpp，避免電源噪聲影響脈沖質(zhì)量；低壓電源（AVDDP_5、AVDDM_5、AVDDP_1P8）：提供 5 V 與 1.8 V，需并聯(lián) 0.1 μF 陶瓷電容（靠近引腳），降低數(shù)字噪聲耦合。
  • 接地設(shè)計：模擬地（AGND）與數(shù)字地（DGND）單點(diǎn)連接，高壓地與低壓地分開布線，避免高壓脈沖噪聲串?dāng)_數(shù)字電路與接收電路。
• 換能器接口 ：
  • 輸出匹配：每通道 OUT 引腳與換能器間建議串聯(lián) 10 Ω 限流電阻（保護(hù) Pulser）與 1 nF 隔直電容（避免直流偏置影響換能器），并根據(jù)換能器阻抗并聯(lián)匹配電阻（如 1 kΩ），優(yōu)化帶寬與輸出功率。
  • 高壓防護(hù)：OUT 引腳與 T/R 開關(guān)輸出（RX 引腳）需預(yù)留≥8 mm 爬電距離，避免高壓擊穿，適配超聲設(shè)備安全規(guī)范。

2. 軟件配置與初始化

• SPI 編程流程 ：
  1. 上電后等待 100 μs（內(nèi)部電源穩(wěn)定），通過 LVDS/CMOS 接口寫入 32 位校驗(yàn)和配置字，初始化校驗(yàn)和功能。
  2. 寫入延遲剖面：配置每通道的延遲時間（基于波束成形時鐘周期），存儲至 120 組剖面中的目標(biāo)組。
  3. 寫入脈沖模式：配置每通道的脈沖電平、寬度與重復(fù)次數(shù)，存儲至對應(yīng)通道的 960 字 RAM。
  4. 啟動發(fā)射：通過 SPI 發(fā)送啟動命令，波束成形引擎按預(yù)設(shè)延遲與模式輸出脈沖，T/R 開關(guān)自動同步切換。
• 關(guān)鍵寄存器配置 ：
  • 延遲控制寄存器（0x100-0x1FF）：設(shè)置每通道延遲值（單位：波束成形時鐘周期）。
  • 模式控制寄存器（0x200-0x2FF）：配置脈沖電平、重復(fù)次數(shù)、全局 / 局部重復(fù)模式。
  • 保護(hù)配置寄存器（0x300）：使能溫度監(jiān)測、熱關(guān)斷與錯誤檢測功能。

3. 布局與 EMC 優(yōu)化

• 布局準(zhǔn)則 ：
  • 高壓區(qū)域隔離：Pulser 輸出（OUT_1-OUT_16）與 T/R 開關(guān)接收端（RX_1-RX_16）分開布線，高壓路徑（OUT 引腳）遠(yuǎn)離數(shù)字電路（如 SPI/LVDS 接口），避免高壓噪聲串?dāng)_。
  • 關(guān)鍵信號布線：波束成形時鐘（BF_CLK）采用 50 Ω 阻抗匹配布線，長度匹配誤差≤5 mm，避免時鐘抖動影響延遲精度；LVDS 接口采用差分布線（阻抗 100 Ω），長度匹配誤差≤3 mm，減少傳輸損耗。
• EMC 抑制 ：
  • 高壓電源路徑串聯(lián)磁珠（如 100 Ω@100 MHz），抑制高頻噪聲；數(shù)字接口串聯(lián) 22 Ω 匹配電阻（靠近引腳），減少信號反射與 EMI 輻射。
  • 熱焊盤處理：FC-BGA 底部熱焊盤需通過 4-6 個過孔連接至接地平面，增強(qiáng)散熱，確保結(jié)溫不超過 70°C（工作溫度上限）。