MAX2079：低功耗高性能八通道超聲接收器的卓越之選

在超聲成像與聲納等領域，高性能、低功耗的超聲接收器是系統設計的關鍵。今天要為大家詳細介紹 Maxim Integrated 推出的 MAX2079 低功耗、高性能、完全集成的八通道超聲接收器，它在高通道數的便攜式和推車式超聲系統中表現出色。

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一、產品概述

MAX2079 是一款高度集成的八通道超聲接收器，專為高通道數、高性能的便攜式和推車式超聲系統優化設計。它集成了低噪聲放大器（LNA）、可變增益放大器（VGA）、抗混疊濾波器（AAF）、模數轉換器（ADC）和數字高通濾波器（HPF）等功能模塊，能夠以極小的空間和功耗實現高端 2D 和多普勒成像能力。

產品特性及優勢

1. 極小的 PCB 面積與設計成本：采用小巧的 10mm x 10mm CTBGA 封裝，集成了 8 個完整的通道，包含 LNA、VGA、AAF、12 位 ADC、數字 HPF 和 CWD 混頻器波束形成器，大大節省了 PCB 空間和設計成本。
2. 卓越的系統靈敏度：在 (R{S}=R{IN}=200 Omega) 時，全通道噪聲系數低至 2.8dB，有效提升系統靈敏度。
3. 出色的系統動態范圍：在 2MHz 帶寬內，圖像路徑信噪比（SNR）達到 76dBFS（(f{RF}=5 MHz)）；在距 (f{RF}=5MHz) 偏移 1kHz 處，圖像路徑信噪比達到 137dBFS/Hz，為高質量成像提供保障。
4. 超低功耗：在成像模式下，50Msps 時每個完整通道僅消耗 120mW 功率，非常適合便攜式設備應用。
5. 靈活的輸入阻抗匹配：提供 50Ω、100Ω、200Ω 和 1kΩ 可選的有源輸入阻抗匹配，可根據不同的應用需求進行靈活配置。
6. 可編程功能：包括可編程 VGA 輸出鉗位、集成可選的 3 階 9MHz、10MHz、15MHz 和 18MHz 巴特沃斯抗混疊濾波器、可編程數字高通 2 階濾波器等，增加了設計的靈活性。
7. 快速恢復低功耗模式：恢復時間小于 2μs，能夠在低功耗和高性能之間快速切換。
8. 獨立通道 I/Q CWD 混頻器：有助于改善動態范圍和靈敏度，提升系統的多普勒性能。

二、產品核心參數剖析

（一）絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于正確使用和保護器件至關重要。MAX2079 的各種引腳電壓、功耗、溫度等參數都有明確的限制范圍。例如，OUT+/-, SDIO 等引腳相對于地的電壓范圍為 -0.3V 到 (VOVDD + 0.3V) 和 +2.1V 中的較低值；連續功耗在 (T_{A}=+70^{circ} C) 時，144 - 凸點 CTBGA 封裝為 3200mW（高于 +70°C 時需按 33.3mW/°C 降額）；工作外殼溫度范圍為 0°C 到 +70°C 等。在設計電路時，必須確保所有參數都在這些額定值范圍內，否則可能會對器件造成永久性損壞。

（二）電氣特性

1. DC 電氣特性 - VGA 模式（CWD 波束形成器關閉）
   • 電源電壓：3.3V 電源電壓（(V{CC3})）范圍為 3.13V 到 3.47V，5V 電源電壓（(V{CC5})）范圍為 4.5V 到 5.25V，1.8V 電源電壓（(V_{CC1.8})，對應 AVDD 和 OVDD 引腳）范圍為 1.7V 到 1.9V。
   • 電源電流：不同電源電壓下每個通道的電源電流也有相應的典型值和最大值，如 3V 電源電流每通道典型值為 9.5mA，最大值為 16mA 等。
   • 直流功耗：每個通道的直流功耗典型值為 120mW（(V{GC+}-V{GC-}=-0.4V) 時）。
   • 其他參數：還包括外部參考電壓范圍、差分模擬控制電壓范圍等參數，這些參數對于保證器件的正常工作和性能至關重要。
2. AC 電氣特性 - VGA 模式（CWD 波束形成器關閉）
   • ADC 相關參數：ADC 為 12 位，最小采樣率為 25Msps，最大采樣率為 50Msps。
   • 噪聲系數：在不同的輸入阻抗和增益控制電壓下，噪聲系數有所不同。例如，在高 LNA 增益下，(R{S}=R{IN}=200 Omega)，(V{GC+}-V{GC-}= +3V) 時，噪聲系數為 2.8dB。
   • 增益相關參數：LNA 有低增益和高增益兩種模式，對應的增益值不同；VGA 的增益范圍可達 38.8dB，且增益響應時間在增益上升和下降時也有相應的典型值。
   • 其他參數：還包括 8 通道相關噪聲功率、AA 濾波器 3dB 截止頻率、數字高通濾波器 3dB 截止頻率等參數，這些參數影響著系統的頻率響應和信號處理能力。
3. DC 電氣特性 - CWD 模式（VGA、AAF 和 ADC 關閉）
   • 混頻器相關參數：混頻器 LVDS LO 輸入的共模電壓、差分輸入電壓、輸入電阻等都有特定的要求和典型值。
   • 電源電流和功耗：在全功率模式和低功率模式下，不同電源電壓下每個通道的電源電流和片上功耗也有所不同，設計時可根據實際需求選擇合適的工作模式。
4. AC 電氣特性 - CWD 模式（VGA、AAF 和 ADC 關閉）
   • 混頻器工作范圍：混頻器的 RF 頻率范圍為 0.9MHz 到 7.6MHz，LO 頻率范圍為 8.0MHz 到 60MHz，輸出頻率范圍為 DC 到 100kHz。
   • 噪聲和失真性能：在全功率模式和低功率模式下，噪聲系數、SNR 和 IM3 失真等參數也有相應的表現，為評估系統的性能提供了參考。

（三）時鐘和時序特性

MAX2079 的時鐘輸入支持差分模式和單端模式，每種模式下都有相應的電壓、電阻、電容等參數要求。例如，差分時鐘輸入電壓范圍為 0.4V 到 2.0V (P - P)，自偏置時的共模電壓為 1.2V 等。同時，在數字輸入和輸出方面，也有輸入高、低閾值，輸入泄漏電流、輸入電容等參數，以及輸出電壓低、輸出電壓高等參數。此外，還規定了串行端口接口時序、LVDS 數字輸出時序特性和 CWD LO 時序等，這些時序參數對于保證系統的同步和數據傳輸的準確性至關重要。

三、工作模式與功能詳解

（一）工作模式控制

MAX2079 需要通過編程來設置工作模式，由 17 個 8 位寄存器（00h 到 10h）進行控制。這些寄存器可以控制不同的功能，如 PLL 采樣率、電源管理、輸出數據格式、數字高通濾波器等。

（二）各功能模塊特點

1. 低噪聲放大器（LNA）：每個 LNA 針對出色的動態范圍和線性性能進行了優化，非常適合超聲成像應用。在低增益模式下，輸入電阻會增加約 2 倍，需要改變控制反饋電阻的開關。
2. 可變增益放大器（VGA）：為高線性度、高動態范圍和低輸出噪聲性能進行了優化。VGA 增益可以通過差分增益控制輸入（GC+ 和 GC -）進行調節，設置差分增益控制輸入電壓為 -3V 時為最小增益，+3V 時為最大增益。
3. 過載恢復：針對超聲輸入緩沖器成像應用中的大輸入信號條件，進行了快速過載恢復優化。通過啟用 ADC 內的數字 HPF 功能，可以消除設備中的動態或直流偏移，且不會降低 ADC 的動態范圍。
4. 八通道連續波（CW）混頻器：采用有源雙平衡拓撲設計，具有高動態范圍、高線性性能和極低的熱噪聲和抖動噪聲，適合超聲 CWD 信號接收。每個混頻器可以編程為 16 個相位之一，通過設置位 (CW_SHDN_CHn) 可以將每個 CW 通道編程為關閉狀態。
5. CW 混頻器輸出求和：八通道混頻器陣列的輸出在內部求和，產生總 CWD 波束形成信號。使用單個 8 x LO 高頻主時鐘，通過內部分頻器將其分頻到 CWD 頻率，實現 CWD 波束形成。
6. LO 相位選擇：LO 相位分頻器可以通過移位寄存器進行編程，提供 16 個正交相位，以實現完整的 CW 波束形成解決方案。

（三）VGA 和 CW 混頻器操作

在正常操作中，設備可以配置為 VGA 路徑啟用而混頻器陣列斷電（VGA 模式），或者正交混頻器陣列啟用而 VGA 路徑斷電（CW 模式）。通過設置 CWD 的邏輯高或低來選擇相應的模式。

（四）外部電壓參考和 ADC 時鐘輸入

需要連接一個外部低噪聲 +2.5V 參考到 VREF 引腳，并使用 0.1μF 電容器盡可能靠近設備進行旁路。設備噪聲性能取決于 VREF 處的外部噪聲。ADC 時鐘輸入接口靈活，支持全差分時鐘或單端邏輯電平時鐘，輸入采樣頻率范圍為 25MHz 到 50MHz。

（五）電源管理

SHDN 輸入用于在兩種電源管理狀態之間切換，通過 PLL 采樣率和電源管理寄存器（00h）以及通道電源管理寄存器（05h 和 06h）可以完全定義每個電源管理狀態。設備提供了睡眠模式和小憩模式（Nap mode）等低功耗模式，在不同模式下，設備的功耗和喚醒時間有所不同。

（六）可編程數字高通 2 階濾波器

該數字 HPF 由兩個相同的一階高通 IIR 濾波器部分級聯實現，其 3dB 截止頻率由濾波器系數（R）確定。每個部分可以獨立編程為 10 種可能的值之一或旁路模式。同時，濾波器會提供一個小信號增益，通過在濾波器輸出端加入粗數字乘法器可以部分補償數字濾波器增益。

四、系統設計關鍵要點

（一）系統時序要求

了解模擬輸入、輸入時鐘、幀對齊輸出、串行時鐘輸出和串行數據輸出之間的關系對于系統設計至關重要。差分 ADC 輸入信號在施加的時鐘信號（CLKIN +, CLKIN -）的上升沿采樣，結果數據在 10.5 個時鐘周期后出現在數字輸出端。

（二）時鐘輸出和幀對齊輸出

ADC 提供差分時鐘輸出（CLKOUT +, CLKOUT -），其頻率是輸入時鐘頻率的 6 倍，并且可以通過輸出數據格式和測試模式/數字 HPF 選擇寄存器（01h）調整時鐘輸出相對于輸出數據幀的相位。幀對齊輸出（FRAME +, FRAME -）的上升沿對應 12 位串行數據流的第一位，其頻率與輸入時鐘頻率相同，但占空比會根據輸入時鐘頻率而變化。

（三）串行輸出數據和差分 LVDS 數字輸出

ADC 通過差分輸出（OUT +, OUT -）提供轉換結果，結果在采樣后 10.5 個輸入時鐘周期有效。輸出數據默認以 LSB 優先的偏移二進制格式傳輸，但可以通過輸出數據格式和測試模式/數字 HPF 選擇寄存器（01h）進行定制。LVDS 輸出具有靈活的編程選項，包括輸出共模電壓、輸出驅動電流和內部終端等。

（四）3 線串行外設接口（SPI）

MAX2079 作為從設備，通過 3 線 SPI 接口與主設備進行數據收發。主設備必須發起所有數據傳輸，使用有源低電平的 SPI 芯片選擇輸入（CS）來啟用通信，通過外部生成的 SPI 時鐘輸入（SCLK）控制時序，所有數據通過雙向 SPI 數據線（SDIO）發送和接收。

五、應用與訂購信息

（一）應用領域

MAX2079 主要應用于醫療超聲成像和聲納領域，其高性能和低功耗的特點使其能夠滿足這些領域對設備小型化、高靈敏度和高動態范圍的要求。

（二）訂購信息

提供了不同型號的產品，如 MAX2079CXE + 和 MAX2079CXE + T，溫度范圍為 0°C 到 +70°C，采用 144 CTBGA 封裝。同時，還提供了最新的封裝輪廓信息和焊盤圖案的獲取途徑。

綜上所述，MAX2079 是一款功能強大、性能卓越的八通道超聲接收器，在超聲成像和聲納等領域具有廣泛的應用前景。電子工程師在設計相關系統時，可以充分利用其豐富的功能和靈活的配置選項，實現高性能、低功耗的設計目標。