MAX14813超緊湊超聲發射器：設計的革新之選

作為一名電子工程師，在超聲成像應用的設計中，如何在有限的 PCB 空間內實現高性能的超聲發射功能，一直是我們面臨的重要挑戰。而 Maxim Integrated 推出的 MAX14813 超緊湊八通道 3 電平/四通道 5 電平脈沖發生器，無疑為我們提供了一個絕佳的解決方案。

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器件概覽：高密度與高性能的完美融合

MAX14813 采用晶圓級封裝（WLP），尺寸僅為 6.33mm x 6.65mm，卻擁有極高的密度，特別適合對 PCB 空間要求苛刻的超聲成像應用。它具備八個 3 電平通道，可由兩對獨立的高壓電源供電，每個通道能傳輸高達 170VP - P 的電壓，電流能力可達 2.1A，并且電流能力可通過 4 級編程下調至 0.35A，還集成了 1A 有源鉗位（歸零）功能。此外，它還能配置為四通道 5 電平（2.1A）脈沖發生器加四通道有源收發（T/R）開關。

核心特性：為設計帶來多重便利

1. 緊湊便攜設計的優化

• 高密度集成：在如此小的封裝內集成了八個 3 電平通道，極大地節省了 PCB 空間，為便攜式設備的設計提供了可能。
• 低功耗與低噪聲：集成了低功耗、低噪聲的有源 T/R 開關，減少了額外的元件需求，降低了功耗和噪聲干擾。
• 直接驅動架構：消除了外部浮動電源（FPS）和高壓信號電容，簡化了電路設計，提高了系統的可靠性。
• 嵌入式波束形成：嵌入式數字資源（SRAM 和狀態機）可用于支持發射波束形成，大大減少了互連數量和 FPGA I/O 的使用，簡化了 PCB 布局，也減輕了同步的難度。

2. 靈活的配置選項

• 支持接收復用：T/R 開關可外部配置以支持接收復用，允許使用比發射通道更少的接收通道，提高了系統的靈活性。
• 內部/外部波束形成資源可選：既可以使用內部的嵌入式波束形成資源，也可以通過外部數字源（如 FPGA）進行傳統控制，滿足不同的設計需求。
• 多種工作模式：可工作在八通道 3 電平或四通道 5 電平模式，適應不同的應用場景。

3. 卓越的性能表現

• 圖像質量提升：具有出色的二次諧波失真和脈沖反轉性能，低傳播延遲（典型值 12ns）確保了多普勒模式下的優異相位噪聲和良好的器件間匹配，快速的上升和下降沿實現了精細分辨率的 PWM 或聲功率控制，有助于提高圖像質量。
• 低功耗運行：低靜態功耗（八通道模式下 4.1mW/通道），可編程的電流能力滿足不同模式下的功耗需求，如連續波多普勒（CWD）和低電壓模式。
• 高魯棒性：具備 110°C 的熱警告和 150°C 的熱關斷功能，確保在高溫環境下的穩定運行。

電氣特性：精準把控設計參數

1. 電源和邏輯輸入

MAX14813 的工作電壓范圍廣泛，I/O 邏輯電源電壓（VIO）為 1.7 - 3.3V，正驅動電源電壓（VCC）為 4.75 - 5.25V，負驅動電源電壓（VEE）為 -5.25 - -4.75V，高側電源電壓（VPPA、VPPB）可達 85V，低側電源電壓（VNNA、VNNB）為 -85V。邏輯輸入引腳的低電平輸入（VIL）為 0.33 x VIO，高電平輸入（VIH）為 0.66 x VIO，確保了穩定的邏輯信號傳輸。

2. 電流消耗

在不同的工作模式下，MAX14813 的電流消耗表現不同。例如，在停機模式下，總功耗（8 通道）僅為 0.4mW；在八通道 3 電平的接收模式下，每通道的靜態總功耗為 4.1mW。在不同的工作模式如 CWD 模式、B 模式下，各電源的電流消耗也有明確的參數規定，這為我們在設計時根據實際需求選擇合適的工作模式提供了依據。

3. 引腳特性

HVOUT 引腳的小信號總寄生電容（CHVOUTSS）在 T/R 開關開啟時典型值為 30pF，大信號等效寄生電容（CHVOUTLS）在特定條件下為 55pF。HVOUT 和 LVOUT 引腳還具有泄放電阻，用于在 T/R 開關關閉時釋放電荷。此外，T/R 開關的導通時間（TONTRSW）典型值為 0.5 - 1μs，關斷時間（TOFFTRSW）典型值小于 0.2μs，確保了快速的開關切換。

工作模式：滿足多樣化應用需求

1. 停機模式

這是最低功耗的模式，在該模式下，不允許進行傳輸，脈沖發生器輸出（HVOUT）處于高阻抗狀態，T/R 開關關閉，波束形成狀態機禁用。退出該模式進入其他發射模式的最大時間為 0.5ms。

2. 直接模式 - 3 電平

在此模式下，發射器和 T/R 開關均啟用，通過邏輯輸入信號進行控制，嵌入式波束形成功能禁用，器件作為八通道 3 電平脈沖發生器工作。兩個邏輯輸入信號可控制每個通道傳輸 3 電平波形。

3. 直接模式 - 5 電平

該模式下，發射器和 T/R 開關同樣啟用，器件需外部配置為四通道 5 電平脈沖發生器，要求脈沖發生器輸出引腳（HVOUT）成對連接。通過四個控制 CMOS 輸入可控制脈沖發生器輸出和 T/R 開關輸出。

4. 波束形成模式

在該模式下，MAX14813 通過 SPI 總線進行編程，利用嵌入式數字資源支持片內波束形成。低降模式和脈沖發生器電流設置可通過寫入設備寄存器進行編程，大大減少了系統互連數量和 FPGA 總 I/O 數量，節省了 PCB 空間和系統成本。

設計要點：確保穩定可靠運行

1. 引腳連接與電容配置

在引腳連接方面，需要注意各個電源引腳（如 VPPA、VPPB、VNNA、VNNB、VCC、VEE 等）與地之間的旁路電容配置。HV 旁路電容應盡可能靠近器件放置，以減少連接走線的寄生電感。對于浮動功率調節器輸出引腳（VGP、VGN），應連接 1μF 旁路電容，并確保其靠近器件，同時使用具有低 ESR 和 ESL 的 SMD 旁路電容。

2. PCB 布局

推薦采用對稱的 PCB 單元布局，以確保左右通道具有相同的性能。對于每個電源輸入（Vpp、VNN、VGP、VGN、VCC、VEE），在器件的左右兩側應使用相同的旁路電容放置方式。此外，球柵陣列的內球應連接到地，通過多個接地平面和過孔連接 PCB 頂層和內層的器件接地球，有助于散熱。

3. 電源上電/下電順序

在 3 電平操作中，當 VPPA 和 VPPB 以及 VNNA 和 VNNB 外部硬連接時，無需遵循特定的上電/下電順序，低電壓電源（VIO、VCC、VEE）和 HV 電源（VPP、VNN）可以任意順序開啟和關閉。但在 5 電平配置中，必須始終滿足 (V{PPA} geq V{PPB}) 和 (V{NNA} leq V{NNB}) 的條件，否則可能會損壞設備。

總結

MAX14813 以其超緊湊的封裝、豐富的功能特性和出色的性能表現，為超聲成像應用的設計帶來了新的思路和選擇。作為電子工程師，我們可以充分利用其優勢，在滿足 PCB 空間要求的同時，實現高性能、低功耗、高靈活性的超聲發射系統設計。在實際應用中，我們需要仔細研究其電氣特性和工作模式，嚴格遵循設計要點，確保系統的穩定可靠運行。你在超聲發射系統設計中遇到過哪些挑戰呢？對于 MAX14813 又有哪些疑問或應用想法呢？歡迎在評論區留言討論。