超声成像模拟前端关键模块的研究与设计

发布时间：2020-10-16 16:16

　　 快速变化的生活节奏要求对身体的检测、治疗能够做到迅速、准确,而超声成像系统在现代医疗体系中有着举足轻重的作用。超声波经人体组织、骨骼衰减后,换能器能接受到的信号极其微弱,模拟前端对这个小信号处理的质量决定着成像的好坏。我国的超声成像系统整体集中在中低端产品,高性能模拟芯片更是严重依赖进口,所以研究和设计出具有自主产权的超声成像模拟前端芯片极为重要。腹部超声成像模拟前端的基本模块有:低噪声放大器,可编程增益放大器,低通滤波器。本文低噪声放大器采用噪声消除技术,利用信号和噪声相位相反的特点消除噪声,增大增益。将低噪声放大器输入阻抗匹配到50Ω,仿真优化后得到的输入、输出匹配参数S_(11)、S_(22)均小于-10dB,增益参数S_(21)为16.1dB,反向增益S_(12)为-45dB,噪声系数为1.9dB,三阶交调点为-1.89dBm。该电路匹配良好,增益满足输入级要求,输入输出级有较好的隔离,噪声小,线性度高;可编程增益放大器由两级电路组成:粗调级和细调级可编程增益放大器,粗调级PGA将两个带有反馈环路的退化电阻固定增益放大器级联耦合在一起,细调级PGA采用闭环电阻反馈结构,通过改变电阻的比值实现增益细调,并且在输入端加上缓冲器,隔离前一级的输出电阻对本级输入电阻的影响。粗调级实现0~56dB的增益控制范围,步长为14dB,增益为14dB时三阶交调点为2.98dBm,噪声系数为24.5dB,增益为56dB时三阶交调点为2.95dBm,噪声系数为26.5dB。细调级实现0~14dB的增益控制范围,步长为2dB,三阶交调点为12.2dBm,其中运放第一级为折叠cascode结构,输出级为class-AB结构,整体带宽为200MHz,相位裕度为73度。仿真结果表明:增加负反馈环路的退化电阻结构即可以使电路噪声系数较小,同时线性度也比较高,闭环电阻反馈结构具有较好的线性度;低通滤波器采用两级双二阶多路反馈的巴特沃兹结构,其主要的功能是防止ADC采样混叠。设计的LPF截止频率为2MHz,阻带衰减为-75dB,群延时为2.9×10~(-7)s。滤波器整体平坦度较高,群延时小,满足衰减要求;带隙基准电压源采用V_(be)线性化技术,温漂系数为7.8ppm/~oC,电源抑制比为-57.39dB,基准电压源随温度变化小,受电源影响小。本文采用TSMC0.18μmCMOS工艺库,各个模块设计完成后,采用交流耦合的方式级联在一起。整体上实现了16~72dB的增益控制范围,步长为2dB,最大增益处的噪声系数为5.2dB,线性度为-15.9dBm。级联在一起的电路噪声系数较小,线性度高,非线性失真小,能够承受信号源的功率,满足设计要求。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB559;TP391.41
【部分图文】：

图3.2 LNAS11仿真结果参数 S22仿真曲线如图 3.3 所示，可以很明显的看出该数的设计目标和输入匹配参数 S11一样，只要低于-10dB 就得出输出匹配参数设计良好，输出端较少的信号被射波。

图3.3 LNAS22仿真结果数 S21仿真曲线如图 3.4 所示，在 1M~10MHz 的频率范围内，这里所设置的反馈电阻为 400Ω，根据理论计算总的增益为 1一致，从而验证电路设计的正确性，也满足 LNA 所要求的增

图3.4 LNAS21仿真结果压增益曲线 S12仿真曲线如图 3.5 所示，在工作频率范围内益也可称为反向隔离度，体现输入端和输出端隔离程度的好程度比较低，即 S12比较大时，会形成正反馈使得电路振荡
【参考文献】

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本文编号：2843483