AD604放大器在醫(yī)用超聲系統(tǒng)中的應用

AD604是Analog Devices（AD公司）的產品。和同類產品相比，AD604具有超低噪聲、高精度、增益連續(xù)可調，且增益的分貝（dB）數和增益的控制電壓成正比的特點。而醫(yī)用超聲儀器的時間增益控制（TGC）電路要求其增益與控制電壓呈指數關系，也就是增益的分貝（dB）數和控制電壓成線性關系。因此，在這方面， AD604是一個理想的超聲TGC放大器，它能有效減小送入A／D轉換器的信號動態(tài)范圍。AD604的主要特點如下：

具有超低的輸入噪聲，在最大增益時，其電壓和電流噪聲分別為

帶寬為40MHz（－3dB）；

具有兩個獨立的增益通道，并且增益的分貝（dB）數和增益控制電壓成正比；

每個通道的增益均可程控。在前置放大14 dB時，增益可在0～＋48dB之間調整；而在前置放大20dB時，增益在＋6～＋54dB之間可調；

具有300kΩ輸入電阻；

可變增益范圍為20～40dB／V；

在溫度和供電電壓發(fā)生變化時，其增益非常穩(wěn)定；

可進行單端單極性增益控制；

當增益超出最低端極限時，電源會自動斷電；

可直接驅動A／D轉換器。

1 引腳功能

AD604采用24腳封裝，并有DIP、SSOP和SOIC三種封裝形式，其管腳排列如圖1所示。各引腳的功能說明如下：

PAI1／PAI2：前置放大器正輸入；

PAO1／PAO2：前置放大器輸出；

FBK1／FBK2：前置放大器反饋端；

COM1／COM2：信號地；當其接正電源時，前置放大器通道被關閉；

－DSX1／－DSX2：微分衰減器信號輸入負端；

＋DSX1／＋DSX2：微分衰減器信號輸入正端；

VGN1／VGN2：增益控制輸入端以及電源關閉端。接地時，該衰減通道被關閉；否則隨著正電壓的增加，增益將逐漸增加；

VREF：兩個通道的增益控制檔。當其電壓為＋2．5V時，增益為20dB／V，而當電壓為＋1．67V時，增益為30dB／V；

VOCM：輸出信號的共模信號控制端。用以確定這部分電路中直流信號的中值電壓；

OUT1／OUT2：信號輸出端；

VPOS／VNEG：接正／負電源；

GND1／GND2：接地端。

圖1 AD604引腳圖

2 內部結構及工作原理

AD604是一個雙通道可變增益放大器。它的每一個通道都是由一個低噪聲前置放大器和一個可變增益放大器（XAMP）組成。同時XAMP又由一個高精度受控微分衰減器、一個增益控制單元、一個固定增益反饋放大器及一個由分立元件R3、 R4組成的VOCM共模電壓控制單元組成。其原理如圖2所示。AD604的每一個通道都可提供一個范圍為48dB的可變增益。

圖2 ad604單通道結構圖

2．1 前置放大器

AD604的每一個通道都有一個高性能的前置放大器，通過反饋回路上的一個外部電阻可將放大倍數控制在＋14dB～＋20dB。前置放大器的內部電路如圖3所示。其中R5、R6、R7是前置放大器的增益控制電阻。具體增益的大小可通過FBK1和PAO1之間的電阻來確定。

圖3 AD604 前置增益放大

2．2 微分梯形網絡（衰減器）

前置放大的輸出可作為指數放大器的微分輸入以獲得分貝線性的增益。這個衰減器是由一個7階的R－1．5R梯形網絡實現的。每一階的衰減為6．908dB，因此最后總的衰減為48．356dB。

2．3 增益控制

AD604的線性增益控制是通過VGN端實現的。用戶可將自己需要的變化電壓輸入給VGN以獲得一個變化的增益。VGN端的輸入電阻是2MΩ。為了適應不同用戶對增益的需要，AD604還提供了一個增益控制檔。通過調節(jié)VREF的輸入電壓可以調節(jié)增益的檔次：VREF電壓從2．5～1． 25V分別對應20～40dB／V的增益檔。對于20dB／V增益檔，VGN的調節(jié)范圍為0．2～1．2V；而對于40dB／V增益檔，VGN的調節(jié)范圍為0．4～2．4V。當前置放大為14dB時，可以按以下公式來計算增益數：

2．4 固定增益放大器

這一級放大實際上就是由一個運算放大器組成的反饋電路。反饋放大器輸出中的一路可作為反饋輸入；另一路則作為微分器的輸入（參見圖2）。

這部分放大器總的增益為：G總＝VOUT／VATTEN＝［（R1＋R2）／R2］gm1／gm2。其中，VOUT是輸出電壓，VATTEN是衰減器的讀出信號，（R1＋R2）／R2＝42，gm1／gm2＝1．25。因此，總的增益為52．5（即34．4dB）。

3 AD604在醫(yī)用超聲設備中的應用

當醫(yī)用超聲儀器發(fā)出的超聲波在人體內傳播時，其能量將被人體組織吸收。隨著探測深度的增加，超聲波的能量將逐漸衰減。為了使不同深度組織界面的回波幅值相同，應將不同深度下的回波信號進行不同程度的衰減放大，以實現聲程補償，也就是需要接收機的增益隨掃描時間的增加而增加，因為從較深部位聲界面反射的回聲信號的放大倍數較大，而距換能器較近的反射信號，也就是在時間上較早到達的回波信號則放大倍數較小。在超聲波診斷類儀器中，一般使用TGC（Time Gain Compensation）深度時間增益補償電路，即用一定的電壓曲線來控制放大器的增益，以使得不同深度下的超聲回波能夠獲得不同的放大倍數，從而起到補償作用。

圖4 AD604在TGC應用超聲中的應用

圖4所示是一個用AD604驅動AD9050（10－bit，40MSPS的ADC）的醫(yī)用超聲增益補償電路。當AD7226 D／A轉換器與其它微處理器接口時，應將讀入的放大倍數數字量轉換為模擬量，然后把這個模擬量作為AD604的增益控制信號輸入（即與其VGN端相連），從而實現增益的控制。經過AD604衰減補償的信號，再經過濾波器及AD9631（低畸變、低噪聲、高速運算放大器）后即可成為ADC的有效輸入。運算放大器的輸出和ADC的自偏輸入在進行交流耦合后，即可由AD9050 A／D轉換器進行采樣速率為40MSPS的模數轉換。

該方案解決了醫(yī)用超聲軟組織測量過程中由聲程導致的回波信號的非線性補償問題。與傳統(tǒng)的分立元件電路相比，該方案具有電路簡單、TGC控制信號穩(wěn)定可靠以及調節(jié)靈活等特點，能準確地補償超聲波在人體內的衰減，從而為控制系統(tǒng)實現高速數字化提供一個新的可靠方法。