德州仪器AFE58JD28ZAV模拟前端中文资料

一、型号与类型

德州仪器（Texas Instruments，简称TI）的AFE58JD28ZAV是一款高度集成的模拟前端（Analog Front-End, AFE）解决方案，专为需要高性能、低功耗和小尺寸的超声波系统而设计。该型号属于AFE58JD28系列，是TI在超声波技术领域的重要产品之一。AFE58JD28ZAV通过其独特的架构和功能，为医疗、工业检测等领域的超声波应用提供了强大的支持。

　　厂商名称：TI德州仪器

　　元件分类：模拟前端

　　中文描述： 具有102mW/通道功率、数字解调器以及JESD或LVDS接口的16通道超声波AFE

　　英文描述： 16-Ch Ultrasound AFE With 102mW/Ch Power,Digital Demodulator,and JESD or LVDS Interface 289-NFBGA-40 to 85

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　　AFE58JD28ZAV概述

　　AFE58JD28器件是高度集成的模拟前端(AFE)解决方案，专用于需要高性能、低功耗和小尺寸的超声波系统。

　　AFE58JD28是针对医疗超声波应用进行了优化的集成模拟前端(AFE)。该器件通过具有两个裸片的多芯片模块(MCM)进行实现：一个电压控制放大器(VCA)裸片和一个模数转换器(ADC)裸片。VCA裸片具有16个与ADC裸片的16个通道进行连接的通道。

　　VCA裸片中的每个通道均可配置为两种模式之一：时间增益补偿(TGC)模式和连续波(CW)模式。在TGC模式下，每个通道包含一个低噪声放大器(LNA)、一个电压控制器衰减器(VCAT)、一个可编程增益放大器(PGA)和一个三阶低通滤波器(LPF)。LNA能够以21dB、18dB或15 dB的增益进行编程。LNA还支持有源终端。VCAT支持0dB至36dB的衰减范围，并对衰减进行模拟电压控制。PGA提供阶跃为3dB的18dB至27dB增益选项。LPF截至频率可以在10MHz和30MHz之间进行设置，以支持具有不同频率的超声波应用。在CW模式下，LNA的输出将进入具有16种可选相位延迟的低功耗无源混频器，后跟具有带通滤波器的加法放大器。可以对每个模拟输入信号施加不同的相位延迟，从而执行片上波束形成操作。CW混频器中的谐波滤波器可以抑制三阶和五阶谐波，从而增强CW多普勒测量的灵敏度。

　　ADC裸片的16个通道可以配置为以14位或12位分辨率运行。ADC分辨率可以与转换速率进行折衷，并且能够在14位和12位的分辨率下分别以65MSPS和80MSPS的最大速度运行。ADC设计为根据采样率调整其功耗。ADC的输出接口通过低电压差分信号(LVDS)进行输出，可轻松与低成本现场可编程门阵列(FPGA)相连接。

　　此外，AFE58JD28还包含数字解调器和JESD204B数据打包块。具有可编程抽取滤波器的数字同相和正交(I/Q)解调器以低功耗加快了计算密集型算法的执行速度。该器件还支持速率高达5Gbps的可选JESD204B接口，进一步降低了高通道数系统中电路板布线的难度。

　　该器件还支持各种功率和噪声组合选项，从而优化系统性能。因此，对于具有严格的电池寿命要求的系统而言，这些器件是非常合适的超声波AFE解决方案。

　　该器件采用15mm×15mm NFBGA-289封装，并且与AFE5818和AFE5816系列引脚兼容。

　　AFE58JD28ZAV中文参数

　　AFE58JD28ZAV引脚图

二、工作原理

AFE58JD28ZAV模拟前端的工作原理主要基于模拟信号到数字信号的转换过程，同时集成了多种信号处理功能。其核心组成部分包括电压控制放大器（VCA）、模数转换器（ADC）、数字解调器以及JESD或LVDS接口等。

1. 信号放大与衰减：VCA裸片中的每个通道均可配置为时间增益补偿（TGC）模式或连续波（CW）模式。在TGC模式下，每个通道包含一个低噪声放大器（LNA）、电压控制器衰减器（VCAT）、可编程增益放大器（PGA）和三阶低通滤波器（LPF）。LNA能够以不同的增益（如21dB、18dB或15dB）进行编程，并支持有源终端。VCAT则提供0dB至36dB的衰减范围，用于调节信号的幅度。PGA则提供阶跃为3dB的增益选项，进一步调整信号强度。

2. 信号滤波：LPF用于滤除不需要的频率成分，确保信号的纯净度。其截至频率可在10MHz和30MHz之间设置，以适应不同频率的超声波应用。

3. 连续波处理：在CW模式下，LNA的输出进入低功耗无源混频器，该混频器具有16种可选的相位延迟，后跟带通滤波器的加法放大器。这一设计允许对每个模拟输入信号施加不同的相位延迟，从而执行片上波束形成操作。此外，CW混频器中的谐波滤波器能够抑制三阶和五阶谐波，提高CW多普勒测量的灵敏度。

4. 模数转换：ADC裸片的16个通道可配置为14位或12位分辨率运行，转换速率可根据需要进行调整。ADC设计为根据采样率调整其功耗，以确保在高性能和低功耗之间取得平衡。

5. 数字信号处理：AFE58JD28ZAV还包含数字解调器和JESD204B数据打包块。数字解调器以低功耗加速了计算密集型算法的执行速度，支持I/Q解调，提高了信号处理的效率。JESD204B接口则支持高达5Gbps的数据传输速率，降低了高通道数系统中电路板布线的难度。

三、特点

1. 高度集成：AFE58JD28ZAV集成了完整的超声波信号处理链，包括信号放大、衰减、滤波、模数转换和数字解调等功能，大大简化了系统设计。

2. 高性能：该器件提供102mW/通道的功率输出，支持高达14位的ADC分辨率和65MSPS至80MSPS的采样率，确保了信号的高保真度和高处理速度。

3. 低功耗：通过优化的电路设计和功耗管理机制，AFE58JD28ZAV在提供高性能的同时，实现了低功耗运行，非常适合于电池供电的设备。

4. 小尺寸：采用15mm×15mm的NFBGA-289封装，节省了宝贵的板载空间，适用于对尺寸有严格要求的应用场景。

5. 灵活性：支持多种工作模式（TGC模式和CW模式）和配置选项（如ADC分辨率和采样率），可根据具体需求进行灵活调整。

6. 易用性：提供JESD204B和LVDS接口，便于与各种数字处理平台（如FPGA）进行连接和通信。

四、应用

AFE58JD28ZAV因其卓越的性能和广泛的应用性，在多个领域得到了广泛的应用：

1. 医疗超声波：作为医疗超声波设备的关键组件，AFE58JD28ZAV为医疗成像提供了高质量的信号处理和转换功能，支持从基本的B超成像到高级的多普勒血流成像等多种应用。

2. 工业检测：在工业检测领域，超声波技术被广泛应用于材料检测、缺陷识别和厚度测量等方面。AFE58JD28ZAV的高性能和低功耗特性使其成为工业超声波检测设备的理想选择。

3. 科学研究：在物理、生物医学等科学研究领域，超声波技术也发挥着重要作用。AFE58JD28ZAV的高精度和灵活性使其成为科学研究中不可或缺的工具之一。

五、主要参数

1. 模拟输入特性：

• 输入通道数：16通道（支持独立配置）

• 输入范围：可编程，通常覆盖从微伏级到几伏级的信号范围

• 噪声性能：低噪声放大器（LNA）提供极低的输入噪声，通常在几十nV/√Hz以下

• 增益范围：VCA提供宽范围的增益调整，包括LNA增益（如21dB、18dB、15dB）、VCAT衰减（0dB至36dB）和PGA增益（以3dB为步长可调）

2. 模数转换器（ADC）：

• 分辨率：可选14位或12位

• 采样率：支持65MSPS至80MSPS（具体取决于配置和通道数）

• 信噪比（SNR）：在最高分辨率下，可达到70dB以上

• 功耗：根据采样率和分辨率的不同而有所变化，优化设计以实现低功耗

3. 数字信号处理：

• 解调器：内置I/Q解调器，支持复数信号处理

• 谐波抑制：CW混频器中包含谐波滤波器，有效抑制三阶和五阶谐波

• 数据接口：JESD204B接口，支持高速数据传输，最高可达5Gbps

4. 电源与功耗：

• 供电电压：通常为单一供电电压，如3.3V或1.8V（具体根据型号和配置）

• 功耗：在满配置和高性能模式下，总功耗较低，适合电池供电应用

• 功耗管理：支持多种低功耗模式，如待机模式和休眠模式，以进一步降低功耗

5. 封装与尺寸：

• 封装类型：NFBGA-289封装，适合高密度集成

• 尺寸：15mm x 15mm，小巧紧凑，节省板载空间

6. 环境参数：

• 工作温度范围：-40°C至+85°C（工业级温度范围）

• 存储温度范围：-65°C至+150°C

• 湿度敏感性等级：根据具体封装和批次而定，通常遵循JEDEC标准

7. 其他特性：

• 灵活的时钟管理：支持多种时钟源和时钟分频选项

• 同步功能：支持多片AFE58JD28ZAV之间的同步操作，便于构建大规模超声波阵列

• 编程与配置：可通过SPI接口进行编程和配置，支持广泛的配置选项和参数调整

六、总结与展望

德州仪器AFE58JD28ZAV模拟前端凭借其高度集成、高性能、低功耗和灵活配置的特点，在医疗超声波、工业检测以及科学研究等领域展现出了广泛的应用前景。该器件不仅提升了超声波系统的整体性能，还简化了系统设计流程，降低了系统成本。

随着超声波技术的不断发展，对模拟前端的要求也在不断提高。未来，AFE58JD28ZAV系列可能会继续优化其性能参数，如进一步提高ADC的分辨率和采样率、降低功耗、增强抗干扰能力等。同时，随着物联网、人工智能等技术的普及，超声波技术也将与这些先进技术相结合，为更多领域的应用提供创新解决方案。

总之，AFE58JD28ZAV作为德州仪器在超声波模拟前端领域的杰出代表，将继续在推动超声波技术发展方面发挥重要作用。