具有超低噪聲和超高PSRR的LDO有助于減小低頻噪聲與提高圖像質(zhì)量
2023-07-10 09:00:26閱讀量:2523
通常,對于CPU、Memory、Interface等數(shù)字電路來說,開關(guān)電源即便噪聲大一點(diǎn),也沒關(guān)系,因?yàn)檫@些設(shè)備大都工作在MHz的級別,因此可以忽略不計(jì)電源的低頻噪聲,但是對于Audio、RF、Sensor等模擬電路來說,則必須考慮電源噪聲對性能的影響,使用中優(yōu)先選擇LDO。下文以超聲成像系統(tǒng)為例,討論系統(tǒng)的噪聲,分析開關(guān)頻率和白噪聲等主要因素,給出了目前行業(yè)領(lǐng)先的LDO對比表。
超聲成像系統(tǒng)
隨著超聲波市場迅速增長,超聲技術(shù)已經(jīng)從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài),從黑白轉(zhuǎn)向彩色多普勒。超聲應(yīng)用的不斷增加,對探頭、AFE和電源系統(tǒng)等部件的要求也越來越高。在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域,超聲成像系統(tǒng)對圖像質(zhì)量的要求越來越高。提高系統(tǒng)的信噪比是提高圖像質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。
超聲波系統(tǒng)由傳感器、發(fā)射電路、接收電路、后端數(shù)字處理電路、控制電路、顯示模塊等組成。數(shù)字處理模塊通常由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)組成,F(xiàn)PGA根據(jù)系統(tǒng)的配置和控制參數(shù)生成發(fā)射波束形成器和相應(yīng)的波形圖。發(fā)射電路的驅(qū)動(dòng)器和高壓電路然后產(chǎn)生高壓信號來激發(fā)超聲換能器。超聲波換能器通常由PZT陶瓷制成。它將電壓信號轉(zhuǎn)換成進(jìn)入人體的超聲波,同時(shí)接收組織產(chǎn)生的回聲?;芈暠晦D(zhuǎn)換成一個(gè)小電壓信號,并傳遞給發(fā)射/接收開關(guān)。發(fā)射/接收開關(guān)的主要目的是防止高壓發(fā)射信號損壞低壓接收模擬前端。將經(jīng)過信號調(diào)理、增益、濾波的模擬電壓信號傳遞給AFE的集成ADC,然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過JESD204B或LVDS接口到FPGA接收波束形成,然后到后端數(shù)字部件進(jìn)行進(jìn)一步處理,生成超聲圖像。

圖1 超聲成像系統(tǒng)框圖
電源是如何影響超聲波系統(tǒng)的?
超聲成像系統(tǒng)噪聲
超聲成像系統(tǒng)中有不同的圖像模式,不同的圖像模式對動(dòng)態(tài)范圍有不同的要求,信噪比或噪聲的指標(biāo)要求取決于不同的圖像模式:
黑白模式需要70dB的動(dòng)態(tài)范圍脈沖多普勒(PWD)模式需要130dB
連續(xù)波多普勒(CWD)模式需要160dB
一個(gè)良好的電源可以通過考慮上述因素來改善超聲圖像。在設(shè)計(jì)超聲應(yīng)用電源時(shí),設(shè)計(jì)者應(yīng)該了解以下幾個(gè)因素。
避免將意想不到的諧波頻率引入采樣頻段(200 Hz至100 kHz),在電力系統(tǒng)中很容易發(fā)現(xiàn)這種噪聲。大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器使用電阻器來設(shè)置開關(guān)頻率。該電阻的誤差會在PCB上引入不同的開關(guān)頻率和諧波。例如,在400 kHz的DC-DC電源中,1%精度的電阻提供±1%的誤差和4 kHz的諧波頻率。更好的解決方案是選擇具有時(shí)鐘同步功能的電源。外部時(shí)鐘將通過SYNC引腳向所有電源發(fā)送信號,以便所有電源在相同頻率和相同相位切換。
超聲系統(tǒng)中也存在許多白噪聲,導(dǎo)致超聲成像中存在背景噪聲。這種噪聲主要來自于信號鏈、時(shí)鐘和電源。
在模擬信號處理的模擬電源引腳處添加LDO穩(wěn)壓器能夠很好的解決以上的問題。共模的新一代超低噪聲LDO能實(shí)現(xiàn)0.8μV rms的超低噪聲,覆蓋電流從100mA到1A。

表1 共模超低噪聲和超高PSRR LDO系列
在超聲系統(tǒng)中可以采用輸出電流為500mA和1A的LDO,以GM1205為例,圖2給出了其應(yīng)用電路,頻譜密度如圖3所示。

圖2 共模新一代低噪聲LDO電源GM1205
圖3 GM1205的超低噪聲頻譜密度
行業(yè)內(nèi)高性能的LDO對比
表2給出了各個(gè)公司的LDO的性能指標(biāo)。共模公司的GM1200是比電池噪聲還低的電源,其噪聲和電源抑制比達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

L7805CV-DG/線性穩(wěn)壓器(LDO) | 0.5401 | |
AMS1117-3.3/線性穩(wěn)壓器(LDO) | 0.1237 | |
BAT54C,215/肖特基二極管 | 0.0335 | |
LM358DR2G/運(yùn)算放大器 | 0.345 | |
CJ431/電壓基準(zhǔn)芯片 | 0.1147 | |
LM393DR2G/比較器 | 0.3153 | |
ADUM4160BRWZ-RL/隔離式USB芯片 | 31.6 | |
REF3012AIDBZR/電壓基準(zhǔn)芯片 | 0.9357 | |
SS8050/三極管(BJT) | 0.035 | |
8S005/錫膏/錫漿 | 17.67 |
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