AFE5808A 超声模拟前端技术文档总结

AFE5808A是一种高度集成的模拟前端（AFE）解决方案 专为需要高性能和小型设备的超声系统设计。The AFE5808A 集成了完整的时间增益控制（TGC）成像路径和连续波多普勒（CWD） 路径。该设备还允许用户选择多种功率和噪声组合之一 优化系统性能。因此，AFE5808A是出色的超声模拟前端 解决方案不仅适用于高端系统，也适用于便携式系统。
*附件：afe5808a.pdf

AFE5808A设备包含八个电压控制放大器（VCA），分别为14位和12位 模拟转数字转换器（ADC）和CW混频器。VCA包含一个低噪声放大器（LNA）， 电压控制衰减器（VCAT）、可编程增益放大器（PGA）和低通滤波器（LPF）。 LNA增益可编程支持250 mVPP到1 VPP输入信号。可编程主动终端也由 LNA。超低噪声VCAT提供40 dB的衰减控制范围，整体性能有所提升 低增益信噪比，有利于谐波成像和近场成像。PGA提供增益选项 分别为24 dB和30 dB。在ADC前方，低频频段可配置为10 MHz、15 MHz、20 MHz或30 MHz MHz 以支持不同频率的超声应用。高性能的14位， AFE5808A器件中的65-MSPS ADC实现77 dBFS信噪比，确保低链时优异的信噪比 获得。ADC LVDS输出实现了微型化系统所需的灵活集成。

AFE5808A设备还集成了低功耗无源混频器和低噪声加和器 实现片上CWD波束成形的放大器。可选择十六种相位延迟 每个模拟输入信号。唯一的三阶和五阶谐波抑制滤波器被实现为 提升CW敏感度。

该AFE5808A提供15毫米×9毫米、135针BGA封装，具体规格为 作范围为0°C至85°C。 该设备还与 AFE5803， AFE5807，且 AFE5808。

注意：AFE5808A是AFE5808的增强版，建议新设计使用。 与AFE5808相比，AFE5808A扩大了数字高通的截止频率范围 滤波器;提升极端过载信号的处理能力;并且降低了相关 当高阻抗源出现时，噪声会显著。

特性

• 8通道完整模拟前端
  • LNA、VCAT、PGA、LPF、ADC和CW混音器
• 可编程增益低噪声放大器（LNA）
  • 24、18 或 12 dB 增益
  • 0.25、0.5或1伏PP线性输入范围
  • 0.63、0.7或0.9 nV/√Hz输入参考噪声
  • 可编程主动终端
• 40 dB，低噪声电压控制衰减器
  （VCAT）
• 24 或 30 dB 可编程增益放大器（PGA）
• 三阶线性相低通滤波器（LPF）
  • 10 MHz、15 MHz、20 MHz 或 30 MHz
• 14位模拟转数字转换器（ADC）
  • 77 dBFS 信噪比，65 MSPS
  • LVDS输出
• 噪声与功耗优化（全链）
  • 158 mW/CH，0.75 nV/√Hz，65 MSPS
  • 101 mW/CH，功率1.1 nV/√Hz，40 MSPS
  • 连续波模式下80 mW/CH
• 卓越的设备间增益匹配
  • ±0.5 dB（典型）和±0.9 dB（最大）
• 低谐波失真
• 快速且持续的过载恢复
• 连续波多普勒（CWD）被动混频器
  • 低近相位噪声：1
    KHz时，2.5 MHz载波，低156 dBc/Hz
  • 相位分辨率为1/16λ
  • 支持16X、8X、4X和1X连续时钟
  • 第三和第五谐波的12 dB抑制
  • 柔性输入时钟
• 小封装：15毫米×9毫米，135针NFBGA

参数

方框图

AFE5808A 是德州仪器（TI）推出的高集成度超声模拟前端（AFE）芯片，集成 8 通道完整信号链与连续波多普勒（CWD）路径，支持 14/12 位 ADC 采样（最高 65 MSPS），以低噪声、灵活功耗配置和小尺寸为核心优势，专为医疗超声成像、无损检测设备设计。

一、芯片基础信息与核心特性

1. 基础规格

• 文档与型号 ：文档编号 SLOS729D，2011 年 10 月发布、2015 年 11 月修订，与 AFE5803/5807/5808 引脚兼容。
• 供电与温度 ：模拟电源（AVDD）3.15V-3.6V，5V 模拟电源（AVDD_5V）4.75V-5.5V，ADC / 数字电源（AVDD_ADC/DVDD）1.7V-1.9V；工作温度 0°C 至 85°C，存储温度 - 55°C 至 150°C。
• 封装与散热 ：15mm×9mm 135 引脚 NFBGA 封装，底部带热焊盘（DAP），结到环境热阻 34.1°C/W，热焊盘需焊接至 PCB 接地平面以保障散热。

2. 核心性能指标

• 信号链性能 ：LNA 增益可选 12/18/24 dB，输入噪声低至 0.63 nV/√Hz（24 dB 增益）；40 dB 电压控制衰减器（VCAT）线性度优异，PGA 增益可选 24/30 dB；3 阶低通滤波器（LPF）支持 10/15/20/30 MHz cutoff 频率。
• ADC 性能 ：14 位分辨率，无失码；65 MSPS 采样率下 SNR 达 77 dBFS，SFDR 优异，THD-55 dBc；通道间增益匹配 ±0.5 dB（典型）、±0.9 dB（最大），过载恢复时间快且一致。
• CW 路径性能 ：集成无源混频器与求和放大器，支持 16X/8X/4X/1X CW 时钟模式；1 kHz 偏移时相位噪声 - 156 dBc/Hz，3 次 / 5 次谐波抑制≥12 dB；I/Q 通道增益匹配 ±0.04 dB，相位匹配 ±0.1°。
• 功耗优化 ：低噪声模式下 65 MSPS 功耗 158 mW / 通道，40 MSPS 低功耗模式 80 mW / 通道；支持全局 / 部分 / 单通道掉电，完全掉电功耗仅 0.6 mW / 通道，唤醒时间最快 1 μs。

二、关键功能模块与工作原理

1. 核心功能模块

• 8 通道信号链 ：每通道集成 LNA、VCAT、PGA、LPF 和 14 位 ADC，支持独立配置；LNA 支持 50/100/200/400 Ω 可编程有源终端，适配不同超声换能器阻抗。
• CWD 路径 ：内置 8 通道无源混频器，支持 16 级相位延迟（步长 22.5°），实现高精度波束成形；求和放大器支持 32 种增益配置，可外部扩展多芯片级联。
• 灵活配置功能 ：
  • 功耗模式：支持低噪声 / 中功率 / 低功率三档配置，平衡噪声与功耗需求。
  • 数字处理：ADC 支持通道平均、数字高通滤波（HPF）、低频噪声抑制，输出格式可选 12/14/16 位 LVDS。
  • 测试模式：提供斜坡、伪随机、自定义等多种 LVDS 测试图案，便于系统调试。

2. 工作原理

• 超声信号经 LNA 放大、VCAT 衰减（实现时间增益控制 TGC）、PGA 二次放大、LPF 抗混叠滤波后，由 ADC 数字化并通过 LVDS 接口输出；CWD 路径通过混频器下变频信号，经求和放大器汇总后输出 I/Q 基带信号。
• 采样时钟支持差分（LVDS/LVPECL）或单端（CMOS）输入，CW 时钟支持多模式配置，通过 SPI 接口实现增益、滤波器、功耗等参数的灵活编程。

三、应用场景与设计建议

1. 典型应用

• 医疗超声成像 ：支持 B 超、彩色多普勒等模式，低噪声特性保障深部组织信号采集，多通道同步性满足阵列换能器需求。
• 无损检测设备 ：高采样率与宽信号带宽适配高频超声探头，抗干扰能力强，适配工业环境检测场景。

2. 设计注意事项

• 电源与接地 ：模拟地（AVSS）与数字地（DVSS）共地，各电源引脚就近并联 0.1 μF 去耦电容，CM_BYP/VHIGH 引脚需并联≥1 μF 电容抑制低频噪声。
• 时钟设计 ：ADC/CW 时钟推荐使用低抖动源（如 LMK048X 系列），差分时钟需 AC 耦合，单端时钟建议 1.8V 振幅；多芯片系统需保证时钟延迟匹配。
• 输入 / 输出匹配 ：LNA 输入通过 0.1 μF 电容 AC 耦合，INM 引脚并联 15 nF 电容设置 HPF cutoff；LVDS 输出需匹配 100 Ω 差分负载，走线长度差异控制在 3.81 mm 内。
• ESD 防护 ：芯片 ESD 额定值为人体放电模型（HBM）±1000 V、带电器件模型（CDM）±250 V，存储和操作时需采取防静电措施。

四、关键配置与操作要点

1. 核心功能配置

• 信号链配置 ：通过寄存器选择 LNA/PGA 增益、LPF 频率、VCAT 衰减量；启用有源终端时需配置对应寄存器与外部电容。
• 功耗管理 ：支持全局掉电（PDN_GLOBAL）、VCA 部分掉电（PDN_VCA）、ADC 掉电（PDN_ADC），可通过引脚或寄存器控制，寄存器配置在掉电模式下保持。
• CW 路径配置 ：选择时钟模式（16X/8X/4X/1X），配置混频器相位延迟与求和放大器增益；多芯片级联时通过 1X CW 时钟同步。
• 数字功能配置 ：启用通道平均提升 SNR，配置数字 HPF 抑制低频噪声，选择 LVDS 输出格式与速率。

2. SPI 接口操作

• 通信格式 ：4 线 SPI 接口（SEN/SCLK/SDATA/SDOUT），SEN 低电平启动传输，24 位帧格式（8 位地址 + 16 位数据），SCLK 最高频率 20 MHz。
• 寄存器操作 ：支持读写配置寄存器，包括增益、滤波器、功耗模式等参数；支持寄存器读回功能，便于验证配置正确性。