通常，對(duì)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(jí)別，因此可以忽略不計(jì)電源的低頻噪聲，但是對(duì)于Audio、RF、Sensor等模擬電路來說，則必須考慮電源噪聲對(duì)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(duì)比表。

超聲成像系統(tǒng)

隨著超聲波市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)，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(duì)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(duì)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(chǎng)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(hào)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(hào)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。回聲被轉(zhuǎn)換成一個(gè)小電壓信號(hào)，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(hào)損壞低壓接收模擬前端。將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、增益、濾波的模擬電壓信號(hào)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?

從上面描述的超聲結(jié)構(gòu)來看，系統(tǒng)噪聲可能受到許多因素的影響，如發(fā)射信號(hào)鏈、接收信號(hào)鏈、TGC增益控制、時(shí)鐘和電源。在這里，我們主要討論電源如何影響噪聲。

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(duì)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

噪底對(duì)黑白模式很重要，它影響到最小超聲回波在遠(yuǎn)場(chǎng)可見的最大深度，這是黑白模式的關(guān)鍵特征之一。1/f噪聲對(duì)于PWD和CWD模式尤為重要。PWD和CWD圖像都包含1 kHz以下的低頻頻譜，而大于1 kHz的多普勒頻譜則受到相位噪聲的影響。由于超聲換能器的頻率一般在1 MHz到15 MHz之間，在這個(gè)范圍內(nèi)的任何開關(guān)頻率噪聲都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。如果PWD和CWD頻譜(從100 Hz到200 kHz)中存在相互調(diào)制的頻率，則在多普勒?qǐng)D像中會(huì)出現(xiàn)明顯的噪聲頻譜，這在超聲系統(tǒng)中是不可接受的。

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。

1、開關(guān)頻率

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(huì)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(hào)，以便所有電源在相同頻率和相同相位切換。

2、白噪音
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(hào)鏈、時(shí)鐘和電源。

在模擬信號(hào)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(duì)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(guó)際領(lǐng)先水平。

  

表2  共模超低噪聲和超高PSRR LDO系列