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通常,对于CPU、Memory、Interface等数字电路来说,开关电源即便噪声大一点,也没关系,因为这些设备大都工作在MHz的级别,因此可以忽略不计电源的低频噪声,但是对于Audio、RF、Sensor等模拟电路来说,则必须考虑电源噪声对性能的影响,使用中优先选择LDO。下文以超声成像系统为例,讨论系统的噪声,分析开关频率和白噪声等主要因素,给出了目前行业领先的LDO对比表。
超声成像系统
随着超声波市场迅速增长,超声技术已经从静态转向动态,从黑白转向彩色多普勒。超声应用的不断增加,对探头、AFE和电源系统等部件的要求也越来越高。在医学诊断领域,超声成像系统对图像质量的要求越来越高。提高系统的信噪比是提高图像质量的关键技术之一。
超声波系统由传感器、发射电路、接收电路、后端数字处理电路、控制电路、显示模块等组成。数字处理模块通常由现场可编程门阵列(FPGA)组成,FPGA根据系统的配置和控制参数生成发射波束形成器和相应的波形图。发射电路的驱动器和高压电路然后产生高压信号来激发超声换能器。超声波换能器通常由PZT陶瓷制成。它将电压信号转换成进入人体的超声波,同时接收组织产生的回声。回声被转换成一个小电压信号,并传递给发射/接收开关。发射/接收开关的主要目的是防止高压发射信号损坏低压接收模拟前端。将经过信号调理、增益、滤波的模拟电压信号传递给AFE的集成ADC,然后转换为数字数据。数字数据通过JESD204B或LVDS接口到FPGA接收波束形成,然后到后端数字部件进行进一步处理,生成超声图像。
图1 超声成像系统框图
电源是如何影响超声波系统的?
超声成像系统噪声
超声成像系统中有不同的图像模式,不同的图像模式对动态范围有不同的要求,信噪比或噪声的指标要求取决于不同的图像模式:
黑白模式需要70dB的动态范围连续波多普勒(CWD)模式需要160dB
一个良好的电源可以通过考虑上述因素来改善超声图像。在设计超声应用电源时,设计者应该了解以下几个因素。
避免将意想不到的谐波频率引入采样频段(200 Hz至100 kHz),在电力系统中很容易发现这种噪声。大多数开关稳压器使用电阻器来设置开关频率。该电阻的误差会在PCB上引入不同的开关频率和谐波。例如,在400 kHz的DC-DC电源中,1%精度的电阻提供±1%的误差和4 kHz的谐波频率。更好的解决方案是选择具有时钟同步功能的电源。外部时钟将通过SYNC引脚向所有电源发送信号,以便所有电源在相同频率和相同相位切换。
在模拟信号处理的模拟电源引脚处添加LDO稳压器能够很好的解决以上的问题。共模的新一代超低噪声LDO能实现0.8μV rms的超低噪声,覆盖电流从100mA到1A。
表1 共模超低噪声和超高PSRR LDO系列
在超声系统中可以采用输出电流为500mA和1A的LDO,以GM1205为例,图2给出了其应用电路,频谱密度如图3所示。
图2 共模新一代低噪声LDO电源GM1205
图3 GM1205的超低噪声频谱密度
行业内高性能的LDO对比
表2给出了各个公司的LDO的性能指标。共模公司的GM1200是比电池噪声还低的电源,其噪声和电源抑制比达到国际领先水平。
Sn99.3Cu0.7 0.8mm 250G/锡丝/锡线 | 77.46 | |
FXL0630-470-M/功率电感 | 0.287448 | |
LL4148/开关二极管 | 0.086 | |
SM04B-SRSS-TB(LF)(SN)/线对板针座 | 0.5741 | |
TM1640B(TA1902)/LED显示驱动 | 0.5314 | |
TM1652/LED显示驱动 | 0.270957 | |
APM32F030C8T6/单片机(MCU/MPU/SOC) | 2.8 | |
RVT2A470M1010/贴片型铝电解电容 | 0.256666 | |
RVT1A221M0605/贴片型铝电解电容 | 0.076368 | |
AFC01-S24FCA-00/FFC/FPC连接器 | 0.342967 |
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