높은 채널 수, 카트 기반의 휴대용 초음파 이미징 장치용으로 탁월한 성능을 구현하는 새로운 프런트 엔드 초음파 IC
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저전력, 고성능, 프로그래밍 가능 CWD 내장, 8채널 초음파 프런트 엔드 IC
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SUNNYVALE, CA—2009년 7월 15일—Maxim Integrated Products (NASDAQ: MXIM) (맥심인터그레이티드프로덕트)는 믹서 기반 CWD (continuous-wave Doppler) 빔 형성기가 내장된 세계 최저 전력, 8채널, 초음파 프런트 엔드 솔루션 MAX2078을 출시했다. Maxim에서 새로 나온 이번 MAX2078은 최신 고성능, 저전력 초음파 코어로 LNA, VGA, CWD 기술 분야에서 축적된 Maxim의 최고 기술력이 결집된 제품이다. 이 소자는 하나의 완전 통합, 단일칩 내장식 소자에 액티브 입력 종단 LNA, VGA, 앤티 앨리어싱 (anti-alias) 필터 및 I/Q 믹서 CWD 빔 형성기를 결합하고 있다. MAX2078은 크기와 전력이 제한되고 성능 최적화가 필수적인 높은 채널 수, 카트 기반 및 휴대용 초음파 의료 이미징 애플리케이션을 대상으로 한다. 이 프런트 엔드 IC는 경쟁 제품인 모든 저전력, 완전 통합 초음파 프런트 엔드 중에서 가장 낮은 잡음과 가장 높은 동적 범위를 제공한다. 이 밖에도 MAX2078은 Maxim의 특허를 획득한 믹서 기반 CWD 솔루션을 채택하고 있으며 관련된 모든 초음파 빔 형성 특허와 완벽하게 호환된다.
초음파 설계
초음파 애플리케이션에서 향상된 이미지 품질과 감도는 경쟁 시스템 간에 핵심적인 차별화 요소로 간주된다. 이는 제한된 크기와 전력 요구사항을 달성하기 위해 성능이 희생되는 경우가 많은 치열한 경쟁의 소형 카트 기반 및 휴대용 이미징 분야에서 특히 현저하다. 이미지 품질과 감도는 초음파 수신기의 잡음 지수, 동적 범위, 이미지 분해능에 의해 직접적인 영향을 받는다.
수신기의 잡음 지수는 이미징 시스템에서 검출 가능한 가장 약한 신호 레벨(초음파 에코)을 결정한다. 우수한 잡음 지수는 이러한 약한 신호에 시스템 감도를 향상시켜 더 깊은 심도에서 이미징을 가능하게 하고 약한 도플러 혈류 신호도 검출할 수 있다.
동적 범위는 불필요한 대신호가 존재할 때 이러한 중요한 약한 신호를 검출할 수 있는 시스템 능력을 나타내는 척도이다. 우수한 동적 범위는 2차 고조파 이미징 방식에서 특히 중요한데 이 방식은 기본 이미징 주파수에 있는 강한 신호가 2차 고조파 주파수에 있는 관심있는 약한 신호와 간섭할 수 있기 때문이다. 뛰어난 동적 범위는 모든 펄스 및 연속파 도플러 방식에서도 필수적이다. 움직이지 않는 반사체로부터 발생하는 큰 "클러터 신호"가 관심있는 약한 도플러 신호(때로 1kHz 이내)와 간섭할 수 있기 때문이다.
마지막으로 위상 어레이 초음파 수신기에서 이미징 분해능은 수신 채널 수와 강력한 상관관계를 갖는다. 지원되는 채널 수가 많을수록 더 큰 수신 구경을 지원할 수 있으며 더 우수한 이미지 분해능과 품질을 얻을 수 있다. 더 큰 구경과 향상된 이미지 분해능을 지원하기 위해 필요한 많은 채널 수는 소형의 카트 기반 및 휴대용 초음파 시스템 수신기 프런트 엔드 솔루션에서 비용, 전력 및 크기에 중요한 걸림돌이 될 수 있다.
전체 수신기 감도와 이미지 품질을 향상시키는 탁월한 잡음 성능 및 동적 지수
최적의 초음파 수신기 감도는 특히 최적의 시간 영역 펄스 응답과 뛰어난 이미지 품질을 구현하기 위해 비교적 낮은 수신기 입력 임피던스로 트랜스듀서를 종단하는 경우 얻기 어렵다. MAX2078은 잡음 지수를 최적화하는 초저잡음, 프로그래밍 가능, 액티브 입력 임피던스 LNA를 제공함으로써 매우 낮은 전력에서 다양한 일반적인 최적 정합 트랜스듀서 종단 입력 임피던스를 구현한다는 점에서 유일하다. 이 소자는 200Ω 입력 임피던스 종단에서 단 2.4dB의 탁월한 전체 수신기 잡음 지수를 달성하는 동시에 채널 당 65mW 미만의 전류를 소비한다.
앞에서 언급했듯이 동적 범위는 모든 이미징 조건에서 수신기 감도를 유지하는 데에도 매우 중요하다. 따라서 MAX2078의 가장 큰 장점으로 정격 23nV/ 의 매우 낮은 캐스케이드 출력 기준 잡음을 꼽을 수 있다. 이는 가장 가까운 경쟁 칩셋 솔루션에 비해 2배 더 낮은 잡음이다. 출력 잡음 수준이 높으면 이후의 ADC 단의 잡음 플로어를 넘어서서 수신기의 광대역 SNR을 저하시킬 수 있기 때문에 낮은 출력 기준 잡음은 중요하다. 이러한 이유로 VGA는 종종 초음파 수신기의 전체 동적 범위를 제한하게 되며 이것이 ADC 잡음 성능의 향상이 많은 경우 수포로 돌아가는 이유이기도 하다. 높은 VGA 출력 기준 잡음에서 ADC 입력 기준 잡음 레벨은 보통 경쟁 초음파 수신기 칩셋의 출력 기준 잡음보다 낮기 때문에 시스템은 최적화되지 못한 레벨에서 동작한다.
펄스 도플러 이미징 모드에서 특히 중요한 것은 이미징 수신기 라인업의 인접, 대신호 SNR 성능이다. 저속 도플러 신호는 움직이지 않는 조직으로부터 발생하는 매우 큰 "클러터 신호" 또는 반사체의 대략 1kHz 이내에 있을 수 있다. 따라서 수신기의 인접, 대신호 SNR 성능은 큰 클러터 신호가 존재할 때 이러한 약한 저속 혈류 신호를 검출하는 수신기의 성능을 결정하는 핵심적인 성능 규격이다. MAX2078은 특별히 이러한 신호를 검출하도록 설계되었다. 소자는 5MHz 클러터 신호로부터 1kHz에서 140dBc/Hz의 뛰어난 대신호 SNR를 자랑한다. 많은 경쟁 소자는 제품의 데이터 시트에 이러한 중요한 성능 규격을 제공하지 못하고 있다.
약한, 저속 혈류 신호 검출을 향상시키는 탁월한 CWD 믹서의 인접, 대신호 SNR 및 선형성
MAX2078의 CWD 동작 모드에서 쿼드러처 믹서 어레이 내부에 있는 LO 위상 분배기는 최적의 빔 형성 분해능을 위해 16개 쿼드러처 위상 중 임의 위상으로 프로그래밍할 수 있다. MAX2078은 최적의 감도에서 100kHz부터 1kHz 미만까지 도플러 시프트를 검출하는 데 필요한 인접, 대신호 동적 범위와 잡음 성능을 제공한다.
믹서 및 LO 발생기는 200mVP-P, 1.25MHz 입력 클러터 신호로부터 1kHz 오프셋에서 -155dBc/Hz의 매우 낮은 인접, 대신호 SNR 성능을 갖는다. 이러한 전례없는 SNR 성능은 약한, 저속 CW 도플러 혈류 신호를 검출하는 데 핵심적이다. 움직이지 않는 조직, 골반사 및 송-수신 크로스토크로부터 CWD에서 발생되는 클러터 신호의 양은 대단히 클 수 있다. 수신기 입력에서 이러한 원하지 않는 신호가 200mVP-P 정도로 높은 경우는 드물지 않다. 탁월한 인접 SNR 성능을 제공하는 MAX2078은 검출이 어려운 혈류 신호를 측정하는 데 뛰어나다.
고집적 및 저전력으로 채널 밀도를 높이고 구현 간소화
초음파 설계는 더 높은 이미징 분해능과 더 많은 채널 수를 구현하는 방향으로 꾸준히 나아가고 있다. MAX2078은 다음과 같은 두 가지 근본적인 방법으로 더 높은 채널 수를 제공한다.
첫째, Maxim의 MAX2078 LNA/VGA/AAF/CWD 솔루션은 단일 칩에 8개 채널을 통합함으로써 매우 작은 보드 공간을 사용한다. 거의 모든 필요한 회로를 하나의 칩에 탑재하고 있다.
둘째, 통합으로 회로 기능을 향상시킨다. 많은 초음파 시스템은 다중 트랜스듀서 방식을 사용하여 다중 이미징 모드를 지원한다. 각각의 트랜스듀서는 고유의 출력을 가지며 마찬가지로 다중 모드 트랜스듀서는 각 동작 모드에 해당되는 특정 출력 임피던스를 제공한다(2D 이미징 vs. 조정 가능한 CWD). MAX2078은 이러한 넓은 범위의 출력 임피던스를 원활하게 지원할 수 있도록 고유의 스위칭 가능한 입력 임피던스 정합 네트워크를 통합하고 있다. 50, 100, 200, 1000Ω의 임피던스가 모두 이 단일 칩에 지원되며 입력 임피던스는 시스템의 각 동작 모드의 성능을 최적화하기 위해 스위칭할 수 있다.
MAX2078은 lead-free 64-TQFP 패키지로 제공된다. MAX2077*은 CWD 빔 형성기가 내장되지 않은 점만 제외하면 MAX2078과 기능과 규격이 동일하며 핀 호환 lead-free 64-TQFP 및 공간 절약형 56-TQFN 패키지로 제공된다. 자세한 내용은 korea.maxim-ic.com/Ultrasound-Front-End에서 확인할 수 있다.
Maxim Integrated Products는 고성능 반도체 제품을 설계, 생산하는 상장 회사로 2008회계년도 매출액으로 20억 달러 이상을 기록했다. Maxim은 창립 이래 25년이 넘도록 고객의 제품에 부가 가치를 창출하는 혁신적인 아날로그 및 혼합 신호 엔지니어링 솔루션을 공급하는 것을 기업의 사명으로 추구하고 있다. 현재 Maxim은 산업, 통신, 가전 및 컴퓨팅 시장을 대상으로 6000개 이상의 제품을 개발하고 있다. 보다 자세한 내용은 korea.maxim-ic.com에서 확인할 수 있다.
*출시 예정 제품(현재 샘플 제공 중). 자세한 내용은 당사에 문의 요망.
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