CN101019039A - 用于实现高电压超声功能的集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于实现超声成像系统的高电压超声功能的集成电路。该集成电路封装成集成芯片。该集成电路由绝缘体上硅(SOI)技术组成，并集成了至少下述高电压超声功能：栅极驱动器、功率放大器、发射/接收开关。可选地，该集成芯片可包含低噪声的前置放大器和模拟多路复用器。

Description

用于实现高电压超声功能的集成电路
技术领域
本发明一般而言涉及超声成像系统。更具体而言，本发明涉及用于实现超声成像系统的高电压超声功能的集成电路。
背景技术
图1示出了超声成像系统10。压电换能器阵列12由电学激励产生超声波，且相反地将入射到其的超声波转换成电学信号。压电换能器阵列12容纳于自身的外壳内，且通过两米线缆14连接到容纳了超声成像系统10其余部分的手推车(cart)。
采集子系统16激励压电换能器阵列12以产生超声波。该采集子系统还将压电换能器阵列12根据入射超声波产生的电学信号处理成扫描线。扫描线提供从压电换能器阵列12发出的关于位于轴上的组织的回声信息。信号处理子系统18将这些扫描线转换成图像。该图像可以被界面、存储和连接子系统20显示、存储、或者转送到另一个系统。子系统22提供用户界面以及对其他子系统16、18和20的控制。
采集子系统16由多个相同通道组成，其中每个通道处理压电换能器阵列12中的单个压电换能器。一般而言，压电换能器交替地用于产生和接收超声波。采集子系统16的每个通道因此包括向压电换能器提供高电压信号以产生超声波的发射器和处理由压电换能器吸收的超声波所产生的电学信号的接收器。一组开关避免了发射器和接收器的相互干扰。
发射器具有以下困难的任务，即，低失真地将低压高频模拟信号放大成高电压(通常200Vpp)大电流(通常+/-2A)信号。该发射器包括分立的元件，例如高电压晶体管、低压运算放大器、大电流缓冲器、变压器、电容器、电阻器等，以用于放大低压高频模拟信号。因此，采集子系统16的每个放大器需要大量的分立元件，并在系统内占据相当大的板上空间。高端超声成像系统中大的通道数量(通常为128)需要耗费大量成本。
因此需要在单个集成电路上集成超声成像系统的每个发射器的高电压功能。该单个芯片将大幅减小用于实现高电压发射器功能的传统超声发射器电路的多个分立元件所需的空间。此外，传统超声发射器电路中使用的分立元件可以被优化以用于其他用途。其尺寸和功耗因此高于所需的值。通过调整超声成像系统的所有元件的尺寸和性能，单个集成电路可以以更低的功耗提供更优的性能。
发明内容
本发明提供了用于实现超声成像系统的高电压超声功能的集成电路。该集成电路封装成为集成芯片。这样，本发明的集成芯片大幅减小了实现高电压发射器功能的传统超声发射器电路的若干分立元件所需的空间。
使用绝缘体上硅(SOI)技术制造该集成电路。该集成电路封装成为一种集成芯片，其集成了至少以下高电压超声装置：栅极驱动器、功率放大器、以及用于至少一个通道的发射/接收开关。可选地，可以添加低噪声的前置放大器和模拟多路复用器。优选的SOI技术将低压CM0S技术、双极晶体管与可以在单个芯片上维持超过超声要求电压的高电压高速晶体管相结合。这些晶体管通过电介质相互隔离。这导致与竞争技术相比大幅的面积减小。该技术还实现了在同一芯片上集成数字逻辑、低压和高电压模拟功能。所有这些元件对于高性能超声发射器都是必需的。
因此，本发明将现有技术的超声发射器电路的构建模块(低噪声放大器、栅极驱动器、功率放大器、隔离二极管、T/R开关、模拟多路复用器等)集成于单个SOI芯片上，并执行其各自功能。此外，本发明提供的SOI集成允许添加新功能(例如用于功率降低的动态偏置)和新电路技术，使用现有技术发射器电路的多个分立元件，这些新的电路技术是不现实的或者完全不可能的。
附图说明
通过参照附图对本发明各种实施方案的以下详细描述，本发明的这些和其他优点将变得更加显而易见，附图中：
图1为超声成像系统的方框图；
图2为根据本发明的用于实现超声成像系统的高电压超声功能的单个SOI集成芯片的方框图；以及
图3为超声成像系统的示意图。
具体实施方式
超声系统中的图像质量取决于许多因素。其中一个因素为可用的通道数目。由于功耗以及板空间的原因，现有技术的超声成像系统限于128个通道。本发明提供了一种集成的高电压SOI集成电路，其允许使用更多个通道(例如256个通道)并由此提高图像质量。单个通道的性能也是至关重要的。使用寄生成分保持为最小的本发明的单个SOI集成发射器，例如信噪比、失真和转换速率(slew rate)的度量标准得到显著改善。
如图2所示，使用绝缘体上硅(SOI)技术制造该集成电路，并通常使用参考数字100指代该集成电路。集成电路100封装成为集成了至少以下高电压超声装置的集成芯片：低噪声前置放大器(LNA)102、栅极驱动器104和功率放大器106、发射/接收开关108。LNA102可位于芯片100外部。
优选的SOI技术将低压CMOS技术、双极晶体管与可以在单个芯片上维持超过超声要求电压的高电压、高速晶体管相结合。SOI IC芯片100上的晶体管通过电介质相互隔离。这导致了与竞争技术相比大幅的面积减小。该技术还允许在同一芯片上集成数字逻辑、低压和高电压模拟功能。所有这些元件对于高性能超声发射器都是必需的。
实施本发明的最佳方式是将尽可能多的单个通道的功能集成到单个芯片100上，并且在功耗与/或面积允许的情况下在芯片100上集成尽可能多的通道。用于集成电路100的该优选SOI技术为Philips EZ-HV，因为该技术允许必要电压范围的晶体管(～250V)，且提供了全部一起集成于单个芯片上的低和中电压范围的双极与MOS晶体管。
SOIIC芯片100通过第一端子(T1)获得超声成像系统(例如图1所示的系统)所产生的小幅值模拟或数字信号(低电压信号)。SOIIC芯片100使用低噪声放大器(LNA)102放大该低电压信号以用于栅极驱动器104，栅极驱动器104接着将该信号放大以用于功率放大器106。功率放大器106进一步放大该信号，以通过第二端子(T2)将高电压信号(例如约200Vpp)输出到超声成像系统(见图3)的超声探头110。超声探头110通过具有电阻器R和电容器C的RC电路连接到SOIIC芯片100。可以考虑将一个或多个IC芯片100容纳在探头110内。第一和第二端子(T1和T2)可以是SOIIC芯片100的物理引脚，或者是完全位于SOI IC芯片100内的信号节点。
也位于同一SOI芯片100上的T/R开关108在发射过程中保护接收电子装置，并为从超声探头108接收的至少一个信号提供到超声成像系统的低阻抗路径。接收到的信号被传送到超声成像系统，例如图3所示系统。
因此，本发明将现有技术的超声发射器电路的构建模块(栅极驱动器、功率放大器、隔离二极管、T/R开关等)集成于单个SOI芯片上，并执行其各自功能。此外，本发明提供的SOI集成允许添加新功能(例如用于功率降低的动态偏置)和新电路技术，使用现有技术发射器电路的若干分立元件，所述新电路技术是不现实的或者完全不可能的。可以在该SOI芯片内提供额外的电路系统，例如用于合成信号波形的数字逻辑电路系统，以及用于在执行高电压放大之前将合成的信号波形转换成模拟域的电路系统。
本发明的附加实施方案提供了一种超声成像系统300，用于采集和显示例如医学图像的超声图像，从而辅助诊断健康相关状况，如图3所示。该超声成像系统300包括例如超声探头的手持超声扫描装置302，其具有压电换能器阵列302、多路复用器(未示出)、以及至少一个如前所述的用于执行高电压超声功能的SOI IC芯片100。
压电换能器阵列302发射频率范围为20KHz至20MHz的超声能量。当超声能量被患者体内的组织和结构反射时，反射的能量被阵列302探测，阵列302接着通过多路复用器将各个通道的能量数据传递到控制单元304。
控制单元304通过电缆306与手持扫描装置302电通信，电缆306理想地还为压电换能器阵列302的工作供电。与电缆306相结合或者替代电缆306，可以在控制单元304和手持扫描装置302之间使用其他通信装置。所述其他通信装置包括蓝牙、IEEE 802.11a/b/c、红外线等。
控制单元304包含处理器308和一个或多个存储装置310，该处理器308配置成执行各种图像分析和处理功能。存储装置310既提供从手持扫描装置302接收的原始数据的临时存储，也提供经过处理的图像的长期存储。存储装置310可以是硬盘驱动器、可写CD-ROM或DVD、存储器模块、磁光驱动器、以及磁性介质的任意组合。控制单元304另外连接到例如CRT或LCD屏幕的显示装置312，以显示超声图像。此外还提供了一个或多个用户输入装置314，允许操作人员向控制单元304发出命令。
假设所述多路复用器可设于该至少一个SOI IC芯片100内。在系统300的一个备选实施方案中，该至少一个SOI IC芯片100位于控制单元304内。在该实施方案中，该多路复用器位于手持超声扫描装置302内。
本发明的上述实施方案旨在阐述而非限制，且并不旨在代表本发明的所有实施方案。在不背离由所述权利要求文字上以及法律上等同特征所界定的本发明的精神或范围的情况下，可以进行各种调整和变化。

Claims (20)

1.一种用于超声成像系统(100)的集成电路(100)，所述集成电路(100)包括：
第一端子(T1)，用于接收由所述超声成像系统(300)产生的低电压信号；
用于放大所述低电压信号以获得高电压信号的装置；以及
第二端子(T2)，用于将所述高电压信号传送到所述超声成像系统(300)的超声探头(110)。
2.根据权利要求1所述的集成电路(100)，进一步包括开关(108)，用于为从所述超声探头(110)接收的至少一个信号，提供到所述超声成像系统(300)的低阻抗路径。
3.根据权利要求1所述的集成电路(100)，其中使用绝缘体上硅技术制造所述集成电路(100)。
4.根据权利要求1所述的集成电路(100)，其中所述集成电路(100)封装成集成芯片(100)。
5.根据权利要求1所述的集成电路(100)，其中所述用于放大的装置包括低噪声前置放大器(102)、栅极驱动器(104)、和功率放大器(106)。
6.根据权利要求1所述的集成电路(100)，其中超声探头(110)包括压电换能器阵列(12)。
7.根据权利要求1所述的集成电路(100)，其中所述高电压信号约为200Vpp。
8.一种超声成像系统(300)，包括：
至少一个集成电路(100)，其包括：
第一端子(T1)，用于接收由所述超声成像系统(300)产生的
低电压信号；
用于放大所述低电压信号以获得高电压信号的装置；以及
第二端子(T2)，用于将所述高电压信号传送到所述超声成像系统(300)的超声探头(110)。
9.根据权利要求8所述的超声成像系统(300)，进一步包括开关(108)，用于为从所述超声探头(110)接收的至少一个信号，提供到所述超声成像系统(300)的低阻抗路径。
10.根据权利要求8所述的超声成像系统(300)，其中使用绝缘体上硅技术制造所述集成电路(100)。
11.根据权利要求8所述的超声成像系统(300)，其中所述集成电路(100)封装成集成芯片(100)。
12.根据权利要求8所述的超声成像系统(300)，其中所述用于放大的装置包括低噪声前置放大器(102)、栅极驱动器(104)、和功率放大器(106)。
13.根据权利要求8所述的超声成像系统(300)，其中所述超声探头(110)包括压电换能器阵列(12)。
14.根据权利要求8所述的超声成像系统(300)，其中所述高电压信号约为200Vpp。
15.一种用于超声成像系统(100)的SOI集成芯片(100)，所述SOI集成芯片(100)包括：
第一端子(T1)；
至少一个放大器(104，106)，用于放大由所述第一端子(T1)接收的低电压信号以获得高电压信号；以及
第二端子(T2)，用于将所述高电压信号传送到所述超声成像系统(300)的超声探头(110)。
16.根据权利要求15所述的SOI集成芯片(100)，进一步包括开关(108)，用于为从所述超声探头(110)接收的至少一个信号，提供到所述超声成像系统(300)的低阻抗路径。
17.根据权利要求15所述的SOI集成芯片(100)，其中所述至少一个放大器(104，106)包括栅极驱动器(104)和功率放大器(106)。
18.根据权利要求15所述的SOI集成芯片(100)，其中所述超声探头(110)包括压电换能器阵列(12)。
19.根据权利要求15所述的SOI集成芯片(100)，其中所述高电压信号约为200Vpp。
20.根据权利要求15所述的SOI集成芯片(100)，其中所述低电压信号为模拟和数字信号中的至少一种。
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