CN103229418B - 尤其用于针对超声应用的传输通道的低压隔离开关 - Google Patents

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Abstract

描述了一种低压隔离电路(1)，该低压隔离电路(1)被插入在至开关矩阵(2)的适合于接收高压信号(IM)的连接节点(HVout)和至负载(PZ)的适合于传输所述高压信号(IM)至所述负载(PZ)的连接端子(pzt)之间，低压隔离开关(1)是如下类型，即，包括被插入在第一基准电压和第二基准电压(Vss，-Vss)之间并且至少包括与第一驱动二极管(D1)串联地被插入在第一基准电压(Vss)和第一驱动中心电路节点(Xc)之间的第一驱动晶体管(M1)以及转而与第二驱动二极管(D2)串联地被插入在驱动中心电路节点(Xc)和第二基准电源电压(-Vss)之间的第二驱动晶体管(M2)的至少一个驱动模块(5)。开关包括被连接至连接端子(pzt)、至连接节点(HVout)以及至驱动中心电路节点(Xc)的隔离模块(8)，隔离模块(8)包括至少一个电压限制器模块(6)、二极管模块(7)以及控制晶体管(MD)，控制晶体管(MD)继而跨二极管模块(7)被连接在至开关矩阵(2)的连接节点(HVout)和至低压隔离开关(1)的负载(PZ)的连接端子(pzt)之间并且具有被连接至驱动中心电路节点(Xc)的控制端子(XD)。

Description

尤其用于针对超声应用的传输通道的低压隔离开关
技术领域
本发明涉及低压隔离开关。
本发明还涉及高压信号至负载(尤其是压电换能器)的传输通道，并且涉及相关的驱动方法。
本发明尤其但并非排他地涉及用于针对超声应用的传输通道的低压隔离开关，并且仅仅通过说明的方式根据该应用领域做出以下描述。
背景技术
众所周知，声波检查(sonography)或超声波检查(ultrasonography)是一种医学诊断测试系统，该系统使用超声波或超声并且以超声传输和回波发射的原理为基础，并且广泛地用于内科、外科和放射学领域。
通常所使用的超声包含在1MHz与20MHz之间。考虑到较高的频率具有较强大的图像分辨能力但是在正在被检查的主体中透入的深度较少来对频率进行选择。
这些超声通常由插入探头中的压电陶瓷晶体产生，该探头在合适的凝胶(适合于消除探头和主体的皮肤之间的空气，以允许超声透入正在被检查的解剖段)介入的情况下保持与主体的皮肤的直接接触。相同的探头能够采集回波信号或回波，该回波信号或回波由计算机进行适当处理并且显示在监视器上。
尤其是，到达声阻抗的变化点(并且因此例如内部器官)的超声被部分反射，并且被反射的百分比传递关于相交叉的组织之间的阻抗差的信息。将要注意到的是，考虑到骨骼和组织之间大的阻抗差，使用声波检查不可能看到骨骼的后面，该骨骼引起超声的全反射，而空气或气体区域产生“阴影”，从而引起超声的部分反射。
将由超声波所使用的用于实现出发、反射和返回的路径的时间提供给计算机，该计算机计算回波已由此返回的深度，因此识别相交叉的组织之间的分界面(对应于声阻抗的变化点以及因此对应于回波由此返回的深度)。
基本上，超声波检查仪，尤其是基于超声声波检查的诊断装置，实质上包括三个部分：
–探头，该探头包括至少一个换能器(尤其是超声类型的)，该换能器传输并且接收超声信号；
–电子系统，该电子系统驱动换能器用以产生待传输的超声信号或脉冲，并且在该脉冲的探头处接收返回的回波信号，因此处理所接收的回波信号；以及
–对应的声波检查图像的显示系统，从由探头所接收的回波信号开始处理该图像。
尤其是，词语“换能器”一般指示电设备或电子设备，该设备将与机械量级和物理量级有关的能量类型转换成电信号。广义上讲，换能器有时被定义为将能量从一种形式转换为另一种形式的任何设备，使得该形式的能量可以被人或者被其他机器再处理。许多换能器既是传感器也是致动器。超声换能器通常包括被适当地施加偏压以引起其形变并且产生超声信号或脉冲的压电晶体。
用于声波检查图像的超声换能器通常被能够产生具有包含在3Vpp和200Vpp(200Vpp为电源电压值)之间的可变宽度和在1MHz到20MHz的范围内的频率的正弦信号的高压驱动电路或驱动器驱动，该正弦信号是用于待传输的超声脉冲的对应的发生器(尤其是压电晶体)的控制信号。
对应的驱动电路因此由维持这些高压并且(还考虑到频率问题)向应用于输出的负载(尤其是超声换能器)供给足够大的电流的组件组成。
这些需求导致使用具有相当大尺寸的组件。然而，这些组件增加了与换能器并联的高的寄生电容。
此外，换能器本身也用于在针对这些超声应用的传输通道中的接收。典型地，超声换能器传输持续时间为若干μs的高压脉冲，并且接收由正在被检查的主体的器官上的反射所产生的该脉冲的回波，持续时间大约250μs以返回到新的高压脉冲的传输。例如，如图1中示意性示出的，传输具有(在示出的示例中)等于190Vpp的峰峰偏移的第一脉冲IM1和第二脉冲IM2并且由换能器接收对应的回波(由E1和E2所指示)。
回波信号或返回的声波被转换成电波，该电波结果是若干毫伏宽的信号，是继而被低噪声放大器电路放大、被连接至换能器本身、转而被由于换能器的驱动电路的高压组件而产生的寄生电容干扰的信号。这降低了回波信号的质量。
本发明的技术问题是降低驱动电路的高压组件的寄生电容的影响，尤其用于针对超声应用的传输通道中的超声换能器，其具有诸如用于确保高压信号在该传输通道中的正确传输以将超声脉冲传输至连接至该换能器的输出端子并且同时确保在接收回波信号时该端子的正确隔离这样的结构特性和功能特性，因此克服了仍然影响根据现有技术所实现的系统的限制和缺点。
发明内容
以本发明为基础的解决方案的思想是，以具有相当低的寄生电容的方式来使用借助于低压元件所实现的隔离开关，该开关被插入置于被连接至超声换能器的输出端子和驱动电路的高压组件之间的传输通道中。
基于此解决方案的思想，由低压隔离开关解决该技术问题，该低压隔离开关被插入在至开关矩阵的适合于接收高压信号的连接节点和至负载的适合于传输所述高压信号至所述负载的连接端子之间，该低压隔离开关是如下类型，即，包括被插入在第一基准电压和第二基准电压之间并且至少包括与第一驱动二极管串联地被插入在所述第一基准电压和第一驱动中心电路节点之间的第一驱动晶体管以及转而与第二驱动二极管串联地被插入在所述驱动中心电路节点和所述第二基准电源电压之间的第二驱动晶体管的至少一个驱动模块，该低压隔离开关的特征在于其包括被连接至连接端子、至所述连接节点以及至所述驱动中心电路节点的隔离模块，所述隔离模块包括至少一个电压限制器模块、一个二极管模块以及一个控制晶体管，所述控制晶体管继而跨所述二极管模块被连接在至开关矩阵的所述连接节点和至所述低压隔离开关的负载的所述连接端子之间并且具有被连接至所述驱动中心电路节点的控制端子。
更尤其是，本发明包括以下补充的和可选的特征，若有需要，单独地或组合地采用这些特征。
根据本发明的方面，所述电压限制模块可以包括被连接在第一内部电路节点和第二内部电路节点之间的至少一个第一电压限制器电路和至少一个第二电压限制器电路，所述第一内部电路节点通过电阻器被连接至所述驱动中心电路节点，并且所述第二内部电路节点被连接至所述连接节点。
根据本发明的该方面，所述二极管模块可以包括至少一个第一传输二极管和至少一个第二传输二极管，这两者在所述连接端子和所述第二内部电路节点之间被反并联连接，即，通过使所述第一二极管的阳极端子连接至所述第二二极管的阴极端子来连接，反之亦然。
根据本发明的另一方面，所述控制晶体管的所述控制端子可以被连接至所述第一内部电路节点。
另外，根据本发明的方面，所述控制晶体管可以是低压N沟道MOS晶体管。
还通过在输入端子上的高压信号到至负载的连接端子的传输通道解决该问题，该传输通道是如下类型，即，包括被插入在所述输入端子和第一高压输出端子之间的至少一个高压开关矩阵，以及被连接至低噪声放大器的第二低压输出端子以及被连接在所述第一输出端子和所述第二输出端子之间的传输开关，该传输通道的特征在于其包括如以上所指示的所实现的并且被连接至所述第一输出端子和至所述连接端子。
根据本发明的方面，所述传输通道可以传输作为高压信号的超声脉冲并且所述负载可以是压电换能器。
根据本发明的低压隔离开关和传输通道的特性和优点将从通过参考附图的指示性的和非限制性的示例所给出的本发明的实施例的以下描述中是显而易见的。
附图说明
在这些附图中：
图1示意性地示出了根据现有技术的由驱动电路所生成的并且因此被应用于超声换能器的第一超声脉冲和第二超声脉冲；
图2A-图2C示意性地分别示出了当处于第一工况、第二工况和第三工况时根据本发明的实施例的针对超声应用的传输通道；
图3示意性地示出了根据本发明的实施例的低压开关；以及
图4A和图4B示意性地示出了包含在图3的开关中的电压限制电路的实施例。
具体实施方式
参考这些附图，并且尤其参考图2A、图2B和图2C，10总体地并且示意性地指示了用于超声换能器(尤其是压电换能器PZ)的脉冲信号的传输通道。
通过说明的方式，已经实际上仅仅示出了传输通道10的输出部分被连接至压电换能器PZ，并且向压电换能器供给由合适的电路(未示出)所生成的并且已经在传输通道10的输入端子IN上的脉冲信号IM。
尤其是，传输通道10首先包括高压开关矩阵2(MATRIXsw)，其被插入在输入端子IN和第一高压输出端子HVout之间，输入脉冲信号IM被传输至此。
此外，传输通道10包括连接至低压放大器4(LNA)的第二低压输出端子LVout和至压电换能器PZ的连接端子pzt。最后，传输通道10包括至少一个传输开关3(TRsw)，其被连接在第一输出端子HVout和第二输出端子LVout之间。
根据本发明的方面，传输通道10还包括隔离开关1(ISOsw)，尤其是低压开关，其被插入在开关矩阵2的第一输出端子HVout和连接端子pzt之间。以这种方式，第一输出端子HVout通过低压隔离开关1和传输开关3的串联被连接至第二输出端子LVout。
对低压隔离开关1的使用能够克服由于开关矩阵2的高压组件而产生的高寄生电容的问题。尤其是，如将会在下文的描述中阐明的，该低压隔离开关1仅仅包括具有相当低的寄生电容的低压元件。
根据第一工况，尤其是，脉冲IM至连接端子pzt至压电换能器PZ的传输模式，如图2A中根据被指示为路径1的路径所示，开关矩阵2被接通以从输入端子IN朝向第一输出端子HVout传输该脉冲IM。另外，传输开关3断开，并且由于低压隔离开关1内被连接至连接端子pzt的二极管模块7的存在，脉冲IM通过低压隔离开关1被传输，如将会在下文的描述中进行说明的。
根据第二工况，尤其是通过传输开关3的回波信号E的接收模式，如图2B中根据被指示为路径2的路径所示，开关矩阵2与低压隔离开关1断开，并且传输开关3接通，回波信号E从至压电换能器PZ的连接端子pzt流向第二输出端子LVout，并且继而流向低压放大器4。
最后，根据第三工况，尤其是通过开关矩阵2的回波信号E的第二接收模式，如图2C中根据被指示为路径3的路径所示，开关矩阵2和低压隔离开关1接通，并且传输开关3断开，回波信号E从至压电换能器PZ的连接端子pzt流向第一输出端子HVout并且继而流向输入端子IN。
图3中更详细地示出了根据本发明的低压隔离开关1。
尤其是，通过说明的方式，在该图3中，开关矩阵2仅仅被指示为连接至第一输出端子HVout的高压模块AC。
本质上，低压隔离开关1实际上是双向元件。当处于其第一工况时，即当处于传输模式时，开关矩阵2的第一输出端子HVout是低压隔离开关1的输入端子并且接收高压信号，而连接端子pzt是低压隔离开关1的输出端子并且将该高压信号传输至负载(尤其是压电换能器PZ)。当处于其第二工况和第三工况时，相反地，分别通过传输开关或开关矩阵2接收回波信号。在这种情况下，开关矩阵2的第一输出端子HVout是低压隔离开关1的输出节点。
在以下描述中，开关矩阵2的第一输出端子HVout将因此被指示为开关1至开关矩阵2的连接节点HVout，该节点继而可以被高压信号驱动，尤其是处于如上所述的第一工况中。
低压隔离开关1包括驱动模块5，其被插入在第一基准电压和第二基准电压(分别为正电源Vss和负电源-Vss)之间，并且包括被插入在正基准电源电压Vss和第一驱动中心电路节点Xc之间的第一驱动晶体管M1和第一二极管D1的串联，第一驱动晶体管M1具有被连接至接收第一驱动信号p_drive的驱动模块5的第一输入端子IN1的控制端子或栅极端子。
驱动模块5还包括被插入在驱动中心电路节点Xc和负基准电源电压-Vss之间的第二二极管D2和第二驱动晶体管M2的串联，第二驱动晶体管M2具有被连接至电平移位器LS(LEVELSHIFTER)的控制端子或栅极端子，电平移位器转而被连接至接收第二驱动信号n_drive的驱动模块5的第二输入端子IN2。电平移位器LS还具有反相功能，该功能允许将正电源电压值转变成负电源电压值(保留对应于接地的0V的值不变)，并且向第二驱动晶体管M2的控制端子提供以反相驱动信号n_drive1。
尤其是，电平移位器LS具有调节第一驱动信号n_drive的电压电平的目标，通常该第一驱动信号n_drive由逻辑电路生成并且因此很可能是对应于接地GND值的低逻辑电平(或“0”)和对应于正电源电压Vss值的高逻辑电平(或“1”)。电平移位器因此是从[Vss；0]到[0；-Vss]的逻辑电平移位器。
在图3的实施例中，第一驱动晶体管M1是P沟道MOS晶体管，而第二驱动晶体管M2是N沟道MOS晶体管。这些驱动晶体管是高压晶体管，并且由低基准电源电压Vss和–Vss(尤其是等于3.3V)供电。
根据本发明的方面，低压隔离开关1包括隔离模块8，该隔离模块8被连接到至压电换能器PZ的连接端子pzt和至开关矩阵2的连接节点HVout以及至驱动中心电路节点Xc。
隔离模块8包括电压限制器模块6、二极管模块7和具有控制端子或栅极端子XD的控制晶体管MD。
根据本发明的方面，电压限制器模块6包括至少一个第一电压限制器电路DC1和一个第二电压限制器电路DC2，这两者被概要表示为在第一内部电路节点X1和第二内部电路节点X2之间被反并联连接(即，通过使第一二极管的阳极端子连接至第二二极管的阴极端子来连接，反之亦然)的二极管。更尤其是，第一内部电路节点X1通过电阻器Rc被连接至驱动中心电路节点Xc，也被连接至控制晶体管MD的控制端子XD，而第二内部电路节点X2被连接到至开关矩阵2的连接节点HVout。
这些电压限制器电路(DC1和DC2)限制控制晶体管MD的栅极端子和源极端子之间的电压(Vgs)，并且防止该控制晶体管MD由于过高的该电压的值而受损。
例如通过一系列的二极管或其他甚至更复杂的等同结构来实现这些电压限制器电路是可能的，还可以使用晶体管来实现该等同结构，如在图4A和图4B中示意性地示出的。
在使用在导通条件下具有等于0.7V的最大电压的二极管的情况下，例如，使用五个二极管的串联(5*0.7V＝3.5V)以保护3.3V类的控制晶体管MD将是可能的。
此外，二极管模块7包括至少一个第一传输二极管DN1和一个第二传输二极管DN2，这两者在该连接端子pzt和第二内部电路节点X2之间被反并联连接(即，通过使第一二极管的阳极端子连接至第二二极管的阴极端子来连接，反之亦然)。在附图的示例中，第一传输二极管DN1使阴极端子被连接至连接端子pzt并且使阳极端子被连接至第二内部电路节点X2，而第二传输二极管DN2使阳极端子被连接至连接端子pzt并且使阴极端子被连接至第二内部电路节点X2。
控制晶体管MD被连接至二极管模块7的端部，并且使控制端子XD被连接至第一内部电路节点X1。
在附图的示例中，控制晶体管MD是低压N沟道MOS晶体管。
总之，如所描述的低压开关能够传输高压信号(例如在+/-100V)或者在断开时能够隔离至压电换能器的连接端子，以这种方式确保了针对对应的输入信号的电容耦合的高免疫力，同时确保了根据低压隔离开关的所有工况的包含该低压隔离开关的传输通道的正确工作。
由于电压限制器模块6的存在以及独立于驱动模块5及其实现，所以根据本发明的低压隔离开关确保了对控制晶体管MD(其为低压晶体管)的保护。
尤其是，限制器模块6包括借助于二极管或二极管连接的晶体管的串联而实现的箝位电路。
根据本发明的传输通道10因此基本上包括借助于与二极管和电阻器串联的高压晶体管而实现的驱动模块5，以及包括借助于被反并联连接的两个箝位元件而实现的限制器模块6的低压隔离开关。
明显地，为了满足偶然的和特定的需求，将允许本领域的技术人员引入对上述电路的若干修改和变化，所有修改和变化都在如由以下权利要求所限定的本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种被插入在至开关矩阵(2)的适合于接收高压信号(IM)的连接节点(HVout)和至负载(PZ)的适合于传输所述高压信号(IM)至所述负载(PZ)的连接端子(pzt)之间的低压隔离开关(1)，所述低压隔离开关(1)是如下类型，即，包括被插入在第一基准电压和第二基准电压(Vss，-Vss)之间并且至少包括与第一驱动二极管(D1)串联地被插入在所述第一基准电压(Vss)和第一驱动中心电路节点(Xc)之间的第一驱动晶体管(M1)以及转而与第二驱动二极管(D2)串联地被插入在所述驱动中心电路节点(Xc)和所述第二基准电源电压(-Vss)之间的第二驱动晶体管(M2)的至少一个驱动模块(5)，所述低压隔离开关(1)的特征在于其包括被连接至所述连接端子(pzt)、至所述连接节点(HVout)以及至所述驱动中心电路节点(Xc)的隔离模块(8)，所述隔离模块(8)包括至少一个电压限制器模块(6)、二极管模块(7)以及控制晶体管(MD)，所述控制晶体管(MD)继而跨所述二极管模块(7)被连接在至所述开关矩阵(2)的所述连接节点(HVout)和至所述低压隔离开关(1)的所述负载(PZ)的所述连接端子(pzt)之间并且具有被连接至所述驱动中心电路节点(Xc)的控制端子(XD)，
其中所述电压限制器模块(6)包括被连接在第一内部电路节点和第二内部电路节点(X1，X2)之间的至少一个第一电压限制器电路和至少一个第二电压限制器电路(DC1，DC2)，所述第一内部电路节点(X1)通过电阻器(Rc)被连接至所述驱动中心电路节点(Xc)，并且所述第二内部电路节点(X2)被连接至所述连接节点(HVout)。
2.根据权利要求1所述的低压隔离开关(1)，其中所述二极管模块(7)包括至少一个第一传输二极管和至少一个第二传输二极管(DN1，DN2)，这两者在所述连接端子(pzt)和所述第二内部电路节点(X2)之间被反并联连接，即，通过使所述第一传输二极管的阳极端子连接至所述第二传输二极管的阴极端子来连接，反之亦然。
3.根据权利要求1所述的低压隔离开关(1)，其中所述控制晶体管(MD)的所述控制端子(XD)被连接至所述第一内部电路节点(X1)。
4.根据权利要求1所述的低压隔离开关(1)，其中所述控制晶体管(MD)是低压N沟道MOS晶体管。
5.一种在输入端子(IN)上的高压信号(IM)到至负载(PZ)的连接端子(pzt)的传输通道(10)，所述传输通道(10)是如下类型，即，包括被插入在所述输入端子(IN)和第一高压输出端子(HVout)之间的至少一个高压开关矩阵(2)，以及被连接至低噪声放大器(4)的第二低压输出端子(LVout)以及被连接在所述第一高压输出端子(HVout)和所述第二低压输出端子(LVout)之间的传输开关(3)，所述传输通道(10)的特征在于其包括根据前述权利要求中的任一项所实现的并且被连接至所述第一高压输出端子(HVout)和至所述连接端子(pzt)的至少一个低压隔离开关(1)。
6.根据权利要求5所述的传输通道(10)，其特征在于所述传输通道(10)传输作为高压信号的超声脉冲(IM)并且在于所述负载是压电换能器。
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