CN105425227B - 用于电容性微机械超声换能器的接收和发射电路 - Google Patents

用于电容性微机械超声换能器的接收和发射电路 Download PDF

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Abstract

在此描述了一种用于电容性微机械超声换能器(CMUT)的收发器电路，具有：发射器级，在发射阶段期间产生用于CMUT换能器的第一节点的激励脉冲，CMUT的第二节点耦合至偏置电压；接收器级，在接收阶段期间选择性地耦合至第一节点并且具有放大级；开关级，在接收阶段期间将接收器级耦合至第一节点，以及在发射阶段期间将接收器级从第一节点去耦。放大级具有电荷放大器，具有输入端子并且作为偏置电压而偏置；以及开关级耦合至相同偏置电压由此一旦从发射阶段切换至接收阶段减小了电荷注入输入端子。

Description

用于电容性微机械超声换能器的接收和发射电路
技术领域
本公开涉及一种用于电容性微机械超声换能器(CMUT)的接收和发射电路。
背景技术
如已知的那样，在最近几年中，由于半导体材料特别是硅的制造领域的发展，已经扩展了对具有电容类型微机械超声换能器(CMUT)或压电类型微机械超声换能器(PMUT)阵列的探测器的使用。
以上换能器具有极低的能耗水平，并且在给定小尺寸下实现获得用于2D或3D成像的检测探测器，其是极端小型化的并且可以例如用于医疗诊断(在医疗超声图扫描仪或超声断层扫描仪中)，例如耦合至用于血管内诊断的探测器，在将要实现用途的便携性和灵活性方面提供了重要优点。
当然，可以存在大量其他用途，甚至在非临床领域，例如用于监控待测或待监控的机械元件的完整性条件或制造质量。
不论是一维、二维或三维，由有序排列构成的、多个超声换能器阵列的使用促进了对用于对应成像操作获取信号的处理。
CMUT换能器的使用与压电换能器使用相比可以具有某些优点，其中之一为与对应的发射和接收电路的完全集成的可能性。
可以实际上以集成方式在半导体材料的一个或多个裸片中获得单独的CMUT换能器，并且单独的CMUT换能器包括面向衬底的隔膜，其在发射阶段期间根据由发射电路所施加的激励信号而经受弯曲，因此产生了在周围环境中发射的声波；或者在接收阶段期间，根据检测到声波而弯曲，因此产生了所导致电容的改变，改变可以由读取电路所读取。
集成了CMUT换能器的裸片可以随后例如使用倒装芯片技术耦合至在单个封装内的集成了发射和接收电路的至少一个其他裸片(包括多个收发器信道，一个用于每个CMUT)，其是小型的并且占据了小空间。
可以例如以经济有利的方式采用BCD SOI技术获得发射和接收电路的集成，从而促进了相关能耗的减小。
作为备选例，每个发射电路以及对应的不同接收电路可以集成在半导体材料的相应裸片中，例如用于分离地优化两个电路的性能和制造技术。在任何情形中，有利地，两个裸片可以包裹在相同封装中。
更详细地，两个主要技术已知用于驱动CMUT换能器，并且因此用于设计相关换能器电路，根据换能器是否具有单独可访问的单个电极(从对应裸片外部)或者是否具有单独可访问的两个电极(同样从对应裸片的外部)。
在前者的情形中，在换能器的对应阵列中，CMUT换能器的底部电极在底部(裸片的非可访问下侧)连接在一起，而对于每个CMUT换能器顶部电极在正面(裸片的可访问上侧)处可应用。在后者情形中，两个电极对于裸片正面上每个换能器均是单独可应用，然而代价是相同换能器和对应电互连制造的复杂化。
发明内容
在一个实施例中，一种用于电容性微机械超声换能器的收发器电路包括：发射器级，配置用于在发射阶段产生用于换能器第一节点的激励信号，所述换能器的第二节点耦合至偏置电压；接收器级，可以在接收阶段期间选择性地耦合至所述第一节点，并且包括放大级；以及开关级，配置用于在接收阶段期间将接收器级耦合至所述第一节点，并且在发射阶段期间将接收器级从所述第一节点去耦，其中所述放大级包括具有输入端子并且根据偏置电压而偏置的电荷放大器；以及其中一旦从所述发射阶段开关切换至所述接收阶段，所述开关级耦合至所述偏置电压，从而减小了注入所述输入端子的电荷。在一个实施例中，电路包括：去耦和干扰抑制组块，设置在所述发射器级的输出端子与所述第一节点之间，并且配置用于在接收阶段期间将发射器级从所述第一节点去耦；以及偏置组块，耦合至所述输出端子并且配置用于在所述接收阶段期间将所述输出端子的电压设置在参考电压值下。在一个实施例中，所述去耦和干扰抑制组块包括处于反向并联配置的二极管元件的偶对，连接在所述输出端子与所述第一节点之间，在所述接收阶段期间均偏置为不导通。在一个实施例中，所述偏置组块包括开关元件和高阻抗元件，串联连接在所述输出端子与设置在所述参考电压下的线路之间；所述开关元件在所述发射阶段期间被驱动进入断开条件并且在所述接收阶段期间被驱动进入闭合条件。在一个实施例中，所述开关级配置用于限定中间节点，其可以在接收阶段期间选择性地连接至所述输入端子，并且在所述接收阶段期间在所述中间节点耦合至所述输入端子之前根据所述偏置电压将所述中间节点预充电至预充电电压。在一个实施例中，所述开关级包括：第一开关，可控制用于选择性连接第一节点至中间节点；第二开关，可控制用于选择性连接中间节点至放大级的电荷放大器的输入端子；发生器组块，配置用于根据所述偏置电压而产生预充电电压；以及第三开关，具有连接至参考电压的第一端子，以及经由发生器组块连接至中间节点的第二端子，并且可控制用于实现在中间节点处的预充电电压的产生。在一个实施例中，放大级具有偏置电流发生器，耦合至偏置电压并且设计用于提供偏置电流，放大级配置用于响应于偏置电流而在输入端子上具有工作电压；以及其中发生器组块包括：预充电电流发生器，以预充电关系耦合至偏置发生器并且设计用于提供预充电电流，发生器组块配置用于响应于预充电电流而在中间节点处提供预充电电压，所述预充电电压具有与所述工作电压的设置关系。在一个实施例中，所述放大级包括第一晶体管，其耦合至偏置电流发生器以用于接收偏置电流并且具有耦合至第一输入端子的控制端子，以及具有第一长宽比(aspect ratio)；以及其中所述发生器组块包括第四开关，连接在中间节点与预充电电流发生器之间，可控制用于实现所述预充电电压的产生；以及第二晶体管，耦合至预充电电流发生器以用于接收预充电电流，其相对于偏置电流经由镜像比而成镜像，并且具有耦合至中间节点的控制端子以及具有第二长宽比；其中第二长宽比相比于第一长宽比成倍数，该倍数取决于镜像比。在一个实施例中，放大级的电荷放大器包括连接在输出端子和输入端子之间的反馈电容器。在一个实施例中，发射器级工作在第一电压，以及接收器级工作在低于第一电压的第二电压；以及其中开关级配置用于保护接收器级免受发射器级中第一电压的影响。在一个实施例中，所述换能器的第二节点上的偏置电压具有可以从所述换能器电路外部并且独立改变的值。在一个实施例中，电子装置用于超声扫描术或超声断层照相术。
在一个实施例中，设备包括：发射器，配置用于在发射阶段期间产生用于换能器的第一节点的激励信号，所述换能器的第二节点耦合至偏置电压端子；接收器，包括具有输入端子并且根据放大器偏置电压而偏置的电荷放大器；以及开关电路装置，耦合至放大器偏置电压并且配置用于在预充电阶段期间基于放大器偏置电压而产生预充电偏置电压；在接收阶段期间将接收器耦合至所述第一节点；以及在发射阶段期间将接收器从所述第一节点去耦。在一个实施例中，设备包括：去耦电路装置，耦合在所述发射器的输出端子与所述第一节点之间并且配置用于在接收阶段期间将发射器从所述第一节点去耦；以及发射器偏置电路装置，耦合至所述输出端子并且配置用于在所述接收阶段期间将所述输出端子的电压设置为参考电压值。在一个实施例中，所述去耦电路装置包括反向并联配置的二极管配对，连接在所述输出端子与所述第一节点之间并且在所述接收阶段期间被偏置。在一个实施例中，所述发射器偏置电路装置包括开关和高阻抗元件，串联连接在所述输出端子与设置在所述参考电压的线路之间，所述开关配置用于在所述发射阶段期间断开并且在所述接收阶段期间闭合。在一个实施例中，所述开关电路装置包括中间节点并且配置用于在预充电阶段期间将中间节点充电至预充电偏置电压以及在接收阶段期间将放大器输入端子耦合至中间节点。在一个实施例中，所述开关电路装置包括：第一开关，配置用于将第一节点选择性耦合至中间节点；第二开关，配置用于将中间节点选择性耦合至电荷放大器的输入端子；偏置电压发生器，耦合至中间节点并且配置用于基于所述放大器偏置电压而产生预充电偏置电压；以及第三开关，耦合在参考电压端子与偏置电压发生器之间并且配置用于在预充电阶段期间选择性激活偏置电压发生器。在一个实施例中，接收器包括偏置电流发生器，耦合至偏置电压并且配置用于提供偏置电流，其中电荷放大器被配置为基于偏置电流在输入端子上产生工作电压；以及偏置电压发生器包括：预充电电流发生器，耦合至偏置发生器并且配置用于提供预充电电流，其中偏置电压发生器被配置成基于预充电电流在中间节点上提供预充电偏置电压，所述预充电偏置电压具有与所述工作电压的预设关系。在一个实施例中，所述电荷放大器包括第一晶体管，耦合至偏置电流发生器以接收偏置电流并且具有耦合至输入端子的控制端子，以及具有第一长宽比；以及所述偏置电压发生器包括耦合在中间节点与预充电电流发生器之间的第四开关，以及耦合至预充电电流发生器以接收预充电电流的第二晶体管，预充电电流经由镜像比而相对于偏置电流成镜像，第二晶体管具有耦合至中间节点的控制端子以及第二长宽比，其中第二长宽比相比于第一长宽比成倍数，该倍数取决于镜像比。在一个实施例中，电荷放大器包括耦合在电荷放大器的输出端子与电荷放大器的输入端子之间的反馈电容器。在一个实施例中，发射器工作在第一电压，接收器工作在低于第一电压的第二电压，以及开关电路装置被配置成保护接收器级免受发射器级中第一电压的影响。在一个实施例中，偏置电压端子被配置成从外部源接收电压。在一个实施例中，所述开关电路装置包括中间节点并且被配置用于在预充电阶段期间将中间节点充电至预充电偏置电压以及在接收阶段期间将放大器输入端子耦合至中间节点。
在一个实施例中，一种系统包括：超声探测器，包括设置为阵列的多个换能器以及对应的多个收发器电路，每个收发器电路具有：发射器，配置用于在发射阶段期间产生用于换能器的第一节点的激励信号，所述换能器的第二节点耦合至偏置电压端子；接收器，包括具有输入端子并且根据放大器偏置电压被偏置的电荷放大器，以及耦合至放大器偏置电压以及配置用于以下的开关电路装置：在预充电阶段期间基于放大器偏置电压产生预充电偏置电压；在接收阶段期间将接收器耦合至所述第一节点；以及在发射阶段期间将接收器从所述第一节点去耦；以及控制器，配置用于对所述收发器电路的每一个的接收和发射阶段定时。在一个实施例中，每个收发器电路包括：去耦电路装置，耦合在发射器的输出端子与第一节点之间并且配置用于在相应收发器的接收阶段期间将发射器从第一节点去耦；以及发射器偏置电路装置，耦合至输出端子并且配置用于在相应收发器的接收阶段期间将输出端子的电压设置为参考电压值。在一个实施例中，配置系统以执行超声扫描术和超声断层照相术中的至少一个。
在一个实施例中，一种方法包括：在发射阶段期间将发射器的激励信号发射至换能器的第一节点，所述换能器的第二节点耦合至偏置电压端子；根据放大器偏置电压而偏置接收器的电荷放大器，电荷放大器具有输入端子；在预充电阶段期间基于放大器偏置电压而产生预充电偏置电压；在接收阶段期间耦合接收器至所述第一节点；以及在发射阶段期间将接收器从所述第一节点去耦。在一个实施例中，方法包括：在接收阶段期间将发射器的输出端从所述第一节点去耦；以及在所述接收阶段期间将所述输出端子的电压钳位至参考电压值。在一个实施例中，所述钳位包括通过高阻抗元件控制将所述输出端子耦合至参考电压线的开关。在一个实施例中，方法包括在预充电阶段期间将中间节点充电至预充电偏置电压以及在接收阶段期间将放大器输入端子耦合至中间节点。在一个实施例中，方法包括在预充电阶段期间将中间节点充电至预充电偏置电压以及在接收阶段期间将放大器输入端子耦合至中间节点。
在一个实施例中，一种非瞬态计算机可读介质的内容，其配置换能器系统以执行方法，方法包括：在发射阶段期间将发射器的激励信号发射至换能器系统的换能器的第一节点，所述换能器的第二节点耦合至偏置电压端子；根据放大器偏置电压而偏置接收器的电荷放大器；在预充电阶段期间基于放大器偏置电压而产生预充电偏置电压；在接收阶段期间将接收器耦合至所述第一节点；以及在发射阶段期间将接收器从所述第一节点去耦。在一个实施例中，其中方法包括：在接收阶段期间将发射器的输出端从所述第一节点去耦；以及在所述接收阶段期间将所述输出端子的电压钳位至参考电压值。在一个实施例中，方法包括在预充电阶段期间将中间节点充电至预充电偏置电压以及在接收阶段期间将放大器的输入端子耦合至中间节点。
附图说明
为了更好理解本公开，现在将仅借由非限定性示例并且参考附图而描述其实施例，其中：
图1示出了已知类型的用于CMUT换能器的收发器电路的示意性框图；
图2示出了根据一个实施例的用于CMUT换能器的收发器电路的框图；
图3是图2的电路中电学量的绘图；
图4表示了收发器电路的一部分的等同电路图；
图5示出了根据一个实施例的用于CMUT换能器的收发器电路的更详细框图；
图6示出了图5的电路的一部分的电路图；
图7是对于图6的电路的电量的绘图；以及
图8和图9是根据实施例的关于包括了CMUT换能器阵列的电子装置的示意性框图。
具体实施方式
在本发明文档中，讨论了实施例，其中CMUT换能器具有单独可访问的相应单个电极。
图1示出了已知类型的电路，整体由1所标注，其提供了示意性示出并且由2所标注的用于驱动单个电极CMUT的收发器电路(在换能器阵列的情形中，将展示多个类似的收发器电路，限定了对应的收发器信道；图1借由示例的方式仅示出了所述收发器信道中的仅一个)。
收发器电路1包括发射器级3，耦合至第一电源HV(在高电压范围内，例如100V-200V的量级)，配置用于产生合适的激励脉冲，例如以脉冲链的形式，用于第一电极，限定了CMUT换能器2的第一节点N1(可从外部访问)。限定了相同CMUT换能器2的第二节点N2的第二电极在裸片外部被偏置在参考电压或接地GND，或者如在所示的情形中，被偏置在合适的偏置电压HV_POL(也在高电压范围中，例如50V)。
收发器电路1进一步包括接收器级4，包括低噪声放大器(LNA)，其可以经由发射/接收开关级5(在下文中为T/R开关级5)选择性连接至第一节点N1。
接收器级4耦合至第二电源电压LV(在低电压范围内，或者具有逻辑电压值，例如1V-5V的量级，为远低于第一电源电压HV的值)。
特别地，T/R开关级5在发射阶段期间被驱动进入断开条件，其中发射器级2产生用于偏置CMUT换能器2的激励脉冲(在该阶段中，接收器级4从第一节点N1去耦)，并且在接收阶段期间被驱动进入闭合条件，其中接收器级4耦合至第一节点N1用于接收并放大电换能信号，电换能信号指示所接收到的声波。
收发器电路1可以因此划分为两个组块1a、1b：第一组块1a，其包括发射器级3和CMUT换能器2并且工作在高电压；以及第二组块1b，其包括接收器级4并且工作在低电压。
T/R开关级5对接第一组块1a和第二组块1b，并且特别地在发射阶段期间保护接收器级4免受高电压影响并且避免受到来自发射器级3的干扰。T/R开关级5进一步在接收阶段期间将相同的接收器级4耦合至CMUT换能器2，以使能对被检测声波的采集以用于后续处理。
已知电路解决方案中的大多数方案设计了接收器级4包括作为第一增益级的跨阻放大器(TRA)；借由示例的方式，可以参考以下文献：
Dongning Zhao；Meng Tong Tan；Hyouk-Kyu Cha；Jinli Qu；Yan Mei；Hao Yu；Basu,A.；Minkyu Je,“High-voltage pulser for ultrasound medical imagingapplications”,Integrated Circuits(ISIC),2011,13th International Symposium onIntegrated Circuits,pp.408,411,12-14Dec.2011,DOI:10.1109/ISICir.2011.6131983。
然而，本发明人已经认识到，该电路配置具有一些问题。
具体而言，限定了跨阻放大器(TRA)增益的电阻器以基础方式对收发器电路1的噪声作了贡献，电阻器可以引起稳定性的问题，并且进一步可能引起在各个收发器信道之间的失配，在探测器包括换能器阵列和对应的收发器电路的情形中。
该电阻器的存在进一步引起了显著的电流消耗，并且总体上使得高效T/R开关级5的设计特别关键。
作为跨阻放大器的替代，已经提出了使用电荷放大器；在这点上，可以例如参考以下文献：
Yamaner,F.Y.；Cenkeramaddi,L.R.；Bozkurt,A.,“Front-end IC design forintravascular ultrasound imaging”,Research in Microelectronics andElectronics,2008,PRIME 2008,Ph.D.,pp.257,260,June 2008,DOI:10.1109/RME.2008.4595774。
然而，本发明人已经认识到，该进一步解决方案也并非没有缺点，可以使得无法完全利用其优点。
特别地，本发明人已经认识到，该类型放大器的使用使得在发射阶段与接收阶段之间具有转换延迟，原理上是由于源自T/R开关级的开关切换的电荷注入，其可以改变电荷放大器的工作点。
电荷放大器自身具有低偏置电流，低偏置电流使其转换缓慢，除非大幅度牺牲能耗。
通常，电荷放大器对于收发器电路的性能是特别关键的，尤其是在道包括换能器阵列的探测器中的发射和接收信情形中。
图2示出了根据实施例的用于驱动再次由2标注的CMUT换能器的、整体由10标注的集成收发器电路。
以对应于之前所述的方式，CMUT换能器2具有第一电极，限定了设计用于备选地在发射或接收中分别连接至发射器级或接收器级的第一节点N1；以及第二电极，其限定了第二节点N2，例如从其中获得了CMUT换能器2的裸片外部而被偏置在参考电压GND或合适的偏置电压HV_POL(如图2中所述的示例)。
在一个实施例中，第一节点N1可从其中提供了CMUT换能器2的裸片的正面访问，而第二节点N2提供在裸片的背面上。
在一个实施例中，偏置电压HV_POL的值可以根据来自收发器电路10外部的、CMUT换能器2的理想偏置而被合适地、并且以完全独立的方式选择。
收发器电路10包括再次由3标注的发射器级，其被配置用于在发射阶段期间，在包括例如在2MHz和20MHz之间的频率时产生用于CMUT换能器2的第一节点N1的合适的高电压激励脉冲，例如形式为脉冲链；发射器级3因此具有被设计用于在发射阶段期间连接至相同第一节点N1的输出端3a。
发射器级3具有第一电源输入端，其接收第一正性电源电压HV(在高电压范围中)，以及耦合至参考端子或接地GND(在其中所产生的脉冲为单极类型的情形中)或耦合至负性电源电压-HV(在其中脉冲为双极类型的情形中，例如包括在-HV和HV之间，具有零的平均值)的第二电源输入端。
作为一个备选例，发射器级3可以配置(以本质上已知的方式，在此不再赘述)用于在输出端产生多级激励电压，例如具有对应于两个、三个或更多激励等级的值，其根据第一电源电压HV而产生。
纯粹借由示例的方式，图3示出了在单极配置的情形中由发射器级3所发出的脉冲链的绘图；输出端子3a上电压V在示例中等于第一正性电源电压HV的第一发射电压VTX1、与在示例中基本上等于参考电压GND的第二发射电压VTX2(但是对于二极管15a、15b之上的电压降，参见以下描述)之间振荡。
发射器级3进一步由外部控制单元(下文中也将讨论)在发射配置中被激活，以及否则被禁用。
以对于本领域技术人员明显的方式，发射器级3可以例如包括推挽配置的第一MOS晶体管和第二MOS晶体管，其可以交替地被驱动用于将输出端子3a设为电压+HV或电压-HV(或GND)；由发射控制信号STX对发射器级3的禁用可以对应于输出端的浮置状态或三态，而两个晶体管均处于断开状态。
在一个实施例中，收发器电路10进一步包括：偏置组块11，连接在发射器级3的输出端3a与参考端子GND之间；以及去耦和干扰抑制组块12，连接在发射器级3的相同输出端3a与CMUT换能器2的第一节点N1之间。
在一个实施例中，偏置组块11包括偏置电阻器13与偏置开关14的串联，偏置电阻器13具有例如1MΩ的高电阻值，偏置开关14例如由MOS晶体管提供、由合适的控制信号S14(例如由前述控制单元所产生)所控制。
去耦和干扰抑制组块12包括以反向并联配置连接的二极管元件15a、15b的配对(也即每个二极管具有连接至配对的另一个二极管的阴极/阳极端子的阳极/阴极端子)。
在使用中，在发射阶段期间，当发射器级3有效时，偏置组块11无效(偏置开关14被驱动进入断开状态)以防止任何不希望的消耗，并且去耦和干扰抑制组块12实现激励脉冲朝向第一节点N1的传递(二极管元件15a、15b中的一个根据脉冲的极性处于导通状态)。
在随后的接收阶段期间，当发射器级3被无效时(例如设置在高阻抗状态下)，偏置组块11有效(偏置开关14由控制信号S14驱动被进入闭合状态)，以此方式设置输出端子3a的偏置(特别是靠近参考电压GND的值)，并且因此防止输出端子3a自身进入不确定条件。
偏置组块11因此促进了干扰的排斥，特别是因探测器的不同收发器信道的存在所致的干扰(为此其实际上利用了共用偏置，在示例中在参考端子GND处)，并且防止相同干扰将CMUT换能器2的第一节点N1设为不同于在接收阶段期间的设计的电压。换言之，偏置组块11促进了关于来自第一电源HV(和/或-HV，如果存在)的干扰的非常高的抵抗排斥。
在接收阶段期间，去耦和干扰抑制组块12进一步实现与发射器级3相关联的寄生电容的去耦。二极管元件15a、15b的配对实际上表现为高值电阻并且作为与前述寄生电容串联的低值电容(以此方式，基本上抵消关于第一节点N1的效应)。二极管元件15a、15b被进一步合适地定制用于在接收阶段期间将第一节点N1设为所需电压，这防止了接收到的信号被失真。
收发器电路10进一步包括接收器级16，耦合至第二电源电压LV(低电压，例如具有例如在1V-3V或1V-5V范围内的逻辑电压值)，并且根据实施例提供具有至少一个第一增益级，其包括可以在接收阶段期间经由发射/接收开关级18(下文中为T/R开关级18)选择性连接至第一节点N1的电荷放大器17。显然，接收器级16可以进一步包括另外的增益级，或者通常包括用于处理所接收信号的其他级(以在此未示出的方式)。
电荷放大器17具有连接在相应输入端子17a和相应输出端子17b之间的反馈电容器19，并且进一步耦合至偏置线路20，偏置线路20被设置在低电压范围内的偏置电压Vb。在一个实施例中，偏置电压Vb具有在参考电压GND与第二电源电压LV之间的中间值。
图4示出了在接收阶段期间的电荷放大器17的等效电路；在图4中示出朝向参考端子GND的、T/R开关级18的串联电阻Rs和T/R开关级18的寄生电容Cs。由Veq表示用于确定对应的传输函数的、连接至CMUT换能器2的第二节点N2的等效电压发生器。
电荷放大器17的传输函数A由以下表达式给出：
其中Ct是CMUT换能器2的本征电容，以及Ca是反馈电容器19的电容。
与T/R开关级18的串联电阻值Rs相比，T/R开关级18的寄生电容值Cs对电荷放大器17的传输函数具有低影响。减小串联电阻Rs可以在引入噪声以及带宽方面改进性能。T/R开关级18的定制并非是关键性的。
在一个实施例中，并且如前述附图2示意性所示，T/R开关级18进一步耦合或者连接至与电荷放大器17相同的偏置线路20，其设置在偏置电压Vb。
如将详细所述，在一个实施例中，以上配置促进了与T/R开关级18从发射转换至接收阶段的切换相关联的电荷注入的现象的减少，如此方式提高了收发器电路10的响应速度。
在一个实施例(图5中所示)中，T/R开关级18包括：高电压类型的第一开关22(例如由能够承受例如第一电源电压HV量级的高电压的晶体管所提供)，连接在CMUT换能器2的第一节点N1与在T/R开关级18内的中间节点INT之间；低电压类型的第二开关23(例如由能够承受不高于例如第二电源电压LV量级的低电压的晶体管所提供)，连接在中间节点INT与电荷放大器17的输入端子17a之间(因此连接至接收器级16的输入端)；以及进一步包括也是低电压类型的第三开关24，具有连接至参考端子GND的第一端子以及经由发生器组块25而连接至相同中间节点INT的第二端子，发生器组块配置用于产生从偏置电压Vb发起的合适的钳位电压Vc。
特别地，在工作期间，电荷放大器17的输入端子17a设计用于设置在工作电压VIN，其取决于偏置电压Vb以及电荷放大器17的设计特性。
发生器组块25配置用于以此方式产生钳位电压Vc以使其值对应于前述工作电压VIN的值。特别地，钳位电压Vc的值基本上与工作电压VIN的值一致。
第一开关22、第二开关23和第三开关24例如从前述控制单元接收相应的控制信号S22、S23、S24，控制单元根据合适的定时而确定其开关。
通常，T/R开关级18的工作设计为：在发射阶段期间，第一开关22断开以用于将接收器级16从高电压去耦并且从由发射极级3所产生的干扰而去耦，并且第二开关23也是断开的。
在接收阶段期间，第一开关22和第二开关23替代地闭合以用于将接收器级16耦合至CMUT换能器2(并且因此实现由之前发射阶段期间发射的超声所产生的回声的接收)。
此外，在开始接收阶段之前(并且因此备选的，在包括在发射阶段结束与接收阶段前述开始之间的时间段中；或者在发射阶段自身期间，在其结束处；或者在跨越了发射阶段结束并且再次在接收阶段开始之前的时间段中)，第三开关24以此方式闭合以使得内部节点INT被预充电至钳位电压Vc。
特别地，第三开关24仅闭合如下时间：该时间是用于在内部节点INT处产生对应于钳位电压Vc的电压值所必需的；该时间段称作预充电时段。
以此方式，当第二开关23在有效接收阶段期间随后闭合时，在其之上存在基本上为零的电势差，假设内部节点INT之前已经钳位在钳位电压Vc处，其基本上与电荷放大器17的输入端子17a上的工作电压VIN一致。
接下来，一旦T/R开关级18开关切换，其确定了从发射阶段至接收阶段的转变，则如前所述的造成了收发器电路10响应延迟的电荷注入现象不存在(或者在任何情形下非常有限，例如最小化)。
在一个实施例中，甚至可以进一步限制电荷注入的现象。在第三开关24断开时出现第二开关23的闭合(基本上同时)，以此方式，由因第三开关24断开所致的沟道耗尽所确定的电荷产生了用于闭合相同第二开关23的沟道；该电荷共享意味着很少有或没有电荷注入至电荷放大器17的输入端子17a中。
图6详细示出了实施例，特别参考了T/R开关级18和对应的发生器组块25。
在该实施例中，借由示例的方式，电荷放大器17具有用于减少噪声的单个晶体管型的输入级，并且包括具有耦合至输入端子17a的栅极端子、连接至参考端子GND的源极端子、以及耦合至偏置发生器32的漏极端子的NMOS晶体管，其提供了偏置电流IB。NMOS晶体管30的漏极端子进一步限定了电荷放大器17的输出端子17b(然而备选地，其可以以本质上已知的、在此未示出的方式包括其他应用级)。
此外，图6示出了偏置电阻器33，并联连接至反馈电容器19，在电荷放大器17的输入端子17a和输出端子17b之间。
T/R开关级18的发生器组块25在该情形中包括：复制组块35，预充电开关36；二极管37；以及预充电发生器38，其提供了预充电电流IB’，其取决于偏置电流IB以及工作条件。
在该实施例中，由偏置发生器25以此方式控制预充电发生器38以使得在预充电电流IB’与偏置电流IB之间建立其预充电关系。例如，预充电发生器38和偏置发生器25形成了电流镜电路，不必具有单位镜像比。
复制组块35在中间节点INT与参考端子GND之间串联设置至第三开关24。
预充电开关36设置在预充电发生器38和中间节点INT之间，并且由例如来自控制单元的相应控制信号S36而控制，控制单元根据合适的定时而控制了其开关切换。
二极管37具有连接至参考端子GND的阳极端子以及连接至中间节点INT的阴极端子。
更详细地，复制组块35具有基本上类似于电荷放大器17的放大输入级的结构，但是具有可能的缩放因子。
特别地，复制组块35被配置成使得复制组块35的控制电压VGSC基本上等于电荷放大器17的放大输入级的控制电压VGS，当放大输入级的偏置电流IB与复制组块35的预充电电流IB’相互处于预充电关系时。
特别地，控制电压VGSC与前述钳位电压Vc一致，而控制电压VGS与前述工作电压VIN一致。
在该实施例中，复制组块35包括以二极管配置的NMOS晶体管，其源极端子通过第三开关24连接至参考端子GND，以及其漏极和栅极端子均耦合至中间端子INT。例如，NMOS晶体管具有等于放大输入级的NMOS晶体管30的长宽比(W/L)的倍数N的长宽比(W/L)’，以及在复制组块35的预充电电流IB’与放大输入级的偏置电流IB之间、等于相同倍数N的镜像比。
在该实施例中，在预充电阶段期间，第三开关24和预充电开关36被驱动进入闭合条件，由此将预充电发生器38连接至复制组块35。
预充电电流IB’因此穿过复制组块35并且使得控制电压VGSC的值等于电荷放大器17的放大输入级的控制电压VGS的值。预充电电流IB’和偏置电流IB实际上处于预充电关系，而不论偏置电流IB的可能波动，这是由于预充电发生器38由偏置发生器32控制的事实。
预充电开关36被保持闭合达预充电时间段ΔT，其足以实现形成复制组块35的NMOS晶体管的控制电压VGSC、以及因此的中间节点INT上的电压，从而稳定在放大输入级的控制电压VGS的值处。预充电时间段ΔT的持续时间特别地取决于预充电电流IB’。
如已经突出强调的那样，中间节点INT预充电的阶段可以甚至在闭合第一开关22以确定发射阶段结束之前而开始。因此，根据设计选择(例如实际上根据预充电电流IB’与第一偏置电流IB之间的预充电关系)，预充电开关36可以能够被闭合，而第一开关22仍然断开。
一旦预充电时间段ΔT已经过去，则第二开关23和第三开关24同时开关切换(第二开关23的开关切换确定了接收阶段的开始)。
以此方式完成以上开关切换，以便于在初始闭合并随后断开的第三开关24、与初始断开随后闭合的第二开关23之间引起了电荷共享的过程。特别地，初始存储用于形成第三开关24(关断的MOS晶体管)的沟道的电荷释放，并且开始形成第二开关23(进入导通的MOS晶体管)的沟道。以此方式，进一步减少(例如最小化)了电荷注入电荷放大器17的放大输入级中，因此降低了对噪声的敏感性并且整体上并未延迟T/R开关级18的开关切换。
可以进一步通过驱动开关的控制端子以用于获得缓慢转变而获得电荷共享。换言之，持续时间为几纳秒的斜变电压替代了基本上阶梯式的电压(实际上，持续时间为数十或数百皮秒)而施加至开关的控制端子。
图7借由示例的方式示出了在从发射配置转换至接收配置时分别在如上所述的预充电机制的存在(实线)和不存在(虚线)的情形下在至电荷放大器17的第一放大级的输入端17a处的电压VIN。
强调的是，也可以中断预充电阶段以减少能耗。此外，由于根据预充电关系对预充电电流IB’的控制，在中间节点INT处可获得的预充电电压的水平是精确的。随后可以以灵活的方式选择预充电关系以获得开关速度(更高的预充电电流IB’和更短的预充电时间段ΔT)与能耗减少(更低的预充电电流IB’和更长的预充电时间段ΔT)之间的所需平衡。
参照图8，现在讨论在电子装置40中收发器电路10的可能应用，例如医疗诊断装置，诸如超声图像扫描仪或超声断层分析扫描仪。
在以上图8中，用于超声扫描或超声断层分析的超声探测器示意性示出并且由附图标记41整体示出。
探测器41包括容纳在封装43中的超声换能器(每个如前所述提供用于CMUT换能器2)的阵列，整体由44标注的收发器电路(每个如前详细所述用于收发器电路10)，以及控制单元47。
探测器41和收发器电路44可以集成在相同裸片上，或者备选的被提供在一个或多个分立不同的裸片上。有利地，收发器电路可以容纳在封装43内。
收发器电路44耦合至处理单元46，以提供指示了由CMUT换能器所拾取的返回回声的回声信号SE。
处理单元46接收并且处理回声信号SE以用于产生可以显示在屏幕48上和/或存储在大容量存储器49中的声谱仪图像IMG。
如图所示，控制单元47和处理单元46包括一个或多个处理器P，一个或多个存储器M，以及分立电路DC，其可以单独使用或者以各种组合使用以实施控制单元47和处理单元46的相应功能。
如图9中所示，CMUT换能器2和对应的收发器电路10设置用于形成多个发射/接收信道51，每个信道包括CMUT换能器2、发射器级3、T/R开关级18以及接收器级16。
在不同实施例(未示出)中，一个或多个发射器级3和/或接收器级16可以在大量CMUT换能器2之间共用，例如采用复用器的时间共享。
在每个信道51中，CMUT换能器2具有耦合至第一节点N1(接收/发射节点)的相应第一端子，以及耦合至第二节点N2的第二端子，第二节点构成了用于所有信道51的CMUT换能器2的共同参考点并且设置在偏置电压HV_POL(如前所述)。
实施例可以提供一种完整的发射和接收架构，其可以耦合至一个或多个CMUT换能器，具有紧凑的结构以及低复杂性，可以促进一个或多个以下特征：
使用CMUT换能器的本征电容以用于提供对应的增益级；
保护CMUT换能器的可访问电极避免在相邻信道之间的电容性耦合；
减小电荷注入；
减小在发射和接收阶段之间的开关切换时间；
定制T/R开关级，其中对于带宽影响低，并且减小了串联电阻以及减小了对噪声性能的影响；
在发射阶段期间使用具有最小改变的单极或双极发射脉冲的可能性；以及
独立于集成收发器电路的工作而进行CMUT的DC偏置的可能性。
如前所强调的那样，明显的是，所述的电路和架构不仅在医疗诊断领域，也可以与超声换能器组合用于广泛各种应用。
一些实施例可以采取计算机程序产品的形式或者包括计算机程序产品。例如，根据一个实施例，提供了一种包括适用于执行如上所述一个或多个方法或功能的计算机程序的计算机可读介质。介质可以是物理存储介质，诸如例如只读存储器(ROM)芯片，或诸如数字通用盘(DVD-ROM)、小型盘(CD-ROM)的盘，硬盘，存储器，网络，或将由合适的驱动或者经由合适的连接而读取的便携式媒体物品，包括编码在一个或多个广播或存储在一个或多个这些计算机可读介质上并且可由合适的读取器装置所读取的其他相关代码。
此外，在一些实施例中，一些系统和/或模块和/或电路和/或组块可以以其他方式实施或提供，诸如至少部分地以固件和/或软件，包括但不限于，一个或多个专用集成电路(ASIC)，数字信号处理器，分立电路，逻辑门，标准集成电路，状态机，查找表，控制器(例如通过执行合适的指令，并且包括微控制器和/或嵌入式控制器)，现场可编程门阵列(FPGA)，复杂可编程逻辑器件(CPLD)等，以及采用了RFID技术的装置，及其各种组合。
如上所述的各个实施例可以组合以提供其他实施例。如果需要采用各个专利、申请和公开的概念以提供另外其他实施例，可以修改实施例的特征方面。
可以在以上详述说明书的教导下对实施例做出这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应构造为将权利要求限定于说明书和权利要求所公开具体实施例，而是应该构造为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所请求保护的等价形式的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (23)

1.一种电子设备，包括：
发射器，配置用于在发射阶段期间产生用于换能器的第一节点的激励信号，所述换能器的第二节点耦合至偏置电压端子；
接收器，包括具有输入端子并且根据放大器偏置电压而被偏置的电荷放大器；以及
开关电路装置，被配置用于接收所述放大器偏置电压并且：
在预充电阶段期间基于所述放大器偏置电压产生预充电偏置电压；
在接收阶段期间将所述接收器耦合至所述第一节点；以及
在所述发射阶段期间将所述接收器从所述第一节点去耦。
2.根据权利要求1所述的设备，包括：
去耦电路装置，耦合在所述发射器的输出端子与所述第一节点之间并且被配置用于在所述接收阶段期间将所述发射器从所述第一节点去耦；以及
发射器偏置电路装置，耦合至所述输出端子并且被配置用于在所述接收阶段期间将所述输出端子的电压设置至参考电压值。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述去耦电路装置包括反向并联配置的二极管的配对，所述二极管的配对被连接在所述输出端子与所述第一节点之间并且在所述接收阶段期间被偏置。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述发射器偏置电路装置包括开关和高阻抗元件，串联连接在所述输出端子与被设置在所述参考电压的线路之间，所述发射器偏置电路装置的开关被配置用于在所述发射阶段期间断开并且在所述接收阶段期间闭合。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述开关电路装置包括中间节点并且被配置用于在所述预充电阶段期间将所述中间节点充电至所述预充电偏置电压以及在所述接收阶段期间将所述放大器输入端子耦合至所述中间节点。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述开关电路装置包括：
第一开关，被配置用于将所述第一节点选择性地耦合至所述中间节点；
第二开关，被配置用于将所述中间节点选择性地耦合至所述电荷放大器的所述输入端子；
偏置电压发生器，耦合至所述中间节点并且被配置用于基于所述放大器偏置电压产生所述预充电偏置电压；以及
第三开关，耦合在参考电压端子与所述偏置电压发生器之间并且被配置用于在所述预充电阶段期间选择性地激活所述偏置电压发生器。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，
所述接收器包括被配置用于接收所述放大器偏置电压并且提供偏置电流的偏置电流发生器，其中所述电荷放大器被配置为基于所述偏置电流在所述电荷放大器的输入端子上产生工作电压；以及
所述偏置电压发生器包括：预充电电流发生器，耦合至所述偏置电流发生器并且被配置用于提供预充电电流，其中所述偏置电压发生器被配置为基于所述预充电电流在所述中间节点上提供所述预充电偏置电压，所述预充电偏置电压与所述工作电压具有预设关系。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，
所述电荷放大器包括第一晶体管，耦合至所述偏置电流发生器以接收所述偏置电流并且具有耦合至所述电荷放大器的输入端子的控制端子，以及第一长宽比；以及
所述偏置电压发生器包括耦合在所述中间节点与所述预充电电流发生器之间的第四开关，以及耦合至所述预充电电流发生器以接收所述预充电电流的第二晶体管，所述预充电电流经由镜像比而相对于所述偏置电流成镜像，所述第二晶体管具有耦合至所述中间节点的控制端子以及第二长宽比，其中所述第二长宽比是所述第一长宽比的倍数，所述倍数取决于所述镜像比。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电荷放大器包括耦合在所述电荷放大器的输出端子与所述电荷放大器的所述输入端子之间的反馈电容器。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述发射器工作在第一电压并且所述接收器工作在低于所述第一电压的第二电压，以及所述开关电路装置被配置用于保护所述接收器级免受所述发射器级中的所述第一电压的影响。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏置电压端子被配置为从外部源接收电压。
12.根据权利要求2所述的设备，其中，所述开关电路装置包括中间节点并且被配置用于在所述预充电阶段期间将所述中间节点充电至所述预充电偏置电压以及在所述接收阶段期间将所述放大器输入端子耦合至所述中间节点。
13.一种电子系统，包括：
超声探测器，包括设置为阵列的多个换能器以及对应的多个收发器电路，每个收发器电路具有：
发射器，被配置用于在发射阶段期间产生用于换能器的第一节点的激励信号，所述换能器的第二节点耦合至偏置电压端子；
接收器，包括具有输入端子并且根据放大器偏置电压而被偏置的电荷放大器；以及
开关电路装置，被配置用于接收所述放大器偏置电压并且：
在预充电阶段期间基于所述放大器偏置电压产生预充电偏置电压；
在接收阶段期间将所述接收器耦合至所述第一节点；以及
在所述发射阶段期间将所述接收器从所述第一节点去耦；以及
控制器，被配置用于对所述收发器电路中的每个收发器电路的接收阶段和发射阶段定时。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，每个收发器电路包括：
去耦电路装置，耦合在所述发射器的输出端子与所述第一节点之间并且被配置用于在相应收发器的所述接收阶段期间将所述发射器从所述第一节点去耦；以及
发射器偏置电路装置，耦合至所述输出端子并且被配置用于在相应收发器的所述接收阶段期间将所述输出端子的电压设置至参考电压值。
15.根据权利要求13所述的系统，被配置用于执行超声扫描术和超声断层照相术中的至少一个。
16.一种用于通信的方法，包括：
在发射阶段期间将发射器的激励信号发射至换能器的第一节点，所述换能器的第二节点耦合至偏置电压端子；
根据放大器偏置电压偏置接收器的电荷放大器，所述电荷放大器具有输入端子；
由开关电路装置在预充电阶段期间基于所述放大器偏置电压产生预充电偏置电压；
由所述开关电路装置在接收阶段期间将所述接收器耦合至所述第一节点；以及
由所述开关电路装置在所述发射阶段期间将所述接收器从所述第一节点去耦。
17.根据权利要求16所述的方法，包括：
在所述接收阶段期间将所述发射器的输出端子从所述第一节点去耦；以及
在所述接收阶段期间将所述输出端子的电压钳位至参考电压值。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述钳位包括通过高阻抗元件控制将所述输出端子耦合至参考电压线的开关。
19.根据权利要求16所述的方法，包括，在所述预充电阶段期间将中间节点充电至所述预充电偏置电压并且在所述接收阶段期间将所述放大器输入端子耦合至所述中间节点。
20.根据权利要求18所述的方法，包括，在所述预充电阶段期间将中间节点充电至所述预充电偏置电压并且在所述接收阶段期间将所述放大器输入端子耦合至所述中间节点。
21.一种非瞬态计算机可读介质，其存储有指令，所述指令当由处理设备执行时使得所述处理设备执行动作，所述动作包括：
在发射阶段期间将发射器的激励信号发射至换能器系统的换能器的第一节点，所述换能器的第二节点耦合至偏置电压端子；
根据放大器偏置电压偏置接收器的电荷放大器；
由开关电路装置在预充电阶段期间基于所述放大器偏置电压产生预充电偏置电压；
由所述开关电路装置在接收阶段期间将所述接收器耦合至所述第一节点；以及
由所述开关电路装置在所述发射阶段期间将所述接收器从所述第一节点去耦。
22.根据权利要求21所述的介质，其中，所述动作包括：
在所述接收阶段期间将所述发射器的输出端从所述第一节点去耦；以及
在所述接收阶段期间将所述输出端子的电压钳位至参考电压值。
23.根据权利要求21所述的介质，其中，所述动作包括，在所述预充电阶段期间将中间节点充电至所述预充电偏置电压并且在所述接收阶段期间将所述放大器的输入端子耦合至所述中间节点。
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