CN109391239A - 一种改进型高线性度压控增益衰减器 - Google Patents

一种改进型高线性度压控增益衰减器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改进型高线性度压控增益衰减器,包括模拟参考电压产生器、电压跟踪与比较器阵列和CMOS晶体管衰减阵列。本发明在传统压控衰减器的核心电路基础上进行改进,采用CMOS晶体管衰减阵列代替传统的单个衰减晶体管,以实现大动态范围的衰减增益;采用电压跟踪与比较器阵列对CMOS晶体管衰减阵列进行控制,提高衰减增益的线性度;采用电阻分压方法为所有衰减晶体管提供衬底电压,保证晶体管衰减阵列正、负信号支路的对称性,提高衰减器的失真性能。

Description

一种改进型高线性度压控增益衰减器
技术领域
本发明涉及超声信号处理模拟前端领域,具体涉及一种改进型大动态范围、高线性度的压控增益衰减器。
背景技术
超声成像技术广泛应用在现代医疗器械中,以实现对人体体表或体内的生物医学成像。超声信号处理模拟前端(Analog front-end,AFE)电路作为超声成像系统中最重要的组成模块,其动态范围和增益线性度在很大程度上决定了超声成像系统所能达到的穿透深度和成像精度。当所需实现的穿透深度由人体体内变化为人体体表时,AFE必须提供足够的衰减增益以避免链路中数据转换器输入信号饱和与输出信号失真。
AFE的衰减增益通常由压控增益衰减器模块提供。为了实现较大范围的穿透深度,压控增益衰减器应具有较大的增益衰减动态范围,而为了实现较高的成像精度,压控增益衰减器应具有良好的增益衰减线性度。先前已有的模拟电压控制增益衰减器主要由单级CMOS晶体管实现,衰减动态范围较小,限制了超声成像的穿透深度范围;同时,由于晶体管本身固有的非线性工作特性,所实现的增益衰减器具有较差的增益衰减线性度,严重影响了超声成像的质量。
发明内容
本发明的目的就是提供一种改进型压控增益衰减器,其可有效解决上述问题,具有大动态范围、高线性度的性能特点。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案进行实施:
一种改进型高线性度压控增益衰减器,包括模拟参考电压产生器、电压跟踪与比较器阵列和CMOS晶体管衰减阵列;衰减增益控制电压信号x1由外部电路直接提供,根据衰减需要可以进行手动调节;电压跟踪与比较器阵列模块对来自于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2和衰减增益控制电压信号x1进行比较,当衰减增益控制电压信号x1小于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2时,电压跟踪与比较器阵列模块的输出信号x3等于衰减增益控制电压信号x1;当衰减增益控制电压信号x1大于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2时,电压跟踪与比较器阵列的输出信号x3为系统高电平;CMOS晶体管衰减阵列在电压跟踪与比较器阵列输出信号x3的控制下对输入超声回波信号x4进行增益衰减,并产生增益衰减后的模拟信号x5。
本发明的有益效果:在传统压控衰减器的核心电路基础上进行改进,采用CMOS晶体管衰减阵列代替传统的单个衰减晶体管,以实现大动态范围的衰减增益;采用电压跟踪与比较器阵列对CMOS晶体管衰减阵列进行控制,提高衰减增益的线性度;采用电阻分压方法为所有衰减晶体管提供衬底电压,保证晶体管衰减阵列正、负信号支路的对称性,提高压控衰减器的失真性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为模拟参考电压产生器的电路结构原理图;
图3为电压跟踪与比较器阵列的结构原理图;
图4为电压跟踪与比较器的具体电路结构原理图;
图5为电压跟踪与比较器中运算放大器OPA的电路结构原理图;
图6为CMOS晶体管衰减阵列的电路结构原理图;
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白,以下结合附图图1至图6对本发明进行具体说明。应当理解,以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式,并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
本发明采取的技术方案如图1所示,一种大动态范围、高线性度压控增益衰减器,包括模拟参考电压产生器、电压跟踪与比较器阵列和CMOS晶体管衰减阵列;衰减增益控制电压信号x1由外部电路直接提供,根据衰减需要可以进行手动调节;电压跟踪与比较器阵列模块对来自于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2和衰减增益控制电压信号x1进行比较,当衰减增益控制电压信号x1小于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2时,电压跟踪与比较器阵列模块的输出信号x3等于衰减增益控制电压信号x1;当衰减增益控制电压信号x1大于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2时,电压跟踪与比较器阵列的输出信号x3为系统高电平;CMOS晶体管衰减阵列在电压跟踪与比较器阵列输出信号x3的控制下对输入超声回波信号x4进行增益衰减,并产生增益衰减后的模拟信号x5。
图2为模拟参考电压产生器的电路结构原理图,电阻R1至R8阻值相等并依次串联连接,电阻R1的一端连接电源电压,另一端连接电阻R2,其连接点出的电压作为电压跟踪与比较器阵列模块的输入参考电压Vref1;电阻R2的另一端连接电阻R3,其连接点出的电压作为电压跟踪与比较器阵列模块的输入参考电压Vref2;电阻R3的另一端连接电阻R4,其连接点出的电压作为电压跟踪与比较器阵列模块的输入参考电压Vref3;电阻R4的另一端连接电阻R5,其连接点出的电压作为电压跟踪与比较器阵列模块的输入参考电压Vref4;电阻R5的另一端连接电阻R6,其连接点出的电压作为电压跟踪与比较器阵列模块的输入参考电压Vref5;电阻R6的另一端连接电阻R7,其连接点出的电压作为电压跟踪与比较器阵列模块的输入参考电压Vref6;电阻R7的另一端连接电阻R8,其连接点出的电压作为电压跟踪与比较器阵列模块的输入参考电压Vref7。
图3为电压跟踪与比较器阵列的结构原理图,电压跟踪与比较器阵列由7个完全相同的电压跟踪与比较器组成,每个电压跟踪与比较器分别对输入电压控制信号Vctrl和来自于模拟参考电压产生器的7个模拟参考电压Vref1~Vref7进行比较,以第一个电压跟踪与比较器为例,当输入电压控制信号Vctrl小于参考电压Vref1时,输出信号Vc1等于Vctrl,实现跟踪功能;当输入电压控制信号Vctrl小于参考电压Vref1时,输出信号Vc1等于系统高电平,实现比较功能;Vc1~Vc7为电压跟踪与比较器阵列的输出信号,提供给CMOS晶体管衰减阵列模块对衰减晶体管进行控制。
图4为电压跟踪与比较器的具体电路结构原理图,VDD为电源电压,Vctrl为外部输入控制电压,Vc1为输出电压;电压跟踪与比较器阵列中的7个电压跟踪与比较器完全相同,本发明以第一个电压跟踪与比较器为例进行说明;Vref1为模拟参考电压产生器所产生的第一个参考电压;电阻R9的一端连接电源电压VDD,另一端连接晶体管M1的漏端,并作为第一个电压跟踪与比较器的输出信号端;晶体管M1的源端(Vx)连接分两路分别连接电阻R10的一端和运算放大器OPA的负极,电阻R2的另一端连接外部输入控制电压端;模拟参考电压产生器所产生的第一个参考电压Vref1进入运算放大器OPA,运算放大器OPA的输出端连接晶体管M1的栅端。
图5为电压跟踪与比较器中运算放大器OPA的电路结构原理图,VDD和GND分别为电源电压和地电压,Vbias为外部提供的偏置电压;Vx为图4电压跟踪与比较器的具体电路结构原理图中晶体管M1的源端电压,Vout为运算放大器的输出端信号,Vref1为模拟参考电压产生器所产生的第一个参考电压信号;电源电压VDD分三路分别连接晶体管M4、M5和M8的源端,晶体管M4的栅端与漏端连接,并分两路分别连接晶体管M5的栅端和晶体管M2的漏端,晶体管M2的源端与晶体管M3的源端连接,并连接晶体管M6的漏端,晶体管M2的栅端连接Vx,晶体管M3的栅端连接Vref1,晶体管M3的漏端与晶体管M5的漏端连接,同时连接晶体管M8的栅端和电容C1的一端,电容C1的另一端连接电阻R11的一端,电阻R11的另一端连接晶体管M7的漏端和晶体管M8的漏端,并连接运算放大器的输出端,晶体管M6和M7的栅端短接,并连接外部偏置电压Vbias,晶体管M6和M7的源端短接,并接入地。
图6为CMOS晶体管衰减阵列的电路结构原理图,CMOS晶体管衰减阵列为全差分结构,Vin+和Vin-为CMOS晶体管衰减阵列的正、负差分输入信号,Vout+和Vout-分别为CMOS晶体管衰减阵列的正、负差分输出信号,Vc1~Vc7为电压跟踪与比较器阵列的输出信号,分别连接衰减晶体管M9~M15的栅端,电阻Rin1一端连接输入信号Vin+端,另一端分8路分别连接晶体管M9~M15的漏端和电阻Rsub1的一端,并连接CMOS晶体管衰减阵列的正极输出端;电阻Rin2一端连接输入信号Vin-端,另一端分8路分别连接晶体管M9~M15的源端和电阻Rsub2的一端,并连接CMOS晶体管衰减阵列的负极输出端;电阻Rsub1和Rsub2串联连接,其中点连接处连接晶体管M9~M15衬底。
本发明具体使用时,一种大动态范围、高线性度压控增益衰减器,包括模拟参考电压产生器、电压跟踪与比较器阵列和CMOS晶体管衰减阵列;衰减增益控制电压信号x1由外部电路直接提供,根据衰减需要可以进行手动调节;电压跟踪与比较器阵列模块对来自于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2和衰减增益控制电压信号x1进行比较,当衰减增益控制电压信号x1小于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2时,电压跟踪与比较器阵列模块的输出信号x3等于衰减增益控制电压信号x1;当衰减增益控制电压信号x1大于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2时,电压跟踪与比较器阵列的输出信号x3为系统高电平;CMOS晶体管衰减阵列在电压跟踪与比较器阵列输出信号x3的控制下对输入超声回波信号x4进行增益衰减,并产生增益衰减后的模拟信号x5,电压跟踪与比较器阵列由7个完全相同的电压跟踪与比较器组成,每个电压跟踪与比较器分别对输入电压控制信号Vctrl和来自于模拟参考电压产生器的7个模拟参考电压Vref1~Vref7进行比较,以第一个电压跟踪与比较器为例,当输入电压控制信号Vctrl小于参考电压Vref1时,输出信号Vc1等于Vctrl,实现跟踪功能;当输入电压控制信号Vctrl小于参考电压Vref1时,输出信号Vc1等于系统高电平,实现比较功能;Vc1~Vc7为电压跟踪与比较器阵列的输出信号,提供给CMOS晶体管衰减阵列模块对衰减晶体管进行控制,采用CMOS晶体管衰减阵列代替传统的单个衰减晶体管,以实现大动态范围的衰减增益;采用电压跟踪与比较器阵列对CMOS晶体管衰减阵列进行控制,提高衰减增益的线性度;采用电阻分压方法为所有衰减晶体管提供衬底电压,保证晶体管衰减阵列正、负信号支路的对称性,提高压控衰减器的失真性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在获知本发明中记载内容后,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对其作出若干同等变换和替代,这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种改进型高线性度压控增益衰减器,其特征在于:包括模拟参考电压产生器、电压跟踪与比较器阵列和CMOS晶体管衰减阵列;衰减增益控制电压信号x1由外部电路直接提供,根据衰减需要可以进行手动调节;电压跟踪与比较器阵列模块对来自于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2和衰减增益控制电压信号x1进行比较,当衰减增益控制电压信号x1小于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2时,电压跟踪与比较器阵列模块的输出信号x3等于衰减增益控制电压信号x1,实现对衰减增益控制电压信号的跟踪;当衰减增益控制电压信号x1大于模拟参考电压产生器的输出参考电压信号x2时,电压跟踪与比较器阵列的输出信号x3为系统高电平;CMOS晶体管衰减阵列在电压跟踪与比较器阵列输出信号x3的控制下对输入超声回波信号x4进行增益衰减,并产生增益衰减后的模拟信号x5。
2.根据权利要求1所述的改进型高线性度压控增益衰减器,其特征在于:电压跟踪与比较器阵列由7个完全相同的电压跟踪与比较器组成,每个电压跟踪与比较器分别对输入电压控制信号Vctrl和来自于模拟参考电压产生器的7个模拟参考电压Vref1~Vref7进行比较;以第一个电压跟踪与比较器为例,当输入电压控制信号Vctrl小于参考电压Vref1时,输出信号Vc1等于Vctrl,实现跟踪功能;当输入电压控制信号Vctrl小于参考电压Vref1时,输出信号Vc1等于系统高电平,实现比较功能;Vc1~Vc7为电压跟踪与比较器阵列的输出信号,提供给CMOS晶体管衰减阵列模块对衰减晶体管进行控制。
3.根据权利要求1所述的改进型高线性度压控增益衰减器,其特征在于:电压跟踪与比较器阵列中的7个电压跟踪与比较器完全相同,以第一个电压跟踪与比较器为例进行说明;Vref1为模拟参考电压产生器所产生的第一个参考电压;电阻R9的一端连接电源电压VDD,另一端连接晶体管M1的漏端,并作为第一个电压跟踪与比较器的输出信号端;晶体管M1的源端(Vx)连接分两路分别连接电阻R10的一端和运算放大器OPA的负极,电阻R2的另一端连接外部输入控制电压端;模拟参考电压产生器所产生的第一个参考电压Vref1进入运算放大器OPA,运算放大器OPA的输出端连接晶体管M1的栅端。
4.根据权利要求1所述的改进型高线性度压控增益衰减器,其特征在于:CMOS晶体管衰减阵列为全差分结构,Vin+和Vin-为CMOS晶体管衰减阵列的正、负差分输入信号,Vout+和Vout-分别为CMOS晶体管衰减阵列的正、负差分输出信号,Vc1~Vc7为电压跟踪与比较器阵列的输出信号,分别连接衰减晶体管M9~M15的栅端,电阻Rin1一端连接输入信号Vin+端,另一端分8路分别连接晶体管M9~M15的漏端和电阻Rsub1的一端,并连接CMOS晶体管衰减阵列的正极输出端;电阻Rin2一端连接输入信号Vin-端,另一端分8路分别连接晶体管M9~M15的源端和电阻Rsub2的一端,并连接CMOS晶体管衰减阵列的负极输出端;电阻Rsub1和Rsub2串联连接,其中点连接处连接晶体管M9~M15衬底。
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