CN110301093B - 用于超声换能器的控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声换能器(TD1，TDn)的控制电路(100)，其可根据要控制的换能器的类型进行配置，该电路包括：第一端子(b)，其旨在连接到换能器(TD1，TDn)中的每个的第一电极(E1)；和偏置开关(SWP)，其可被配置用于根据要控制的换能器的类型而将第一端子(b)连接到第一极化节点(P1)和第二极化节点(P2)中的一个或另一个。

Description

用于超声换能器的控制电路
本专利申请要求法国专利申请FR17/50071的优先权权益，其通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及超声成像，并且更特别地涉及旨在控制超声成像系统的超声换能器的电子电路。
背景技术
超声成像系统通常包括例如以线性阵列或矩阵阵列布置的多个超声换能器。在操作中，换能器组件被布置为与期望成像的主体相对。该系统还包括电子控制电路，其能够将电激励信号施加到换能器，以致使通过换能器发射超声波。由换能器发射的超声波被待分析的主体(通过其内部和/或表面结构)反射，并然后返回到换能器，换能器将它们转换回电信号。电响应信号由电子控制电路读取并且可以被存储和分析，以从中推断出关于所研究主体的信息。
传统的超声成像系统是相对复杂和昂贵的系统，例如用于医疗领域(超声扫描)或工业应用(材料的非破坏性控制)。最近，已经提供了消费者应用，其中超声换能器传感器用于获取用户的生物识别签名，例如指纹。与光学类型的生物识别传感器相比，优点在于提高了识别的可靠性，这特别是由于集成了关于用于识别的身体部分(手指、手掌等)的内部结构的信息。
期望至少部分地改善现有超声成像系统的某些方面。特别地，期望能够降低这种系统的成本，并且特别是由于换能器控制电子电路而造成的成本。这对于消费者应用来说更为重要，其中换能器控制电子电路的成本可能是系统总成本的重要部分。
发明内容
因此，实施例提供了一种超声换能器控制电路，其特征在于它可根据要控制的换能器的类型进行配置。
根据实施例，控制电路包括：第一端子，其旨在耦合到换能器中的每个的第一电极；和偏置开关，其被配置为根据要控制的换能器的类型而将第一端子耦合到第一偏置节点和第二偏置节点中的一个或另一个。
根据实施例，第一偏置节点是DC偏置电压供应电路的输出节点，并且第二偏置节点是施加电路的参考电位的节点。
根据实施例，旨在提供DC偏置电压的电路包括DC/DC电压转换器，其可配置为修改其递送的偏置电压的电平。
根据实施例，控制电路包括多个第二端子，其旨在分别耦合到要控制的换能器的第二电极。
根据实施例，控制电路包括多个电压脉冲发生器，每个第二端子耦合到电压脉冲发生器中的一个。
根据实施例，由脉冲发生器递送的电压脉冲的电压电平是可配置的。
根据实施例，控制电路还包括：接收电路，其包括输入节点；接收放大器，其输入端耦合到输入节点；模数转换器，其输入端耦合到接收放大器的输出端，并且输出端耦合到模数转换器的输出端。
根据实施例，控制电路包括分别将第二端子耦合到接收电路的输入节点的多个开关。
根据实施例，接收电路包括阻抗匹配电路，其可根据要控制的换能器的类型进行配置。
根据实施例，接收电路在接收放大器和模数转换器之间还包括以下元件中的至少一个：
模拟增益调节电路；和
模拟抗混叠滤波器。
根据实施例，接收电路包括开关电容器阵列，其被布置在模数转换器上游，使得能够在模数转换器对表示接收放大器的输出信号的模拟样本进行数字化之前存储模拟样本。
附图说明
在以下结合附图对具体实施例的非限制性描述中将详细讨论前述和其他特征和优点，在附图中：
图1是示出了超声换能器电子控制电路的实施例的简化电气图；
图2是更详细地示出了图1的控制电路的脉冲发生器的实施例的电气图；
图3是更详细地示出了图1的控制电路的脉冲发生器的另一实施例的电气图；
图4A、4B和4C是更详细地示出了图1的控制电路的接收放大器的三个可替换实施例的电气图；并且
图5是示出了图1的控制电路的接收电路的可替换实施例的电气图。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。为清楚起见，仅示出并详述了对理解所述实施例有用的那些元件。特别地，控制电路的各种可能的应用尚未详述，所述实施例与超声成像系统的通常应用兼容。此外，尚未详述由控制电路施加到超声换能器的电激励信号的特性(频率、形状、幅度等)，所述实施例与当前在超声成像系统中使用的激励信号兼容，其可根据所考虑的应用来选择，特别是根据待分析的主体性质和期望获得的信息类型来选择。
在本说明书中，术语“连接”用于表示在没有中间电子部件的情况下例如借助于一个或多个导电轨道或导电线直接电连接，并且术语“耦合”或术语“链接”用于表示可以是直接(那么意味着“连接”)或间接(即，经由一个或多个中间部件)的电连接。
在现有的超声成像系统中，换能器控制电子电路是专门针对所考虑的应用设计的电路，并且特别是根据所使用的换能器的类型而设计的电路。实际上，存在不同的超声换能器技术，例如，压电换能器、晶体换能器、CMUT换能器(电容式微机械超声换能器)等。根据所选技术和/或针对给定技术，根据换能器尺寸，对控制电路的限制可能不同，特别是当涉及施加到换能器的激励信号的功率、施加到换能器的偏置电压的电平、和/或换能器和旨在读取由换能器生成的电响应信号的电路之间的阻抗匹配时。
针对每个超声成像应用提供特定控制信号意味着显著的开发成本，并且因此控制电路的成本相对较高。
根据实施例的一方面，提供了一种超声换能器控制电路，其可根据要控制的换能器的类型进行配置或参数化。这种电路具有以下优点：可用于不同应用，并且特别是用于控制不同技术和/或具有不同尺寸的换能器。这使得能够不必针对每个超声成像应用开发特定的控制电路，并因此提供了规模经济。
图1是示出了超声换能器电子控制电路100的实施例的简化电气图。除了控制电路100之外，图1还示出了要控制的n个超声换能器TD1，...，TDn(n是例如在10至5000的范围内的大于1的整数)以及偏置电容器Cp。图1的系统的换能器TD1，...，TDn例如在制造离差内是相同的。作为示例，换能器TD1，...，TDn是压电换能器、晶体换能器或CMUT换能器。每个超声换能器TDi(i是在1到n的范围内的整数)包括两个电极E1和E2。当在电极E1和E2之间施加适当的激励电压时，换能器发射超声波。当换能器接收到给定波长范围内的超声波时，它在其电极E1和E2之间提供表示接收到的波的电压。
电路100包括n个端子a1，...，an，其旨在分别耦合到换能器TD1，...，TDn的电极E2。电路100还包括单个端子b，其旨在耦合到换能器TD1，...TDn的电极E1。在所示的示例中，换能器TD1，...，TDn的电极E2分别连接到控制电路100的端子a1，...，an，并且换能器TD1，...，TDn的电极E1连接到控制电路100的端子b。
图1的系统的偏置电容器CP将电路100的端子b耦合到系统的参考电位的施加节点GND(例如地)。在所示的示例中，电容器CP在电路100的外部。作为变型，电容器CP可以包括在电路100内。
对于每个超声换能器TDi，图1的控制电路100包括脉冲发生器TXi和可控制开关SWTXi，其将脉冲发生器TXi的输出节点out耦合到与换能器TDi的电极E2耦合的电路的端子ai。与不同换能器相关联的脉冲发生器TX1，...，TXn例如在制造离差内是相同的。此外，开关SWTX1，...，SWTXn可以在制造离差内是相同的。每个脉冲发生器TXi包括能够接收逻辑控制信号的输入节点in。当施加到发生器TXi的输入节点in的逻辑信号处于第一状态时，发生器TXi在其输出节点out上递送高电平电压+HV，并且当施加到发生器TXi的节点in的逻辑信号处于第二状态时，发生器TXi在其输出节点out上递送低电平电压-HV。作为示例，相对于施加到节点GND的电路的参考电压，电压+HV和-HV分别为正和负。作为变型，电压-HV等于电路的参考电压，并且电压+HV相对于电路的参考电压为正。脉冲发生器TXi的输出信号对应于换能器TDi的激励信号，其可以经由开关SWTXi施加到换能器TDi的电极E2。激励信号的电压电平相对较高，例如，峰值间(即，低电平-HV和高电平+HV之间)大约为10到50伏。在图1的示例中，电路100包括DC/DC电压转换器(DC/DC)101，其能够从例如1至5伏范围内的电路100的电源电压(未示出)生成脉冲发生器TXi的电源电压+HV和可能的-HV。优选地，DC/DC转换器101可配置为修改所递送的输出电压+HV和可能的-HV的电平，这使得电路100能够与能够接收不同激励电压电平的不同类型的超声换能器兼容。在所示的示例中，DC/DC转换器101是由不同脉冲发生器TXi共享的单个转换器。作为变型，每个脉冲发生器TXi可以耦合到其自己的DC/DC转换器。
图1的控制电路100还包括耦合到不同脉冲发生器TXi的输入节点in的逻辑控制电路103(CTRL)。控制电路103能够将逻辑控制序列应用于不同的脉冲发生器。电路103可以同时或顺序地单独控制不同的脉冲发生器TX1，...，TXn。控制电路103例如包括：例如微处理器或可编程逻辑电路类型(例如，FPGA)的一个或多个数字处理或调节电路(未详述)，和一个或多个存储器电路(未详述)。控制电路103例如能够存储例如对应于不同激励频率的多个预定换能器激励场景，并且能够由用户根据设想的应用来选择，并且特别是根据所使用的换能器的类型和/或根据要分析的主体的类型和/或根据搜索到的图像或信息的类型来选择。在DC/DC转换器101可配置的情况下，它可以例如借助于控制电路103经由配置连接(未示出)进行配置。
图1的电子控制电路100还包括接收电路105，其能够放大和数字化由超声换能器生成的电响应信号。图1的电路100还包括n个可控开关SWRX1，...，SWRXn，其分别将端子a1，...，an耦合到接收电路105的输入节点c。接收电路105包括：接收放大器107，优选地是低噪声(LNA)，其输入端耦合到节点c；和模数转换器109(ADC)，其输入端耦合到放大器107的输出端并且其输出端耦合到接收电路105的(多个位的)输出端d。接收电路105的输出端d耦合到控制电路103。作为示例，转换器109能够在输出端d上提供在50至250MHz的范围内的数字化频率下(例如120MHz频率下)的在8到24位(例如，14位)之上量化的数字样本，其表示转换器的输入信号的幅度。
在图1的示例中，接收电路105在节点c和放大器107的输入端之间还包括阻抗匹配电路111，其使得能够将放大器107的输入阻抗与超声换能器的阻抗进行匹配(如果需要)。优选地，阻抗匹配电路111是可配置的，这使得电路100能够与具有不同阻抗的不同类型的超声换能器兼容。作为示例，阻抗匹配电路111包括可配置的电阻器和/或电容器的阵列。在阻抗匹配电路111是可配置的情况下，它可以例如借助于控制电路103经由配置连接(未示出)进行配置。
在图1的示例中，接收电路105在放大器107的输出端和模数转换器109的输入端之间还包括增益调节电路113(VGA)。电路113例如可由控制电路103数字控制。电路113使得能够在读出由超声换能器接收到的返回信号的阶段期间将可变增益施加到放大器107的输出信号。作为示例，在读出由超声换能器接收到的返回信号的阶段期间，控制电路103控制电路113以逐渐增加施加到放大器107的输出信号的增益。实际上，在接收待分析的主体反射的超声信号的阶段期间，反射信号的幅度随时间减小，这是因为随着时间流逝，信号行进的距离增加并且反射信号衰减。由调节电路113施加的增益的逐渐增加使得能够使模数转换器109的输入端处施加的信号的幅度最大化，并从而使由转换器109引入的量化噪声最小化。
在图1的示例中，接收电路105还包括模拟抗混叠滤波器115(AAF)(例如，低通滤波器)，其被布置在放大器107的输出端和模数转换器109的输入端之间。在所示的示例中，滤波器115被布置在增益调节电路113的输出端和转换器109的输入端之间。
图1的控制电路100还包括偏置开关SWP，可配置成根据连接到控制电路100的换能器TDi的类型而将节点b耦合到第一偏置节点P1或第二偏置节点P2。开关SWP例如可以经由控制电路103控制。
在图1的示例中，节点P1是电路117的输出节点，其旨在提供DC偏置电压Vbias，例如，相对于电路的参考电压或地的正电压。作为示例，偏置电压Vbias在5到200V的范围内(例如大约30V)。这种偏置电压特别适合于CMUT型换能器。因此，当电路100用于控制CMUT型换能器时，开关SWP可以被配置为将节点b连接到节点P1。电路117例如是DC/DC电压转换器(DC/DC)，其能够从例如1到5伏范围内的电路100的电源电压(未示出)生成偏置电压Vbias。优选地，电路117可配置为修改所递送的偏置电压Vbias的电平，这使得电路100能够与能够接收不同偏置电压电平的不同类型的超声换能器兼容，或者对于给定的换能器类型，能够修改换能器的机电转换系数。在电路117可配置的情况下，后者可以例如经由控制电路103进行配置。
在图1的示例中，节点P2连接到电路的参考节点或地GND。当电路100用于控制压电类型或晶体类型的超声换能器时，开关SWP可以被配置为将节点b连接到节点P2，这是因为换能器不需要被偏置。
作为示例，图1的控制电路100的不同部件可以被集成在一个或多个集成电路芯片(未示出)中。例如，脉冲发生器TXi、开关SWTXi和SWRXi、DC/DC转换器101、偏置电路117和偏置开关SWP被集成在同一集成电路芯片中，并且接收电路105和控制电路103被集成在同一第二集成电路芯片中。然而，所述实施例不限于该特定情况。
在图1的示例中，控制电路100包括由不同换能器TD1，...，TDn共享的单个接收电路105。在这种情况下，可以执行多个连续的超声猝发以获取待分析的主体的图像。系统操作的示例如下。在第一超声发射阶段期间，开关SWTX1，...，SWTXn全部接通(设置为导通状态)，并且控制电路103同时控制脉冲发生器TX1，...，TXn以将激励信号施加到不同的换能器。为此，控制电路103向每个脉冲发生器TXi的输入端施加预定的逻辑序列(或位列)，其表示要施加到换能器TDi的激励信号。逻辑信号由发生器TXi转换成电平+HV/-HV的脉冲串，其经由开关SWTXi施加到换能器TDi的电极E2。作为示例，超声换能器TDi的固有频率(即主要共振频率)在10到50MHz的范围内(例如大约30MHz)。施加到脉冲发生器TXi的输入端的逻辑序列的频率，以及因此施加到换能器TDi的脉冲串的频率优选地大于换能器TDi的固有频率的四倍，以能够在发射模式中提供良好的频谱覆盖，例如，对于30MHz下的换能器为120MHz。在发射阶段结束时，开关SWTX1，...，SWTXn关断(不导通)并且第一接收开关SWRXi接通，其他接收开关保持关断。然后，在第一接收阶段期间，经由接收电路105读取并数字化由换能器TDi生成的响应信号。信号可以由控制电路103存储。然后通过在接收模式中交替不同的换能器TD1，...，TDn(即，通过在接收阶段期间针对每个迭代修改对被控制为接通状态的接收开关SWRXi的地址)而重复发射模式和接收阶段。对传送开关和接收开关SWTXi和SWRXi的控制例如经由控制电路103执行。
作为变型(未示出)，控制电路100包括与上述电路105相同或相似的n个接收电路1051，...，105n，其分别耦合到n个端子a1，...，an。在这种情况下，可以省略接收开关SWRX1，......，SWRXn，每个接收路径105i使其输入节点c连接到对应的端子ai。在该变型中，可以同时读出由n个换能器接收到的返回信号。因此，可以在换能器的超声发射/接收的单个循环之后获得待分析对象的图像。
在另一个变型中，控制电路100包括在1和n之间的中间的数量r个接收电路，其使得能够在n/r个超声发射/接收循环之后获取对象的图像。
图2是更详细地示出了图1的控制电路100的脉冲发生器TXi的实施例的电气图。在该示例中，脉冲发生器TXi是由MOS晶体管组成的推挽式组件。更特别地，图2的脉冲发生器TXi包括P沟道MOS晶体管201和N沟道MOS晶体管203。晶体管201的源极(s)耦合到发生器的高电源电压+HV的施加节点，并且其漏极(d)耦合到晶体管203的漏极(d)。晶体管203的源极(s)耦合到发生器的低电源电压-HV的施加节点。晶体管201的栅极(g)还耦合到晶体管203的栅极(g)。脉冲发生器TXi的输入节点in耦合到晶体管201和203的栅极共用的节点，并且脉冲发生器TXi的输出节点out耦合到晶体管201和203的源极共用的节点。
作为变型，可以通过用NPN型双极晶体管代替晶体管201并用PNP型双极晶体管代替晶体管203来形成类似的组件。
图3是更详细地示出了图1的控制电路100的脉冲发生器TXi的另一实施例的电气图。
在该示例中，脉冲发生器TXi包括两个受控开关251和253(例如，MOS晶体管或双极晶体管)，其串联连接在发生器的低电源电压-HV的施加节点和发生器的高电源电压+HV的施加节点之间。更特别地，在所示示例中，开关251具有连接到节点-HV的第一导电节点和第二导电节点，并且开关253具有连接到开关251的第二导电节点的第一导电节点和连接到节点+HV的第二导电节点。脉冲发生器TX1还包括两个二极管255和257，其反并联地耦合在开关251和253的接合点和发生器的输出节点out之间。更特别地，在所示示例中，二极管255的阳极连接到开关251和253之间的公共导电节点，并且其阴极连接到节点out，并且二极管257的阳极连接到节点out且其阴极连接到开关251和253之间的公共导电节点。图3的脉冲发生器TXi还包括：受控开关259(例如，MOS晶体管或双极晶体管)，其通过其导电节点将开关251和253的接合点耦合到参考节点GND；和受控开关261(例如，MOS晶体管或双极晶体管)，其通过其导电节点将节点out耦合到节点GND。脉冲发生器TXi还包括具有三个二进制输入端e1、e2、e3和三个二进制输出端s1、s2、s3、s4的逻辑电路263。电路263的输出端s1、s2、s3和s4分别耦合到开关253、255、261和259的控制节点以控制晶体管。在该示例中，由图1的控制电路103提供的脉冲发生器TXi的控制的逻辑信号in是三个位in1、in2、in3上的信号，位in1、in2、in3分别施加到发生器的逻辑电路263的输入端e1、e2、e3。更特别地，二进制信号in1是旨在控制开关253的逻辑信号，二进制信号in2是旨在控制开关251的逻辑信号，并且二进制信号in3是旨在控制开关261的信号。
逻辑电路263具有将由控制电路103提供的逻辑信号in1、in2、in3转换为脉冲发生器TXi的开关251、253、259和261的有效控制信号的功能。
更特别地，在传输或激励阶段，控制电路103向电路263的节点e3施加旨在将开关261控制到关断状态的信号in3。然后，逻辑电路263经由其输出节点s3将开关261控制到关断状态。根据信号in1和in2的状态，经由节点s1和s2控制开关253和251。更特别地，电路263将输入信号in1和in2直接传送到其输出节点s1和s2。在发射阶段，电路263还经由其输出节点s4控制开关259，使得当开关251和253中的至少一个接通时开关259关断，而当开关251和253两者都关断时开关259接通。
在接收阶段，控制电路103向电路263的节点e3施加旨在将开关261控制到关断状态的信号in3。然后，逻辑电路263经由其输出节点s3将开关261控制到关断状态，并且经由其输出节点s4将开关259控制到接通状态。开关259和261独立于施加到电路263的输入节点e1和e2的输入信号in1和in2的状态分别保持接通和关断。
在该示例中，二极管255和257在接收阶段形成由换能器生成的返回信号的位垒，以避免返回信号的功率中的部分在脉冲发生器中丢失。
作为示例，由电路263实施的使得{s1，s2，s3，s4}＝f({e1，e2，e3})的逻辑函数f由以下真值表定义：
e1 e2 e3 s1 s2 s3 s4
x x 1 0 0 1 1
0 0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 1 0 0
1 0 0 1 0 0 0
1 1 0 0 0 0 1
其中值1和0分别表示接通控制信号和关断控制信号，并且其中值x可以无差别地等于1或0。
图4A、4B和4C是更详细地示出了图1的控制电路100的接收放大器107(LNA)的三个可替换实施例的电气图。
图4A示出了放大器107的第一实施例。在该示例中，放大器107是跨阻抗类型的放大器。它包括运算放大器301，其反相输入端(-)经由电阻器Rf耦合到输出端。运算放大器301的反相输入端耦合到放大器107的输入端，并且运算放大器301的输出端耦合到放大器107的输出端。运算放大器301的非反相输入端(+)耦合到电路的参考节点GND。
图4B示出了放大器107的另一个实施例。在该示例中，放大器107是缓冲器类型的放大器。它包括运算放大器301，其反相输入端(-)一方面经由电阻器R1耦合到参考节点GND，并且另一方面经由电阻器R2耦合到其输出端。运算放大器301的非反相输入端(+)耦合到放大器107的输入端，并且运算放大器301的输出端耦合到放大器107的输出端。
图4C示出了放大器107的另一个实施例。在该示例中，放大器107是电荷放大器类型的放大器。它包括运算放大器301，其反相输入端(-)一方面经由电阻器R1耦合到放大器107的输入端，并且另一方面经由电阻器R2和与电阻器R2并联连接的电容器C耦合到其输出端。运算放大器301的非反相输入端(+)耦合到电路的参考节点GND。运算放大器301的输出端耦合到放大器107的输出端。
可以根据旨在由电路100控制的超声换能器的阻抗来选择图4A、4B和4C的组件中的放大器107的类型。特别地，图4A和4C的组件特别适用于具有高阻抗(例如，大于2kΩ)的换能器，而图4B的组件适用于具有较小阻抗(例如，在200Ω至2kΩ的范围内)的换能器。作为示例，控制电路100的接收电路105可以包括多个不同的接收放大器107，以及可配置为根据所使用的换能器的类型来选择要使用的接收放大器107的多路复用电路。
图5是示出了图1的控制电路100的接收电路105的可替换实施例的电气图。在所示示例中，为了简化，阻抗匹配电路111、增益调节电路113和抗混叠滤波器115未示出。
图5的接收电路105与图1的接收电路105的不同之处主要在于它还在放大器107和模数转换器109之间包括开关电容器阵列401，其使得能够在放大器107的输出信号的样本被转换器109数字化之前以模拟的方式存储放大器107的输出信号的样本。图5的变型的优点在于它使得能够降低模数转换器109的工作频率，并从而降低转换器消耗的电功率。
在所示示例中，开关电容器阵列401包括：K个电容器C1，...，CK，K是大于1的整数，并且对于每个电容器Cj，j是1到K范围内的整数；写入开关Wj，其将电容器的第一电极耦合到放大器107的输出端；以及读出开关Rj，其将电容器的第二电极耦合到模数转换器109的输入端。开关Wj和Rj例如由控制电路103控制。在操作中，放大器107的模拟输出信号的样本在由连接到接收电路的换能器所生成的电响应信号的期望采样频率下相继地存储在阵列401的不同电容器Cj中。然后，模拟样本由模数转换器109以小于模拟信号采样频率的频率被连续数字化。作为示例，电容器阵列401的电容器的数量K等于在超声波发射/接收序列期间期望获取的电响应信号的样本的数量。
在接收电路105包括元件113和115中的至少一个的情况下(图1)，开关电容器401的阵列可以被布置在这些元件的下游，即，在这些元件和模数转换器109之间。
在控制电路100包括多个接收路径105的情况下，每个接收路径可以包括关于图5描述的类型的开关电容器401的阵列。
已经描述了特定实施例。本领域技术人员将想到各种改变、修改和改进。特别地，所述实施例不限于说明书中提到的操作频率和/或电压电平的数值示例。
还应注意的是，无论要控制的超声换能器的布置如何，都可以调节上述实施例。特别地，所述实施例与超声换能器的线性阵列或矩阵阵列中的布置兼容。
此外，在上述实施例中，控制电路100可用于控制多个超声换能器的并行关联。更特别地，在图1的示例中，并联耦合的多个超声换能器可以连接在控制电路100的每个单独的控制端子a1和公共端子b之间。
还应注意的是，在接收电路105中提供被布置在模数转换器109上游的开关电容器阵列401，使得能够在表示接收放大器107的输出信号的模拟信号被模数转换器数字化之前存储它们(诸如关于图5所描述的)，这在包括不能根据要控制的换能器的类型进行配置的超声换能器控制电路中是有利的。因此，可以提供一种超声换能器控制电路，其不能根据要控制的换能器的类型进行配置，并且特别是不包括图1的偏置开关SWP，其中接收电路包括诸如关于图5所描述的切换电容器阵列401。

Claims (8)

1.一种超声换能器(TD1，...，TDn)的控制电路(100)，包括：
第一端子(b)，所述第一端子(b)旨在被耦合到换能器(TD1，...，TDn)中的每个的第一电极(E1)；
偏置开关(SWP)，所述偏置开关(SWP)能够配置为将所述第一端子(b)耦合到第一偏置节点(P1)和第二偏置节点(P2)中的一个或另一个；
多个第二端子(a1，...，an)，其旨在被分别耦合到要控制的所述换能器(TD1，...，TDn)的第二电极(E2)；以及
接收电路(105)，其包括：
输入节点(c)；
接收放大器(107)，其输入端被耦合到所述输入节点(c)；
模数转换器(109)，其输入端被耦合到所述接收放大器(107)的输出端；
输出端(d)，其被耦合到所述模数转换器(109)的输出端；和
阻抗匹配电路(111)，其能够根据要控制的换能器的类型进行配置。
2.根据权利要求1所述的控制电路(100)，包括旨在提供DC偏置电压(Vbias)的电路(117)，所述电路(117)的输出节点被连接到所述第一偏置节点(P1)，并且其中所述第二偏置节点(P2)是施加所述控制电路(100)的参考电位的节点(GND)。
3.根据权利要求2所述的控制电路(100)，其中旨在提供DC偏置电压(Vbias)的电路(117)包括DC/DC电压转换器，其能够配置为修改其递送的偏置电压(Vbias)的电平。
4.根据权利要求1所述的控制电路(100)，包括多个电压脉冲发生器(TX1，...，TXn)，所述第二端子(a1，...，an)中的每个被耦合到所述电压脉冲发生器中的一个。
5.根据权利要求4所述的控制电路(100)，其中由脉冲发生器(TX1，...，TXn)递送的电压脉冲的电压电平是能够配置的。
6.根据权利要求1所述的控制电路(100)，包括多个开关(SWRX1，...，SWRXn)，其将所述第二端子(a1，...，an)分别耦合到所述接收电路的所述输入节点(c)。
7.根据权利要求1或6所述的控制电路(100)，其中所述接收电路(105)在所述接收放大器(107)和所述模数转换器(109)之间还包括以下元件中的至少一个：
模拟增益调节电路(113)；和
模拟抗混叠滤波器(115)。
8.根据权利要求1或6所述的控制电路(100)，其中所述接收电路(105)包括开关电容器的阵列(401)，其被布置在所述模数转换器(109)的上游，使得能够在表示所述接收放大器(107)的输出信号的模拟样本被所述模数转换器(109)数字化之前存储所述模拟样本。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3086063B1 (fr) 2018-09-13 2022-11-11 Moduleus Dispositif d'imagerie ultrasonore
FR3086475B1 (fr) 2018-09-24 2021-05-21 Moduleus Circuit electronique a distribution d'horloge synchronisee
FR3097707B1 (fr) * 2019-06-18 2021-05-21 Moduleus Dispositif d'imagerie ultrasonore matriciel
US11646708B2 (en) * 2020-12-07 2023-05-09 Cirrus Logic, Inc. Driver circuitry
US11885647B2 (en) * 2021-02-05 2024-01-30 Rohm Co., Ltd. Accelerometer apparatuses and systems for noise rejection
WO2023133595A2 (en) 2022-01-10 2023-07-13 Sana Biotechnology, Inc. Methods of ex vivo dosing and administration of lipid particles or viral vectors and related systems and uses
WO2024081820A1 (en) 2022-10-13 2024-04-18 Sana Biotechnology, Inc. Viral particles targeting hematopoietic stem cells

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009073743A1 (en) * 2007-12-03 2009-06-11 Kolo Technologies Inc. Capacitive micromachined ultrasonic transducer with voltage feedback
CN102160801A (zh) * 2010-02-15 2011-08-24 株式会社东芝 超声波探头
CN102668380A (zh) * 2009-12-30 2012-09-12 意法半导体股份有限公司 具体用于超声应用的传输信道

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6605043B1 (en) * 1998-11-19 2003-08-12 Acuson Corp. Diagnostic medical ultrasound systems and transducers utilizing micro-mechanical components
US6645145B1 (en) * 1998-11-19 2003-11-11 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Diagnostic medical ultrasound systems and transducers utilizing micro-mechanical components
US7314445B2 (en) * 2003-12-30 2008-01-01 General Electric Company Integrated low-voltage transmit/receive switch for ultrasound imaging system
JP6249957B2 (ja) * 2011-12-15 2017-12-20 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 例えば超音波トランスデューサといった容量性負荷を駆動するドライバデバイス及び駆動方法
US9739875B2 (en) * 2013-02-12 2017-08-22 Urs-Us Medical Technology Inc. Analog store digital read ultrasound beamforming system and method
US9254118B2 (en) * 2013-03-15 2016-02-09 Analogic Corporation Floating transducer drive, system employing the same and method of operating
ITMI20131752A1 (it) * 2013-10-21 2015-04-22 St Microelectronics Srl Canale di trasmissione/ricezione per applicazioni ad ultrasuoni
US9986976B2 (en) * 2014-12-29 2018-06-05 General Electric Company Method and system for dynamically changing an impedance of a transmit/receive switch

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009073743A1 (en) * 2007-12-03 2009-06-11 Kolo Technologies Inc. Capacitive micromachined ultrasonic transducer with voltage feedback
CN102668380A (zh) * 2009-12-30 2012-09-12 意法半导体股份有限公司 具体用于超声应用的传输信道
CN102160801A (zh) * 2010-02-15 2011-08-24 株式会社东芝 超声波探头

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EP3566308B1 (fr) 2023-11-08

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