CN110708030B - 一种功率放大电路、方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种功率放大电路，其用于低压驱动的聚焦超声治疗装置，包括：功率驱动模块，所述功率驱动模块又包括第一放大单元和第二放大单元，所述第一放大单元和第二放大单元具有一共同输出端；主控模块，用于控制正周期信号在所述第一放大单元的开通时间、关断时间，以及控制负周期信号在所述第二放大单元的开通时间、关断时间，使得所述共同输出端的输出信号无交越失真。此外，还通过超声监控模块的反馈，消除了内部存在的器件固有误差以及因为压电陶瓷自身工艺、后期二次打磨等造成的各种实际大规模生产时存在的误差，同时消除了高频信号回波叠加时产生的波形干扰，并直接补偿因为左右超声通道和设备电源干扰带来的幅值影响，确保输出的功率和频率的高精度及输出波形的平衡对称及稳定。

Description

一种功率放大电路、方法及装置

技术领域

本发明涉及医疗仪器技术领域，具体涉及一种功率放大电路、方法及装置，更具体涉及一种可低压驱动并消除交越失真的方法、电路及其驱动的便携式聚焦超声治疗装置。

背景技术

在超声系统中，功率放大电路的输出波形会显著影响超声换能器的性能。通常功率放大电路中采用的推挽放大电路因三极管或场效应管，由于结电压或导通电压的存在，致使放大电路的输出波形常常出现一定的交越失真，从而导致超声换能器工作于失真状态，且在高频信号电路中有严重影响，尤其对MHz级信号造成的影响尤为明显，甚至使压电陶瓷换能器输出效率降低，超声信号质量下降等。

为了避免交越失真，现有技术中通常在三极管或场效应管的基极电路或栅极电路上增加一个固定的直流偏置，使之处于微导通状态。然而，随着三极管或场效应管的温度升高，导通电阻发生变化，此时固定的直流偏置会直接影响三极管或场效应管的线性放大区域，从而降低了推挽放大电路的放大性能。而且由于电路中直流偏置的存在，无论三极管或场效应管处于导通状态还是截止状态，三极管或场效应管均处于微导通状态，使得功耗高，并且大大降低了使用寿命。

此外，在实际生产过程中，推挽放大电路的2个放大单元(A、B)因为电容和阻抗的误差，导致2个放大单元的幅值和相位、关断时间均有差异，该差异致使交越失真也是非对称的，且具有不确定性。

此外，因为每个电路板实际生产的过程中，压电陶瓷均有自身工艺、后期二次打磨等造成的各级误差，电路中电容、电阻等器件的自身固有误差以及因温度、湿度等环境变化以及外部干扰引入的误差等的存在，因此即使施加相同的波形，输出的超声信号也是不同的。

并且，因为超声回波信号的干扰，当其与所发射的超声治疗信号恰巧叠加抵消时，会导致真实需要的超声治疗信号波形受到严重干扰，降低局部超声治疗信号的强度，影响治疗效果。

误差/电路的波动会导致超声信号实际聚焦点功率的成倍放大波动，而聚焦超声对终端功率、波形等参数的精准要求较高，因此必须快速反应精准调整，减小误差对病患治疗过程中的额外影响，提高产品的安全性和适应性。

在普通的治疗超声，如平面超声中，这种现象在低功率治疗设备上还可以部分接受，但是在高功率的超声治疗，特别是聚焦超声治疗，因为前端的不稳态导致总输出变动在±15％左右时，超声聚焦到一点的能量波动对人体组织和细胞的影响就非常严重，甚至无法使用。因此我们迫切的需要一种高稳定性的电路来确保输出的可靠性和安全性。

此外，压电陶瓷晶片压缩困难，膨胀容易，需要一种解决压电陶瓷晶片收缩和膨胀的不对称性的方式，确保输出波形的平衡对称。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明提供一种功率放大电路，其用于低压驱动的聚焦超声治疗装置，包括：功率驱动模块，所述功率驱动模块又包括第一放大单元和第二放大单元，所述第一放大单元和第二放大单元具有一共同输出端；主控模块，用于控制正周期信号在所述第一放大单元的开通时间、关断时间，以及控制负周期信号在所述第二放大单元的开通时间、关断时间，使得所述共同输出端的输出信号无交越失真。

如前述的功率放大电路，所述第一放大单元和第二放大单元为放大倍数相同或不同的镜像放大单元。

如前述的功率放大电路，还包括信号生成单元，用于生成包括正周期信号和负周期信号的超声基准信号。

如前述的功率放大电路，所述主控模块通过控制所述第一放大单元和第二放大单元的开通时间、关断时间，以调整正、负周期波形的时序。

如前述的功率放大电路，还包括第一超声监控模块(A)，该第一超声监控模块(A)连接于第一、第二放大单元以获取放大后信号，通过将前一周期的实际波形和主控模块内部的预留基准数据对比得到第一、第二放大单元需要前置修正的前级误差数据，从而将相应的前级误差补偿提前加入。

如前述的功率放大电路，第一超声监控模块A采样获取实际前一周期负周期信号的启停时间，根据前一正周期信号的关断时间，所述主控模块前移负周期信号开通时间，实现正、负周期信号间的无隙连接，从而避免交越失真。

如前述的功率放大电路，所述主控模块通过实时快速微调输出的信号频率，以进行相移，并进行幅值补偿，而确保输出波形的平衡对称及稳定。

如前述的功率放大电路，所述信号生成单元，其包括可编程波形发生器U8、第一数模转换U2、第二数模转换U3、两个第一级运算放大器U4A、U5A、电阻R7、电阻R9；可编程波形发生器U8生成的基准信号，经由第一数模转换U2、第一级运算放大器U4A、电阻R7进入第一放大单元，经由第二数模转换U3、另一第一级运算放大器U5A、电阻R9进入第二放大单元。

如前述的功率放大电路，所述第一放大单元包括第二级运算放大器U4B、第三级运算放大器U6、电阻R15、三极管Q1；

所述第二放大单元包括另一第二级运算放大器U5B、另一第三级运算放大器U7、电阻R16、另一三极管Q2。

如前述的功率放大电路，还具有第二超声监控模块B，该第二超声监控模块B设置在超声换能器的后级以获得超声换能器实际输出信号，并将输出连接于主控模块，主控模块根据实际输出波形和存储的理论原始波形对比，获得误差的补偿参数，用于修正超声换能器实际输出信号的误差，以此来修正因为大批量生产时因为整个电路器件个体差异所带来的整体误差。

如前述的功率放大电路，所述主控模块通过实时快速微调输出的信号频率，以进行相移，并进行幅值补偿，而确保输出波形的平衡对称及稳定。

本发明还提供了一种便携式超声治疗装置，包括上述任一所述的功率放大电路及超声换能器。

此外，本发明提供了一种功率放大方法，用于低压驱动的聚焦超声治疗装置中驱动信号的放大，并包括以下步骤：

(1)将包括正周期信号和负周期信号的超声基准信号输入功率驱动模块，正、负周期信号分别经功率驱动模块的第一放大单元、第二放大单元放大后通过共同输出端输出放大后信号；

(2)通过第一超声监控模块A获取放大后信号，通过将前一周期的实际波形和主控模块内部的预留基准数据对比得到第一、第二放大单元需要前置修正的前级误差数据；

(3)前级误差数据被输入主控模块，主控模块据此计算得出前级误差补偿将相应的前级误差补偿提前加入，以消除输出信号的交越失真；其中，所述补偿加入具体为：通过主控模块控制正周期信号在所述第一放大单元的开通时间、关断时间，以及控制负周期信号在所述第二放大单元的开通时间、关断时间。

如前述的功率放大方法，在步骤(3)中，所述第一超声监控模块A采样获取实际负周期信号的启停时间，根据正周期信号的关断时间，所述主控模块前移负周期信号开通时间，实现正、负周期信号间的无隙连接，从而避免交越失真。

如前述的功率放大方法，在步骤(1)中，所述第一放大单元和第二放大单元为放大倍数相同或不同的镜像放大单元，可实现正周期信号和负周期信号的相同或不同倍数的放大。

如前述的功率放大方法，还包括步骤(4)，第二超声监控模块B设置在超声换能器的后级以获得超声换能器实际输出信号，第二超声监控模块B的输出端连接于主控模块，主控模块用于据此计算得出实际输出信号的误差并修正，以此来修正因为大批量生产时因为整个电路器件个体差异所带来的整体误差。

如前述的功率放大方法，在步骤(4)中，所述主控模块通过实时快速微调输出的信号频率，以进行相移，从而实现对超声换能器实际输出信号的误差修正。

如前述的功率放大方法，在步骤(4)中，还包括对信号幅值的微调修正，以确保输出波形的平衡对称及稳定。

基于上述技术方案，本发明具有如下优点：

1、解决了硬件交越失真的问题。

2、消除了因为大批量生产中整个电路中各级电容和电阻的误差带来的整个电路的误差以及因为压电陶瓷自身工艺、后期二次打磨等造成的误差，确保输出信号的一致性。

3、消除了回波叠加时产生的波形干扰，并直接补充因为干扰带来的误差影响，确保输出的功率和频率的高精度及输出波形的平衡对称及稳定。

附图说明

图1是本发明提供的功率放大方法的流程图。

图2是本发明提供的一种功率放大装置的结构示意图。

图3是本发明提供的一种功率放大电路的电路图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明的技术内容作详细说明。

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供了一种功率放大方法，用于低压驱动的聚焦超声治疗装置中驱动信号的放大，并包括以下步骤：

(1)将包括正周期信号和负周期信号的超声基准信号经分频合成后输入功率驱动模块，分频合成后的信号分别经功率驱动模块的第一放大单元、第二放大单元放大后通过共同输出端输出放大后信号；所述第一放大单元和第二放大单元为放大倍数相同或不同的镜像放大单元，用于对正周期信号和负周期信号进行相同或不同倍数的放大，来保障最终输出超声信号振幅正负相等。因为实际运用中，压电陶瓷晶片的膨胀和收缩系数不同，此外，因为随工作功率的变化，晶片自身特性参数也在改变，通过实时放大倍数的调整来保障最终输出超声信号振幅正负相等。

(2)通过第一超声监控模块A获取放大后信号，通过将前一周期的实际波形和主控模块U1内部I2C的预留基准数据对比得到第一、第二放大单元需要前置修正的前级误差数据。

(3)前级误差数据被输入主控模块U1，主控模块U1据此计算得出前级误差补偿并将相应的前级误差补偿提前加入到后续的超声基准信号中，同时根据前一周期的正、负周期波形的实际关断时间，使负周期相位前移，以消除输出信号的交越失真；其中，所述补偿加入具体为：通过主控模块U1控制正周期波形在所述第一放大单元的开通时间、关断时间，以及控制负周期波形在所述第二放大单元的开通时间、关断时间。其中，所述第一超声监控模块A采样获取实际负周期波形的启停时间，根据正周期波形的关断时间，所述主控模块U1前移负周期波形开通时间，实现正、负周期波形间的无隙连接，从而避免交越失真。

步骤(4)，第二超声监控模块B设置在超声换能器的后级以获得超声换能器实际输出信号，第二超声监控模块B的输出端连接于主控模块U1，主控模块U1用于据此计算得出实际输出信号的误差并修正该误差，以此来修正大批量生产时整个电路器件的个体差异所带来的整体误差。其中，所述主控模块U1通过实时快速微调输出的信号频率，以进行相移，从而实现对超声换能器实际输出信号的误差修正。

此外，对信号幅值进行微调修正，以确保输出波形的平衡对称及稳定。

本发明还提供一种聚焦超声治疗装置，如图2所示，包括功率放大电路及超声换能器；功率放大电路用于低压驱动的聚焦超声治疗装置，包括：信号生成单元、功率驱动模块、主控模块U1、超声换能器等。

其中，信号生成单元，用于生成包括正、负周期信号的超声基准信号。

所述功率驱动模块又包括第一放大单元和第二放大单元，所述第一放大单元和第二放大单元具有一共同输出端；所述第一放大单元和第二放大单元为放大倍数不同的镜像放大单元，以从硬件上保障最终输出超声信号振幅的正负相等。

主控模块U1通过控制正周期波形在所述第一放大单元的开通时间、关断时间，以及控制负周期波形在所述第二放大单元的开通时间、关断时间，以调整正、负周期波形的时序，使得所述共同输出端的输出信号无交越失真。

超声换能器用于将所述功率驱动模块输出的驱动信号转换成超声治疗信号。

聚焦超声治疗装置还包括第一超声监控模块A，该第一超声监控模块A连接于第一、第二放大单元以获取放大后信号，通过将前一周期的实际波形和主控模块U1内部I2C的预留基准数据对比得到第一、第二放大单元需要前置修正的前级误差数据，从而将相应的前级误差补偿提前加入。其中，第一超声监控模块A用于采样获得实际负周期波形的启停时间，根据正周期波形的关断时间，所述主控模块U1前移负周期波形开通时间，实现正、负周期波形间的无隙连接，从而避免交越失真。

如图3所示，所述信号生成单元包括可编程波形发生器U8、第一数模转换U2、第二数模转换U3、第一级运算放大器U4A、第一级运算放大器U5A、电阻R7、电阻R9。可编程波形发生器U8产生一个基准时钟源，生成的超声基准信号，在主控模块U1内部分频后，经由第一数模转换U2、第一级运算放大器U4A、电阻R7进入第一放大单元，经由第二数模转换U3、第一级运算放大器U5A、电阻R9进入第二放大单元。

所述功率驱动模块包括第二级运算放大器U4B、第二级运算放大器U5B、第三级运算放大器U6、第三级运算放大器U7、电阻R15、电阻R16、三极管Q1、三极管Q2。其中，第二级运算放大器U4B、第三级运算放大器U6、电阻R15、三极管Q1等构成第一放大单元。第二级运算放大器U5B、第三级运算放大器U7、电阻R16、三极管Q2等构成第二放大单元。

第一放大单元和第二放大单元为放大倍数完全相同的镜像放大单元。此时，通过软件调节的方式解决压电陶瓷晶片收缩和膨胀的不对称性问题。比如：通过主控模块U1进行幅值补偿。此外，如前所述，也可以将第一放大单元和第二放大单元的放大倍数设置为不同，以从硬件上解决压电陶瓷晶片收缩和膨胀的不对称性问题，而确保输出波形的平衡对称。

聚焦超声治疗装置还具有第二超声监控模块B，其设置在超声换能器的后级以获得超声换能器实际输出信号，并输出至主控模块U1，主控模块U1用于据此计算得出实际输出信号的误差并修正该误差，以此来修正因为大批量生产时因为整个电路器件个体差异所带来的整体误差。

此外，所述主控模块U1通过实时快速微调输出的信号频率，以进行相移，并进行幅值补偿，而确保输出波形的平衡对称及稳定。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种功率放大电路，包括：

功率驱动模块，所述功率驱动模块又包括第一放大单元和第二放大单元，所述第一放大单元和第二放大单元具有一共同输出端；

主控模块，用于控制正周期波形在所述第一放大单元的开通时间、关断时间，以及控制负周期波形在所述第二放大单元的开通时间、关断时间，以调整正周期波形和负周期波形的时序；

第一超声监控模块(A)，该第一超声监控模块(A)连接于第一放大单元和第二放大单元以获取放大后信号，通过将前一周期的实际波形和主控模块内部的预留基准数据对比得到第一放大单元和第二放大单元需要前置修正的前级误差数据，主控模块据此将相应的前级误差补偿提前加入；

第二超声监控模块(B)，该第二超声监控模块(B)设置在超声换能器的后级以获得超声换能器实际输出信号，并将输出连接于主控模块，主控模块用于据此修正超声换能器实际输出信号的误差。

2.根据权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于：还包括信号生成单元，用于生成包括正周期波形和负周期波形的超声基准信号。

3.根据权利要求1或2所述的功率放大电路，其特征在于：第一超声监控模块(A)采样获取实际负周期波形的启停时间，根据正周期波形的关断时间，所述主控模块前移负周期波形的开通时间，实现正周期波形和负周期波形之间的无隙连接。

4.根据权利要求3所述的功率放大电路，其特征在于：所述主控模块通过实时快速微调输出的信号频率以进行相移，并进行幅值补偿，从而确保输出波形的平衡对称及稳定。

5.一种功率放大方法，用于低压驱动的聚焦超声治疗装置中驱动信号的放大，并包括以下步骤：

将包括正周期波形和负周期波形的超声基准信号经分频合成后输入功率驱动模块，分频合成后的信号分别经功率驱动模块的第一放大单元、第二放大单元放大后通过共同输出端输出放大后信号；

通过第一超声监控模块(A)获取放大后信号，通过将前一周期的实际波形和主控模块内部的预留基准数据对比得到第一放大单元和第二放大单元需要前置修正的前级误差数据；

前级误差数据被输入主控模块，主控模块据此将相应的前级误差补偿提前加入到后续的超声基准信号中，同时根据前一周期的正周期波形和负周期波形的实际关断时间，使负周期波形相位前移；具体为：通过主控模块控制正周期波形在所述第一放大单元的开通时间、关断时间，以及控制负周期波形在所述第二放大单元的开通时间、关断时间。

6.根据权利要求5所述的功率放大方法，其特征在于：得到前级误差数据的过程，具体包括：所述第一超声监控模块(A)采样获取实际负周期波形的启停时间，根据正周期波形的关断时间，所述主控模块前移负周期波形的开通时间，从而进行相移，实现正周期波形和负周期波形之间的无隙连接。

7.根据权利要求6所述的功率放大方法，其特征在于：放大过程包括：所述第一放大单元和第二放大单元为放大倍数相同或不同的镜像放大单元，对正周期波形和负周期波形进行相同或不同倍数的放大。

8.根据权利要求5所述的功率放大方法，其特征在于：还包括以下步骤：第二超声监控模块(B)设置在超声换能器的后级以获得超声换能器实际输出信号，第二超声监控模块(B)的输出端连接于主控模块，主控模块用于据此修正超声换能器实际输出信号的误差。

9.根据权利要求8所述的功率放大方法，其特征在于：所述主控模块的修正过程，具体为：所述主控模块通过实时快速微调输出的信号频率，以进行相移，从而实现对超声换能器实际输出信号的误差修正；此外，对信号幅值的微调修正，以确保输出波形的平衡对称及稳定。

10.一种便携式超声治疗装置，包括上述权利要求1-4中任一项所述的功率放大电路及超声换能器。

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