CN112043310B - 一种电容耦合式的超声成像前端发射接收电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信号收发处理技术领域，具体涉及到一种电容耦合式的超声成像前端发射接收电路。本发明超声成像前端发射接收电路包括高压发射开关M1，换能器，上拉电阻R、接地电容CG、耦合电容CS、开关管M2、开关管M3、低噪声放大器(LNA)和反馈电容CF。本发明不同于传统的超声成像前端发射接收电路在高压发射回路与低压信号处理回路之间采用的高压MOS管，通过用耦合电容CS替代原高压MOS管的方式，解决因高压MOS管占据面积较大的问题，并且所采用的耦合电容CS同时可以作为低压信号处理回路的输入电容，耦合电容CS的复用，进一步的减少了高压隔离电路的器件数量，达到进一步的减小电路面积的目的。
Description
技术领域
本发明属于信号收发处理技术领域，具体涉及到一种电容耦合式的超声成像前端发射接收电路。
背景技术
经食管超声心动图(TEE)是人们常用的对心脏进行检查的方式，因其采用更合理的探查位置，使所获得的心脏图像更加清晰，为医生的诊断提供了更为准确的参考信息。在TEE领域中，信号的收发处理模块是整个系统中最重要的模块之一，并且由于该系统所应用领域的特殊性，导致整个系统的面积大小及功耗大小是研发过程中应当首要考虑的因素。
信号收发系统中，由于超声波换能器兼具发射和接收信号的功能，并且发射模块需要高压激励，而接收模块用于接收小信号进行放大处理，为了防止高压发射单元对低压信号处理单元的影响，因此需要用单独的模块将高压发射单元和低压信号处理单元进行高压隔离。一般所采用的传统方式是在高压发射单元和低压信号处理单元中间连接一个高压MOS管，用来达到隔离高压单元和低压信号处理单元的目的。该方法的缺点是所采用的高压MOS管的面积相较于普通MOS管大了许多，占据了较大的芯片空间，限制了其他电路模块的研究。
发明内容
针对上述现有技术的不足之处，为解决高压开关式超声成像前端发射接收电路中采用高压MOS管面积相对较大的问题，本发明提供一种电容耦合式的超声成像前端发射接收电路。
本发明的技术方案如下：
一种电容耦合式的超声成像前端发射接收电路，其包括：高压开关M1、换能器、上拉电阻R、接地电容CG、耦合电容CS、开关管M2、开关管M3、低噪声放大器(LNA)和反馈电容CF。
其中，所述高压开关M1的输出端连接于换能器的左端，换能器的右端连接于上拉电阻R与接地电容CG上极板之间；所述耦合电容CS上极板连接于高压开关M1的输出端与换能器左端之间，此节点称为V1，下极板连接于开关管M2和M3的输入端，此节点称为V2；所述开关管M2的输出端连接于LNA的输入端，此节点称为V3；所述开关管M3的输出端接地，反馈电容CF与LNA并联。
进一步的，所述开关管M3由时钟信号CLKT1控制，高电平接通，低电平截止；所述高压开关M1由时钟信号CLKT2控制，其中时钟信号CLKT2是由时钟信号CLKT1经自举产生的自举时钟信号；所述开关M2由时钟信号CLKR控制，高电平接通，低电平截止。
进一步的，高压开关M1控制高压信号Vpulse接入到换能器，上拉电阻R和接地电容CG使得换能器工作在正常状态，换能器在受到高压激励后，发射超声波信号，在高压开关M1关断后，换能器接收反射回来的回波信号，并将回波信号转换为电压信号VRX，耦合电容CS将上极板连接的节点电压信号传递到下极板所连接的节点，开关管M3控制耦合电容CS下极板是否接地；开关管M2将控制耦合电容CS下极板的电压信号连接至LNA的输入端，反馈电容CF将LNA输出信号耦合至输入端。
进一步的，当时钟信号CLKT1为高电平VH，CLKT2为高电平VHboost，CLKR为低电平时：高压开关M1导通，开关管M2关断，开关管M3导通。在这样的开关状态下，电路工作在发射回路，电路的工作状态为：高压信号Vpulse通过高压开关M1传递至节点V1，驱动换能器工作，换能器发射超声波，开关管M3处于导通状态，将耦合电容Cs的下极板接地，使得节点V2为地电平，不承受V1的高压，保证低压开关管M2和M3的安全，同时开关管M2处于截止状态，LNA不接收V2信号。因此，发射端的高压信号不会对信号接收回路造成影响，耦合电容CS及开关管M3起到了高压隔离的作用。
当时钟信号CLKT1为低电平，CLKT2为低电平，CLKR为高电平VH时，高压开关M1截止，开关管M2导通，开关管M3截止。在这样的开关状态下，电路工作在接收回路，电路的工作状态为：换能器接收反射回来的回波信号，并将反射的回波信号转换为电压信号V1，同时电压信号V1通过耦合电容CS的上极板耦合到耦合电容CS的下极板V2处，处在导通状态的开关管M2将耦合电容CS下极板的信号连接到LNA的输入端V3节点，此时CS、CF和LNA构成闭环结构的低噪声放大器，对接收到的信号进行放大。
本发明中，所述闭环结构的低噪声放大器LNA对回波信号进行放大，输出之后经反馈电容CF反馈回输入端，反馈电容CF与耦合电容CS构成回波信号处理电路中LNA负反馈放大电路的放大倍数系数，耦合电容CS，不仅起到了隔离高压的作用，而且可以作为下一级接收电路的输入电容，因此耦合电容CS的复用，更进一步的减少了超声成像前端发射接收电路的器件数量，达到进一步的减小电路面积的目的。
综上所述，本发明提供了一种电容耦合式的超声成像前端发射接收电路，对比传统的超声成像前端发射接收电路(图1)，将连接于高压开关M1输出端与换能器之间的高压开关M2(图1)，替换成耦合电容CS，并在耦合电容CS与LNA之间添加一个开关管M2(图2)，并且耦合电容CS既可以起到隔离高压的作用，又可以作为LNA反馈的输入电容，整体来说，本发明所采用的一种电容耦合式的超声成像前端发射接收电路在没有提高电路复杂度的基础上减小了电路所占据的面积，为TEE领域的研究提供了更大的设计空间。
附图说明
图1为传统的高压开关式超声成像前端发射接收电路；
图2为本发明的整个前端发射接收电路；
图3为本发明的发射回路；
图4为本发明的接收回路；
图5为实施例中的一种电容耦合式的超声成像前端发射接收电路；
图6为实施例中各节点/信号电压的时序图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的具体实施案例。需要说明的是：实施案例中的参数并不影响本发明的一般性。
一种电容耦合式的超声成像前端发射接收电路，如图3所示，包括高压NMOS管M1、换能器、上拉电阻R、接地电容CG、耦合电容CS、NMOS管M2、NMOS管M3、低噪声放大器(LNA)和反馈电容CF。
所述电容耦合式的超声成像前端发射接收电路，当电路处在高压发射状态时，即电路处在发射回路：CLKT1为高电平5V，CLKT2为高电平35V，CLKR为低电平，此时高压开关M1导通，M2截止，M3导通。Vpulse的30V高压信号通过高压开关M1连接于换能器，换能器在30V高压的激励下向外发出高频超声波，此时由于节点V1电压升至30V，经耦合电容CS上极板传递到耦合电容下极板节点V2处，处于导通状态的M3将耦合电容CS的下极板接地，使得耦合电容CS下极板的电压为地电平，即结点V2电压为0V，保证M2和M3不承受VTX的高压，同时M2是处于截止状态，即结点V3电压为0V，LNA不接收信号，所以高压发射电路的信号不会传递至LNA的输入端，即高压发射电路的高压信号不会对接收信号回路产生影响，从而避免了误差。
所述电容耦合式的超声成像前端发射接收电路，当电路处在接收回波信号状态时，即电路处在接收回路：时钟信号CLKT1为低电平，CLKT2为低电平，CLKR为高电平5V，此时高压开关M1截止，M2导通，M3截止。换能器接收回波信号，并将回波信号转换为电压信号(TEE领域中，超声波信号经过人体组织后大幅度衰减，因此接收的信号电平幅值绝大部分处在1V以下)，此时节点V1电压经过耦合电容CS上极板传递到耦合电容CS下极板，由于M3处于截止状态，因此耦合电容CS下极板的电压升至V1，并且由于开关M2处于导通状态，结点V2电压接到LNA的输入端，LNA对输入端的信号V3进行放大，输出之后通过反馈电容CF反馈回输入端，其中，反馈电容CF与耦合电容CS构成闭环结构的LNA的负反馈电压放大倍数系数。
综上所述，本申请的上述实例中，在保证原有超声成像前端发射接收电路所具有的高压隔离的功能基础上，使用耦合电容CS代替了原有的高压MOS管，并且耦合电容除了隔离高压电路之外，还与反馈电容CF构成了闭环结构的LNA负反馈电路放大倍数系数，耦合电容CS的复用进一步的减小了超声成像前端发射接收电路的面积。
以上实例仅为本发明的所选例子，本发明的使用并不局限于该实例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种电容耦合式的超声成像前端发射接收电路，其特征在于，包括：高压开关M1、换能器、上拉电阻R、接地电容CG、耦合电容CS、开关管M2、开关管M3、低噪声放大器LNA和反馈电容CF；
其中，所述高压开关M1的输出端连接于换能器的左端，换能器的右端连接于上拉电阻R与接地电容CG上极板之间；所述耦合电容CS上极板连接于高压开关M1的输出端与换能器左端之间，此节点称为V1，下极板连接于开关管M2和M3的输入端，此节点称为V2；所述开关管M2的输出端连接于LNA的输入端，此节点称为V3；所述开关管M3的输出端接地，反馈电容CF与LNA并联；
所述开关管M3由时钟信号CLKT1控制，高电平接通，低电平截止；所述高压开关M1由时钟信号CLKT2控制，其中时钟信号CLKT2是由时钟信号CLKT1经自举产生的自举时钟信号；所述开关管M2由时钟信号CLKR控制，高电平接通，低电平截止；
所述高压开关M1控制高压信号Vpulse接入到换能器，上拉电阻R和接地电容CG使得换能器工作在正常状态，换能器在受到高压激励后，发射超声波信号，在高压开关M1关断后，换能器接收反射回来的回波信号，并将回波信号转换为电压信号VRX，耦合电容CS将上极板连接的节点电压信号传递到下极板所连接的节点，开关管M3控制耦合电容CS下极板是否接地；开关管M2将控制耦合电容CS下极板的电压信号连接至LNA的输入端，反馈电容CF将LNA输出信号耦合至输入端；
当时钟信号CLKT1为高电平VH，CLKT2为高电平VHboost，CLKR为低电平时：高压开关M1导通，开关管M2关断，开关管M3导通，电路工作在发射回路；
此时电路的工作状态为：高压信号Vpulse通过高压开关M1传递至节点V1，驱动换能器工作，换能器发射超声波，开关管M3处于导通状态，将耦合电容Cs的下极板接地，使得节点V2为地电平，不承受V1的高压，保证低压开关管M2和M3的安全，同时开关管M2处于截止状态，LNA不接收V2信号；
当时钟信号CLKT1为低电平，CLKT2为低电平，CLKR为高电平VH时，高压开关M1截止，开关管M2导通，开关管M3截止，电路工作在接收回路；
此时电路的工作状态为：换能器接收反射回来的回波信号，并将反射的回波信号转换为电压信号V1，同时电压信号V1通过耦合电容CS的上极板耦合到耦合电容CS的下极板V2处，处在导通状态的开关管M2将耦合电容CS下极板的信号连接到LNA的输入端V3节点，此时CS、CF和LNA构成闭环结构的低噪声放大器，对接收到的信号进行放大。
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