CN114210533A - 用于空耦电容式微机械超声传感器自发自收成像的集成前端电路 - Google Patents

用于空耦电容式微机械超声传感器自发自收成像的集成前端电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于空耦电容式微机械超声传感器自发自收成像的集成前端电路，通过开关信号实现发射/接收通道的切换，实现空耦电容式微机械超声传感器的自发自收应用；包含脉冲激励电路及发射/接收通道切换开关，所述脉冲激励电路的输出端与发射/接收通道切换开关的第一端连接，所述发射/接收通道切换开关的第二端通过交直流耦合电路与空耦电容式微机械超声传感器的交流激励信号输入端以及回波信号输出端相连接、第三端与放大电路的输入端相连接。本发明在实现空气耦合空耦电容式微机械超声传感器的自发自收应用的基础上，进一步实现了前端电路接收端与多种空耦电容式微机械超声传感器之间的可调阻抗匹配。

Description

用于空耦电容式微机械超声传感器自发自收成像的集成前端 电路
技术领域
本发明涉及医疗、工业超声传感成像技术领域，具体涉及空耦电容式微机械超声传感器(CMUT)自发自收成像的系统。
背景技术
近年来，空气耦合超声波检测技术以非接触、非侵入、完全无损等优势在医疗产业、航空航天、人机交互等领域发挥着重要作用。相较于压电超声换能器，空耦电容式微机械超声传感器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT)具有带宽大、易于与空气进行声阻抗匹配、易于设计高密度阵列和易于与前端电路集成的优点，在超声测距、超声成像和手势识别等领域具有很好的应用前景。
在空耦电容式微机械超声传感器(CMUT)的自发自收的空气耦合应用中，由于回波信号的电流较小，仅是微安级，如果传感器与放大电路之间的阻抗不匹配，将会造成很大的能量损耗，所以在电路的接收端需要对空耦电容式微机械超声传感器(CMUT)进行阻抗匹配。现有匹配电路都是针对特定的传感器，不具有普遍性。在更换传感器后，由于传感器的阻抗发生变化，需要重新进行匹配。这就给空耦电容式微机械超声传感器(CMUT)的进一步应用造成了很大的困难。
发明内容
本发明的目的是针对空耦电容式微机械超声传感器(CMUT)空耦自发自收应用中接收端信号匹配的技术缺陷，而提出一种针对空气耦合空耦电容式微机械超声传感器自发自收成像的集成前端电路，实现了对空耦电容式微机械超声传感器(CMUT)的发射激励和回波信号获取,实现了集成前端电路接收端与多种空耦电容式微机械超声传感器(CMUT)之间的可调阻抗匹配。
本发明通过以下的技术方案来实现：
用于空耦电容式微机械超声传感器自发自收成像的集成前端电路，通过开关信号实现发射/接收通道的切换，实现空耦电容式微机械超声传感器的自发自收应用；包含脉冲激励电路及发射/接收通道切换开关，所述脉冲激励电路的输出端与发射/接收通道切换开关的第一端连接，所述发射/接收通道切换开关的第二端通过交直流耦合电路与空耦电容式微机械超声传感器的交流激励信号输入端以及回波信号输出端相连接、第三端与放大电路的输入端相连接；
所述发射/接收通道切换开关包括开关S1、开关S2，双电源供电，开关S1、开关S2的控制信号由FPGA产生；当空耦电容式微机械超声传感器处于发射状态时，开关S2闭合，脉冲激励电路与空耦电容式微机械超声传感器接通，开关S1断开，放大电路与空耦电容式微机械超声传感器断开；
当空耦电容式微机械超声传感器处于接收状态时，开关S1闭合，放大电路与空耦电容式微机械超声传感器接通，开关S1断开，脉冲激励电路与空耦电容式微机械超声传感器断开，防止高压脉冲发射信号直接流入放大电路引起损伤，同时防止回波信号流入脉冲激励电路造成损耗。
优选的，所述的交直流耦合电路是将直流偏置和交流信号分别加载在空耦电容式微机械超声传感器的两个极板上；所述交直流耦合电路的发射带宽为0～10MHz,接收带宽为0～2.4MHz。
优选的，所述放大电路包括跨阻放大电路以及反向放大电路，所述跨阻放大电路的输出端连接反向放大电路的输入端，所述跨阻放大电路包括跨阻放大器以及数字电位器R5、数字电容器C7，所述数字电位器R5、数字电容器C7并联后一端与跨阻放大器的负相输入端相接，另一端与跨阻放大器的输出端相接，跨阻放大器的正相输入端接地；
所述反向放大电路包括反向放大器，电阻R7，电阻R7的一端与反向放大器的负相输入端相接，另一端与反向放大器的输出端相接，反向放大器的正相输入端接地；
跨阻放大器的输出端通过一个电阻R6与所述反向放大器负相输入端相接；
所述跨阻放大电路过调节数字电容器C7和数字电位器R5实现跨阻放大电路与空耦电容式微机械超声传感器之间的可调阻抗匹配，所述反向放大电路通过反向放大实现对回波信号的二级放大。
优选的，所用跨阻放大器的增益带宽积不小于1.6GHz。
优选的，所述脉冲激励电路通过开关动作产生高电压双极性方波脉冲输出，所产生的双极性方波信号峰峰值不低于20Vpp。
优选的，所述脉冲激励电路包括FPGA、MOSFET驱动器、四个并联于MOSFET驱动器与发射/接收通道切换开关之间的MOSFET开关单元；所述MOSFET驱动器将FPGA产生的低压低电流方波脉冲放大，产生足够的驱动电压和驱动电流以驱动后续的MOSFET开关，并保证MOSFET的开关速度；
每个MOSFET开关单元的MOS管的栅极连接RC串联通路，实现了MOS管栅源电压的突变，RC串联通路包括电容C、电阻R,电容C的一端与MOSFET驱动器的输出端连接，电容C的另一端依次接并联的稳压二极管D以及电阻R的一端，稳压二极管D以及电阻R并联的另一端接MOS管的源极后接地和\或VCC、VEE，MOS管的漏极接另一个二极管后接到发射/接收通道切换开关。
优选的，四个并联的MOSFET开关单元分别包括高耐压高速PMOS管Q1和高耐压高速PMOS管Q3，高耐压高速NMOS管Q2、高耐压高速NMOSQ4；高耐压高速PMOS管Q1的源极接VCC以及一个电容C5后接地，高耐压高速NMOS管Q2的源极接VEE以及一个电容C5后接地。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
在实现空气耦合空耦电容式微机械超声传感器的自发自收应用的基础上，通过编程控制数字电容器和数字电位器，实现电路接收端与多种空耦电容式微机械超声传感器之间的可调阻抗匹配，更换空耦电容式微机械超声传感器后，无需重新设计匹配电路，通过反向放大实现对回波信号的二级放大。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的CMUT的前端电路的结构图。
图2为本发明的一个实施例的脉冲激励电路的结构图。
图3为本发明的一个实施例的交直流耦合电路的结构图。
图4为本发明的一个实施例的放大电路的结构图。
图5为本发明的CMUT的前端电路的工作原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的实施例的用于空耦电容式微机械超声传感器自发自收成像的集成前端电路，通过开关信号实现发射/接收通道的切换，实现空耦电容式微机械超声传感器的自发自收应用；包含脉冲激励电路及发射/接收通道切换开关，所述脉冲激励电路的输出端与发射/接收通道切换开关的第一端连接，所述发射/接收通道切换开关的第二端通过交直流耦合电路与空耦电容式微机械超声传感器的交流激励信号输入端以及回波信号输出端相连接、第三端与放大电路的输入端相连接；
所述发射/接收通道切换开关包括开关S1、开关S2，双电源供电，开关S1、开关S2的控制信号由FPGA产生；当空耦电容式微机械超声传感器处于发射状态时，开关S2闭合，脉冲激励电路与空耦电容式微机械超声传感器(CMUT)接通，开关S1断开，放大电路与空耦电容式微机械超声传感器断开；
当空耦电容式微机械超声传感器处于接收时，开关S1闭合，放大电路与空耦电容式微机械超声传感器接通，开关S1断开，脉冲激励电路与空耦电容式微机械超声传感器断开，防止高压脉冲发射信号直接流入放大电路引起损伤，同时防止回波信号流入脉冲激励电路造成损耗。
本发明实施例中，脉冲激励电路小尺寸，集成式，用于激励CMUT发射超声波。优选的，可以采用一种开关类型的高电压方波产生电路产生双极性方波脉冲，其峰值不低于20Vpp，由FPGA产生开关控制信号。
由于CMUT需要在直流偏置下才能发射和接收超声波，所以本发明通过将直流偏置和交流信号分别加载在CMUT的两个极板上而达到隔离直流偏置与交流信号的目的。
本发明实施例中，通过发射/接收通道切换开关能避免了发射通道与接收通道的互相干扰，可以采用FPGA控制开关的通断。
本发明的脉冲激励电路的一种电路结构如图2所示。其中，Q1和Q3为高耐压高速PMOS，Q2和Q4为高耐压高速NMOS，通过开关动作产生高电压双极性方波脉冲输出。MOSFET驱动器将FPGA产生的低压低电流方波脉冲进行放大，产生足够的驱动电压和驱动电流以驱动后续的MOSFET开关，并保证MOSFET的开关速度。利用电容电压不会突变的特性，每个MOS管的RC串联通路(例如Q1的R1、C1)实现了MOS管栅源电压的突变。稳压管D1～D4防止MOS管的栅源电压过高以保护MOS管。高耐压二极管D5～D8规定了CMUT的充放电通路。该脉冲激励电路通过开关S2与CMUT传感器相连。
本发明的交直流耦合电路如图3所示。在CMUT的前端电路中需要将直流偏置与交流信号隔离以避免互相干扰本发明的交直流耦合方案是将直流偏置和交流信号分别加载在CMUT的两个极板上，与传统的将直流偏置和交流信号加载在CMUT的同一极板上的方案相比，改善了前端电路的信噪比和带宽
本发明的发射/接收通道切换开关为图1中的开关S1与开关S2。开关S1与开关S2为两个单刀单掷开关，双电源供电，开关通道的模拟电压不能超过电源电压范围。开关S1与开关S2的控制信号由FPGA产生。控制信号的低电平为0V，高电平为3.3V。
当空耦电容式微机械超声传感器处于发射状态时，控制信号为低电平，开关S2闭合，脉冲激励电路与CMUT传感器接通，开关S1断开，放大电路与CMUT传感器断开。当空耦电容式微机械超声传感器处于接收时，控制信号为高电平，开关S1闭合，放大电路与CMUT传感器接通，开关S1断开，脉冲激励电路与CMUT传感器断开。避免了高压脉冲发射信号直接流入放大电路引起损伤，也避免了回波信号流入脉冲激励电路造成损耗。
通常情况下，CMUT的输出信号较小，因此要求放大器具有较高的信噪比，选择跨阻放大器作为CMUT的前端放大器。在跨阻放大电路的设计过程中，通过外接电阻电容实现对特定带宽信号的放大和与空耦电容式微机械超声传感器的阻抗匹配。现有技术下，更换传感器后，需要重新计算电阻电容值进行匹配，本发明通过接入数字电容器和数字电位器实现接收电路与多种空耦电容式微机械超声传感器之间的可调阻抗匹配。
通过反向放大电路实现了对回波信号的二级放大，同时，反向放大电路具有较高的共模抑制比，提高了对共模噪声的抑制能力。
本发明的前端放大电路采用跨阻放大器的电路结构，如图4所示。由于CMUT传感器在工作频率下呈容性，所以跨阻放大器的设计要考虑到CMUT传感器的等效电容对放大器频率响应的影响，需要加入反馈电容对放大频率响应进行补偿，从而实现跨组放大电路与CMUT传感器的匹配。该放大电路通过开关S1与CMUT传感器相连。
其中，更换传感器后，传感器的等效电容会发生变化，需要重新计算反馈电阻和反馈电容的值才能实现匹配。
本发明通过接入数字电位器R5和数字电容器C7作为反馈电阻以及反馈电容，通过编程改变反馈电阻和反馈电容的值来实现接收电路与多种空耦电容式微机械超声传感器之间的可调阻抗匹配。
匹配过程如下：
第一步，用阻抗分析仪测试空耦电容式微机械超声传感器的阻抗幅值A和相角
Figure BDA0003368717770000073
通过公式计算传感器的等效电容Ci。计算空耦电容式微机械超声传感器在谐振频率处的等效电容，可以将CMUT简单地等效为RC串联电路，则CMUT的等效电容满足下列方程组：
Figure BDA0003368717770000071
式中，A为阻抗幅值，
Figure BDA0003368717770000072
为阻抗相角，R为等效电阻、Ci为等效电容，f为谐振频率。
第二步，根据跨阻放大器的增益带宽积GBP和传感器的等效电容Ci，在带宽的要求下选择恰当的反馈电阻。
对于图4中的跨阻放大器，其-3dB带宽f-3dB为：
Figure BDA0003368717770000081
式中GBP为运算放大器的增益带宽积，Ci为空耦电容式微机械超声传感器的等效电容。
第三步，计算反馈电容的值。反馈电容需要满足的匹配条件是：
Figure BDA0003368717770000082
式中，GBP为运算放大器的增益带宽积，Ci为空耦电容式微机械超声传感器的等效电容。
最后，通过编程控制实现反馈电阻和反馈电容的调节，从而实现接收电路与多种空耦电容式微机械超声传感器之间的可调阻抗匹配。
本发明的二级放大电路采用反向放大器的电路结构，如图4所示。跨阻放大的作用主要是对空耦电容式微机械超声传感器进行阻抗匹配，不能保证足够的放大倍数，需要对信号进行二次放大。
假设CMUT传感器的输出电流为I0,可以得出跨阻放大后的电压为：
U1＝I0R5
第二级放大电路采用反向放大的方式，有公式可得：
Figure BDA0003368717770000083
所以，总的输出表达式为：
Figure BDA0003368717770000084
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.用于空耦电容式微机械超声传感器自发自收成像的集成前端电路，其特征在于，通过开关信号实现发射/接收通道的切换，实现空耦电容式微机械超声传感器的自发自收应用；包含脉冲激励电路及发射/接收通道切换开关，所述脉冲激励电路的输出端与发射/接收通道切换开关的第一端连接，所述发射/接收通道切换开关的第二端通过交直流耦合电路与空耦电容式微机械超声传感器的交流激励信号输入端以及回波信号输出端相连接、第三端与放大电路的输入端相连接；
所述发射/接收通道切换开关包括开关S1、开关S2，双电源供电，开关S1、开关S2的控制信号由FPGA产生；当空耦电容式微机械超声传感器处于发射状态时，开关S2闭合，脉冲激励电路与空耦电容式微机械超声传感器接通，开关S1断开，放大电路与空耦电容式微机械超声传感器断开；
当空耦电容式微机械超声传感器处于接收状态时，开关S1闭合，放大电路与空耦电容式微机械超声传感器接通，开关S1断开，脉冲激励电路与空耦电容式微机械超声传感器断开，防止高压脉冲发射信号直接流入放大电路引起损伤，同时防止回波信号流入脉冲激励电路造成损耗。
2.根据权利要求1所述的集成前端电路，其特征在于，所述的交直流耦合电路是将直流偏置和交流信号分别加载在空耦电容式微机械超声传感器的两个极板上；所述交直流耦合电路的发射带宽为0～10MHz,接收带宽为0～2.4MHz。
3.根据权利要求1所述的集成前端电路，其特征在于，所述放大电路包括跨阻放大电路以及反向放大电路，所述跨阻放大电路的输出端连接反向放大电路的输入端，所述跨阻放大电路包括跨阻放大器以及数字电位器R5、数字电容器C7，所述数字电位器R5、数字电容器C7并联后一端与跨阻放大器的负相输入端相接，另一端与跨阻放大器的输出端相接，跨阻放大器的正相输入端接地；
所述反向放大电路包括反向放大器，电阻R7，电阻R7的一端与反向放大器的负相输入端相接，另一端与反向放大器的输出端相接，反向放大器的正相输入端接地；
跨阻放大器的输出端通过一个电阻R6与所述反向放大器负相输入端相接；
所述跨阻放大电路过调节数字电容器C7和数字电位器R5实现跨阻放大电路与空耦电容式微机械超声传感器之间的可调阻抗匹配，所述反向放大电路通过反向放大实现对回波信号的二级放大。
4.根据权利要求3所述的集成前端电路，其特征在于，所述跨阻放大器的增益带宽积不小于1.6GHz。
5.根据权利要求1所述的集成前端电路，其特征在于，所述脉冲激励电路通过开关动作产生高电压双极性方波脉冲输出，所产生的双极性方波信号峰峰值不低于20Vpp。
6.根据权利要求1所述的集成前端电路，其特征在于，所述脉冲激励电路包括FPGA、MOSFET驱动器、四个并联于MOSFET驱动器与发射/接收通道切换开关之间的MOSFET开关单元；所述MOSFET驱动器将FPGA产生的低压低电流方波脉冲放大，产生足够的驱动电压和驱动电流以驱动后续的MOSFET开关，并保证MOSFET的开关速度；
每个MOSFET开关单元的MOS管的栅极连接RC串联通路，实现了MOS管栅源电压的突变，RC串联通路包括电容C、电阻R,电容C的一端与MOSFET驱动器的输出端连接，电容C的另一端依次接并联的稳压二极管D以及电阻R的一端，稳压二极管D以及电阻R并联的另一端接MOS管的源极后接地和\或VCC、VEE，MOS管的漏极接另一个二极管后接到发射/接收通道切换开关。
7.根据权利要求6所述的集成前端电路，其特征在于，四个并联的MOSFET开关单元分别包括高耐压高速PMOS管Q1和高耐压高速PMOS管Q3，高耐压高速NMOS管Q2、高耐压高速NMOSQ4；高耐压高速PMOS管Q1的源极接VCC以及一个电容C5后接地，高耐压高速NMOS管Q2的源极接VEE以及一个电容C5后接地。
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