DE102020120716A1

DE102020120716A1 - Transformatorlose Ansteuerung eines Ultraschallwandlers mit nur einem externen Energiespeicher

Info

Publication number: DE102020120716A1
Application number: DE102020120716.6A
Authority: DE
Inventors: Guido Schlautmann; André Schmidt; Stefanie Heppekausen
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2022-02-10
Also published as: US20220040732A1; US11389831B2; CN114069809A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Treiberstufe zur Ansteuerung eines ersten Ultraschallwandlers (TD1) und ein Verfahren zu deren Betrieb. Sie umfasst eine erste Ladungspumpe (CP1) oder Spannungsquelle und eine erste Kapazität (C1). Darüber hinaus umfasst sie erste Mittel (SW2, SW4) zum Aufladen der ersten Kapazität (CP1) mit elektrischer Energie aus der Ladungspumpe (CP1) und zweite Mittel (SW1, SW3, SW4, SW5) zum Verbinden von erster Kapazität (CP1) und Ultraschallwandler (TD1) mit unterschiedlicher Polarität. Die ersten Mittel (SW2, SW4) laden die erste Kapazität (CP1) nicht mit elektrischer Energie aus der Ladungspumpe (CP1) oder Spannungsquelle auf, wenn die erste Kapazität (CP1) mit dem Ultraschallwandler (TD1) durch die zweiten Mittel (SW1, SW3, SW4, SW5) verbunden ist.

Description

Oberbegriff
Die Erfindung betrifft eine verbesserte Treiberstufe zur transformatorlosen Ansteuerung eines Ultraschallwandlers, bei der gegenüber dem Stand der Technik eine externe Speicherkapazität und ein Anschluss eingespart werden können.
Allgemeine Einleitung
Ultraschallmesssysteme werden im Stand der Technik (SdT) oft zur Hindernisdetektion und Abstandsbestimmung in Parkassistenzsystemen, aber auch zur Personendetektion, beispielsweise in Räumen, sowie Industrieapplikationen, beispielsweise zur Füllstandsüberwachung, eingesetzt. Hierzu wird von einem Ultraschallsender ein Ultraschallsignal ausgesendet. Bei Reflektion an einem Objekt kann das reflektierte Signal von einem Ultraschallempfänger detektiert werden. Über eine Laufzeitmessung kann der Abstand zwischen Sender und Objekt bestimmt werden. Hierbei kann derselbe Ultraschallwandler als Sender und Empfänger dienen.
Besonders für den Einsatz in Parkassistenzsystemen in Kraftahrzeugen ist eine möglichst preiswerte Produktion von Ultraschallmesssystemen erforderlich, da in Neufahrzeugen tendenziell mehrere Ultraschallmesssysteme verbaut werden.
Stand der Technik
Im Stand der Technik (SdT) sind Schaltungen zur Ansteuerung von piezokeramischen Ultraschallwandlern hinlänglich bekannt. An Hand von 1 wird eine transformatorlose Treiberstufe zur Ansteuerung eines Ultraschallwandlers mit abwechselnd positiver und negativer Betriebsspannung erläutert. Hierzu wird zunächst 1 beschrieben. Im Folgenden werden gleichartige Funktionselemente mit Zahlworten wie „erster“, „zweiter“, „dritter“ etc. zur besseren Unterscheidung bezeichnet. Diese Zahlworte sind daher als Teil des Funktionselementnamens zu verstehen. Wir verweisen hier auf die Bezugszeichenliste.
1 zeigt eine transformatorlose Ansteuerung eines Ultraschallwandlers gemäß dem Stand der Technik (SdT). Eine zweite Treiberstufe (TR2) umfasst eine Schaltung zur transformatorlosen Ansteuerung eines zweiten Ultraschallwandlers (TD2) innerhalb einer zweiten integrierten Schaltung (IC2). Für die Ansteuerung des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) werden zusätzlich eine zweite Kapazität (C2) und eine dritte Kapazität (C3) benötigt. Die zweite Kapazität (C2) und die dritte Kapazität (C3) sind externe Schaltungsteile.
Zunächst wird der Aufbau der Ansteuerung innerhalb der zweiten integrierten Schaltung (IC2) beschrieben.
Die zweite integrierte Schaltung (IC2) umfasst vier Anschlüsse zur Verbindung interner Schaltungsteile mit externen Komponenten. Diese Anschlüsse sind ein Anschluss des zweiten Betriebsspannungspotentials (VDRV2) und ein zweiter Signalanschluss (DRV2) und ein positiver Anschluss (C3P) der dritten Kapazität (C3) und ein negativer Anschluss (C3N) der dritten Kapazität.
Die zweite integrierte Schaltung (IC2) umfasst des Weiteren eine zweite Ladungspumpe (CP2) und einen sechsten Schalter (SW6) und einen siebten Schalter (SW7) und einen achten Schalter (SW8) und einen neunten Schalter (SW9) und einen zehnten Schalter (SW10). Jeder dieser Schalter hat einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss.
Die zweite Ladungspumpe (CP2) ist an einem fünften Knoten (K5) mit dem Anschluss des zweiten Betriebsspannungspotentials (VDRV2) und mit dem ersten Anschluss des zehnten Schalters (SW10) und mit dem ersten Anschluss des siebten Schalters (SW7) verbunden.
Der zweite Anschluss des zehnten Schalters (SW10) ist an einem sechsten Knoten (K6) mit dem ersten Anschluss des achten Schalters (SW8) und mit dem zweiten Signalanschluss (DRV2) verbunden.
Der zweite Anschluss des siebten Schalters (SW7) ist an einem vierten Knoten (K4) mit dem ersten Anschluss des sechsten Schalters (SW6) und mit dem positiven Anschluss (CP3) der dritten Kapazität (C3) verbunden.
Der zweite Anschluss des achten Schalters (SW8) ist an einem siebten Knoten mit dem ersten Anschluss des neunten Schalters (SW9) und mit dem negativen Anschluss (CN3) der dritten Kapazität (C3) verbunden.
Der zweite Anschluss des sechsten Schalters (SW6) und der zweite Anschluss des neunten Schalters (SW9) sind an einem achten Knoten (K8) mit einem zweiten Bezugspotential (GND2) verbunden.
Die zweite Kapazität (C2) umfasst zwei Anschlüsse. Der erste Anschluss der zweiten Kapazität (C2) ist mit dem Anschluss des zweiten Betriebsspannungspotentials (VDRV2) verbunden. Der zweite Anschluss der zweiten Kapazität ist mit dem zweiten Bezugspotential (GND2) verbunden.
Der zweite Signalanschluss (DRV2) ist mit einem Signalanschluss (STD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) verbunden.
Ein Masseanschluss (MTD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) ist mit dem zweiten Bezugspotential (GND2) verbunden.
Das zweite Bezugspotential (GND2) ist kleiner als das zweite Betriebsspanungspotential (VDRV2) und bevorzugt gleich 0 V.
Im Bordnetz des Fahrzeugs gibt es für gewöhnlich nur Spannungen im Bereich von betragsmäßig 6 V bis 12 V. Um den zweiten Ultraschallwandler (TD2) zum Schwingen anzuregen, müssen an dem Signalanschluss (STD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) betragsmäßig deutlich größere Spannungen in der Größenordnung von mehr als 20 V anliegen. Der interne Aufbau der zweiten Ladungspumpe (CP2) ist hier nicht weiter relevant. Entsprechende Schaltungen sind im Stand der Technik (SdT) bekannt. Die Funktion der zweiten Ladungspumpe (CP2) ist das Bereitstellen der für die Anregung des Ultraschallwandlers erforderlichen betragsmäßig hohen zweiten Betriebsspannung (VDRV2) aus der Spannung des Bordnetzes.
Die Ansteuerung des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) als Sender umfasst drei Phasen und wird im Folgenden beschrieben. Die erste Phase ist hierbei nur initial zu Sendebeginn notwendig, während die zweite und dritte Phase alternierend während der gesamten Sendedauer wiederholt werden.
In der ersten Phase werden der siebte Schalter (SW7) und der neunte Schalter (SW9) geschlossen. Der sechste Schalter (SW6) und der achte Schalter (SW8) und der zehnte Schalter (SW10) sind geöffnet. Die zweite Ladungspumpe (CP2) ist nun mit dem Anschluss des zweiten Betriebsspannungspotentials (VDRV2) und mit dem positiven Anschluss (C3P) der dritten Kapazität (C3) verbunden. Der negative Anschluss (C3N) der dritten Kapazität (C3) ist mit dem zweiten Bezugspotential (GND2) verbunden. Die zweite Kapazität (C2) und die dritte Kapazität (C3) werden aufgeladen.
In der zweiten Phase wird der zweite Ultraschallwandler (TD2) mit einer negativen Spannung angesteuert, d.h. am Signalanschluss (STD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) liegt die negative Betriebsspannung, die auf der Kapazität C3 gespeichert wurde, an. Hierfür werden der sechste Schalter (SW6) und der achte Schalter (SW8) geschlossen. Der siebte Schalter (SW7) und der neunte Schalter (SW9) und der zehnte Schalter (SW10) sind geöffnet. Durch den geschlossenen achten Schalter (SW8) ist der negative Anschluss (C3N) der dritten Kapazität (C3) mit dem Signalanschluss (STD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) verbunden. Durch den geschlossenen sechsten Schalter (SW6) ist der positive Anschluss (C3P) der dritten Kapazität (C3) mit dem zweiten Bezugspotential (GND2) verbunden. Somit liegt in der zweiten Phase die negative Betriebsspannung an dem Signalanschluss (STD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) an.
In der dritten Phase wird der zweite Ultraschallwandler (TD2) mit einer positiven Betriebsspannung angesteuert, d.h. am Signalanschluss (STD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) liegt die positive Betriebsspannung an. Hierfür werden der siebte Schalter (SW7) und der zehnte Schalter (SW10) und der neunte Schalter (SW9) geschlossen. Der sechste Schalter (SW6) und der achte Schalter (SW8) sind geöffnet. Durch den geschlossenen zehnten Schalter (SW10) ist der zweite Signalanschluss (DRV2) mit dem Anschluss des zweiten Betriebsspannungspotentials (VDRV2) und dem Ausgang der zweiten Ladungspumpe (CP2) verbunden. Am Signalanschluss (STD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) liegt somit die positive zweite Betriebsspannung (STD2) an. Der geschlossene siebte Schalter (SW7) verbindet den positiven Anschluss (C3P) der dritten Kapazität (C3) mit dem Anschluss des zweiten Betriebsspannungspotentials (VDRV2). Der geschlossene neunte Schalter (SW9) verbindet den negativen Anschluss (C3N) der dritten Kapazität (C3) mit dem zweiten Bezugspotential (GND2). In der dritten Phase wird somit die dritte Kapazität aufgeladen.
Die zweite Kapazität (C2) wird ausschließlich von der zweiten Ladungspumpe (CP2) aufgeladen. Theoretisch ist bei der beschriebenen Ansteuerung nach dem Stand der Technik (SdT) somit ein simultanes Ansteuern des zweiten Transducers (TD2) und ein Aufladen der zweiten Kapazität (C2) möglich. In der Praxis ist dies jedoch nicht praktikabel und wird nicht angewendet. Es ergibt sich also die Frage, ob die zweite Kapazität (C2) eliminiert werden kann.
Aufgabe
Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch Änderung der Schalteranordnung innerhalb der Treiberstufe, eine Lösung zu schaffen, bei der eine externe Kapazität eingespart werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 2 gelöst.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe eine externe Kapazität und damit auch einen Anschluss einzusparen und damit die Kosten zu senken wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die externe Kapazität, die zum Umpolen der am Ultraschallwandler anliegenden Spannung verwendet wird, auch als Energiequelle verwendet wird. Dieser Ansatz ist neu für den Fachmann und wird bisher im Stand der Technik nicht verwendet.
Der schaltungstechnische Aufbau einer erfindungsgemäßen Treiberstufe ist beispielhaft in 2 dargestellt.
Eine erfindungsgemäße erste Treiberstufe (TR1) zur Ansteuerung eines ersten Ultraschallwandlers (TD1) umfasst eine erste Ladungspumpe (CP1) und einen ersten Schalter (SW1) und einen zweiten Schalter (SW2) und einen dritten Schalter (SW3) und einen vierten Schalter (SW4) und einen fünften Schalter (SW5). Jeder dieser Schalter hat mindestens einen ersten und einen zweiten Anschluss.
Die erfindungsgemäße erste Treiberstufe (TR1) umfasst außerdem eine erste Kapazität (C1) mit einem positiven Anschluss (C1P) der ersten Kapazität (C1) und mit einem negativen Anschluss (C1N) der ersten Kapazität (C1) und einen ersten Signalanschluss (DRV1) und einen ersten Knoten (K1) und einen zweiten Knoten (K2) und einen dritten Knoten (K3) und ein erstes Bezugspotential (GND1).
Die erste Ladungspumpe (CP1) ist mit dem ersten Anschluss des zweiten Schalters (SW2) verbunden. Der zweite Anschluss des zweiten Schalters (SW2) ist an dem ersten Knoten (K1) mit dem ersten Anschluss des ersten Schalters (SW1) und mit dem positiven Anschluss (C1P) der ersten Kapazität (C1) und mit dem ersten Anschluss des fünften Schalters (SW5) verbunden.
Der zweite Anschluss des ersten Schalters (SW1) ist mit dem ersten Bezugspotential (GND1) verbunden.
Der zweite Anschluss des fünften Schalters (SW5) ist an dem zweiten Knoten (K2) mit dem ersten Signalanschluss (DRV1) und mit dem ersten Anschluss des dritten Schalters (SW3) verbunden.
Der zweite Anschluss des dritten Schalters (SW3) ist an dem dritten Knoten (K3) mit dem ersten Anschluss des vierten Schalters (SW4) und mit dem negativen Anschluss (C1N) der ersten Kapazität (C1) verbunden.
Der zweite Anschluss des vierten Schalters (SW4) ist mit dem ersten Bezugspotential (GND1) verbunden.
Der erste Signalanschluss (DRV1) ist mit einem Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1) verbunden. Ein Masseanschluss (MTD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD2) ist mit dem ersten Bezugspotential (GND1) verbunden.
Das erste Bezugspotential (GND1) beträgt bevorzugt 0 V.
Die Spannung am Ausgang der ersten Ladungspumpe (CP1) beträgt bevorzugt mehr als 20 V.
Die erste Ladungspumpe (CP1) und der erste Schalter (SW1) und der zweite Schalter (SW2) und der dritte Schalter (SW3) und der vierte Schalter (SW4) und der fünfte Schalter (SW5) und der erste Knoten (K1) und der zweite Knoten (K2) und der dritte Knoten (K3) und der erste Signalausgang (DRV1) sind bevorzugt in einer ersten integrierten Schaltung (IC1) realisiert.
Die erste Kapazität (C1) und der erste Ultraschallwandler (TD1) sind nicht Teil der ersten integrierten Schaltung (IC1).
Der erste Schalter (SW1) und der zweite Schalter (SW2) und der dritte Schalter (SW3) und der vierte Schalter (SW4) und der fünfte Schalter (SW5) werden mit mikroelektronischen Bauelementen, bevorzugt mit Biopolar- oder Feldeffekttransistoren, realisiert.
Die erste Kapazität (C1) ist eine vorwiegend kapazitive Impedanz.
Ein Verfahren zur Ansteuerung des ersten Ultraschallwandlers (TD1) zur Aussendung von Ultraschallsignalen durch die erste Treiberstufe (TR1) erfolgt in drei Phasen. Die letzten beiden Phasen können zyklisch wiederholt werden. Die drei Phasen werden im Folgenden beschrieben.
In der ersten Phase wird die erste Kapazität (C1) auf die Ausgangsspannung der ersten Ladungspumpe (CP1) aufgeladen. Hierzu werden der zweite Schalter (SW2) und der vierte Schalter (SW4) geschlossen. Der geschlossen zweite Schalter (SW2) verbindet den positiven Anschluss der ersten Kapazität (C1P) mit dem Ausgang der ersten Ladungspumpe (CP1). Der geschlossen vierte Schalter (SW4) verbindet den negativen Anschluss (C1N) der ersten Kapazität (C1) mit dem ersten Bezugspotential (GND1). Der erste Schalter (SW1) und der dritte Schalter (SW3) und der fünfte Schalter (SW5) sind geöffnet.
In der zweiten Phase wird die negative Spannung der ersten Kapazität (C1) an den Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1) angelegt. Hierfür werden der erste Schalter (SW1) und der dritte Schalter (SW3) geschlossen. Der geschlossene erste Schalter (SW1) verbindet den positiven Anschluss (C1P) der ersten Kapazität (C1) mit dem ersten Bezugspotential (GND1). Der geschlossene dritte Schalter (SW3) verbindet den negativen Anschluss (C1N) der ersten Kapazität (C1) mit dem ersten Signalanschluss (DRV1). Der erste Signalanschluss (DRV1) ist mit dem Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1) verbunden. Der zweite Schalter (SW2) und der vierte Schalter (SW4) und der fünfte Schalter (SW5) sind geöffnet.
In der dritten Phase wird die positive Spannung der ersten Kapazität (C1) an den Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1) angelegt. Hierfür werden der vierte Schalter (SW4) und der fünfte Schalter (SW5) geschlossen. Der geschlossene vierte Schalter (SW4) verbindet den negativen Anschluss (C1N) der ersten Kapazität (C1) mit dem ersten Bezugspotential (GND1). Der geschlossene fünfte Schalter (SW5) verbindet den positiven Anschluss (C1P) der ersten Kapazität (C1) mit dem ersten Signalanschluss (DRV1). Der erste Signalanschluss (DRV1) ist mit dem Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1) verbunden. Der erste Schalter (SW1) und der zweite Schalter (SW2) und der dritte Schalter (SW3) sind geöffnet.
Die erste Phase ist hierbei nur initial zu Sendebeginn notwendig, während die zweite und dritte Phase alternierend während der gesamten Sendedauer wiederholt werden.
Die erste Kapazität (C1) dient während des gesamten Sendevorgangs als alleinige Energiequelle für den Ultraschallwandler, da nach Abschluss der ersten Phase keine Verbindung zur ersten Ladungspumpe (CP1) mehr hergestellt wird.
Das Verfahren zur Ansteuerung eines ersten Ultraschallwandlers (TD1) zur Aussendung von Ultraschallsignalen durch eine Treiberstufe kann somit ganz knapp so beschrieben werden, dass es eine erste Phase zur Aufladung einer ersten Kapazität (C1) auf die Ausgangsspannung der ersten Ladungspumpe (CP1) umfasst und dass es eine zweite Phase zum Anlegen der Spannung der ersten Kapazität (C1) als negative Spannung an den ersten Ultraschallwandler (TD1) umfasst und dass es eine dritte Phase, zum Anlegen der Spannung der ersten Kapazität (C1) als positive Spannung an den Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1), umfasst. Dabei wird die erste Phase nur einmal zu Beginn des Sendervorgangs ausgeführt. Die zweite Phase und die dritte Phase werden abwechselnd für die gesamte Dauer des Sendevorgangs durchgeführt. Die Sendevorgänge können sich insbesondere auch zyklisch wiederholen. Die auf die erste Phase erstmalig folgende Phase kann die besagte zweite Phase oder die dritte Phase sein. Nach beliebiger zyklischer Wiederholung der zweiten und der dritten Phase, können noch weitere Phasen erfolgen. Dies sind z.B. eine Empfangsphase und gegebenenfalls eine Dämpfungsphase. Diese Phasen werden hier aber nicht weiter behandelt.
Die Vorrichtung der Treiberstufe zur Ansteuerung eines ersten Ultraschallwandlers (TD1), umfasst, kompakt gesprochen, eine erste Ladungspumpe (CP1) oder Spannungsquelle und eine erste Kapazität (C1) und erste Mittel (SW2, SW4) zum Aufladen der ersten Kapazität (CP1) mit elektrischer Energie aus der Ladungspumpe (CP1) oder aus der Spannungsquelle und zweite Mittel (SW1, SW3, SW4, SW5) zum Verbinden von erster Kapazität (CP1) und erstem Ultraschallwandler (TD1) mit unterschiedlicher Polarität. Die ersten Mittel (SW2, SW4) laden dabei die erste Kapazität (CP1) nicht mit elektrischer Energie aus der Ladungspumpe (CP1) oder Spannungsquelle auf, wenn die erste Kapazität (CP1) mit dem Ultraschallwandler (TD1) durch die zweiten Mittel (SW1, SW3, SW4, SW5) verbunden ist, damit keine Störungen auftreten. Dieser Betrieb des Ultraschallwandlers nur über die erste Kapazität (C1) ohne Verbindung zu einer weiteren Energiequelle ist neu für den Fachmann.
Vorteil
Eine solche verbesserte Treiberstufe zur Ansteuerung eines Ultraschallwandlers ermöglicht die Einsparung einer externen Kapazität und eines Anschlusspins der integrierten Schaltung der Treiberstufe. Hierdurch werden die Systemkosten reduziert und das PCB-Layout vereinfacht.
Figurenliste

1 zeigt beispielhaft eine transformatorlose Ansteuerung eines Ultraschallwandlers gemäß dem Stand der Technik (SdT).
2 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße transformatorlose Ansteuerung eines Ultraschallwandlers mit gegenüber dem Stand der Technik (SdT) verbesserter Schalteranordnung innerhalb der integrierten Schaltung.

Beschreibung der Figuren
Figur 1
1 zeigt beispielhaft eine transformatorlose Ansteuerung eines Ultraschallwandlers gemäß dem Stand der Technik (SdT). Eine zweite Treiberstufe (TR2) umfasst eine Schaltung zur transformatorlosen Ansteuerung eines zweiten Ultraschallwandlers (TD2) innerhalb einer zweiten integrierten Schaltung (IC2). Für die Ansteuerung des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) werden zusätzlich eine zweite Kapazität (C2) und eine dritte Kapazität (C3) benötigt. Die zweite Kapazität (C2) und die dritte Kapazität (C3) sind externe Schaltungsteile.
Zunächst wird der Aufbau der Ansteuerung innerhalb der zweiten integrierten Schaltung (IC2) beschrieben.
Die zweite integrierte Schaltung (IC2) umfasst vier Anschlüsse zur Verbindung interner Schaltungsteile mit externen Komponenten. Diese Anschlüsse sind ein Anschluss des zweiten Betriebsspannungspotentials (VDRV2) und ein zweiter Signalanschluss (DRV2) und ein positiver Anschluss (C3P) der dritten Kapazität (C3) und ein negativer Anschluss (C3N) der dritten Kapazität.
Die zweite integrierte Schaltung (IC2) umfasst des Weiteren eine zweite Ladungspumpe (CP2) und einen sechsten Schalter (SW6) und einen siebten Schalter (SW7) und einen achten Schalter (SW8) und einen neunten Schalter (SW9) und einen zehnten Schalter (SW10). Jeder dieser Schalter hat einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss.
Die zweite Ladungspumpe (CP2) ist an einem fünften Knoten (K5) mit dem Anschluss des zweiten Betriebsspannungspotentials (VDRV2) und mit dem ersten Anschluss des zehnten Schalters (SW10) und mit dem ersten Anschluss des siebten Schalters (SW7) verbunden.
Der zweite Anschluss des zehnten Schalters (SW10) ist an einem sechsten Knoten (K6) mit dem ersten Anschluss des achten Schalters (SW8) und mit dem zweiten Signalanschluss (DRV2) verbunden.
Der zweite Anschluss des siebten Schalters (SW7) ist an einem vierten Knoten (K4) mit dem ersten Anschluss des sechsten Schalters (SW6) und mit dem positiven Anschluss (CP3) der dritten Kapazität (C3) verbunden.
Der zweite Anschluss des achten Schalters (SW8) ist an einem siebten Knoten mit dem ersten Anschluss des neunten Schalters (SW9) und mit dem negativen Anschluss (CN3) der dritten Kapazität (C3) verbunden.
Der zweite Anschluss des sechsten Schalters (SW6) und der zweite Anschluss des neunten Schalters (SW9) sind an einem achten Knoten (K8) mit einem zweiten Bezugspotential (GND2) verbunden.
Die zweite Kapazität (C2) umfasst zwei Anschlüsse. Der erste Anschluss der zweiten Kapazität (C2) ist mit dem Anschluss des zweiten Betriebsspannungspotentials (VDRV2) verbunden. Der zweite Anschluss der zweiten Kapazität ist mit dem zweiten Bezugspotential (GND2) verbunden.
Der zweite Signalanschluss (DRV2) ist mit einem Signalanschluss (STD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) verbunden.
Ein Masseanschluss (MTD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2) ist mit dem zweiten Bezugspotential (GND2) verbunden.
Figur 2
2 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße transformatorlose Ansteuerung eines Ultraschallwandlers mit gegenüber dem Stand der Technik (SdT) verbesserter Schalteranordnung innerhalb der integrierten Schaltung. Hierdurch können ein Anschluss der integrierten Schaltung und eine externe Kapazität eingespart werden.
Eine erste Treiberstufe (TR1) umfasst eine Schaltung zur transformatorlosen Ansteuerung eines ersten Ultraschallwandlers (TD1) innerhalb einer ersten integrierten Schaltung (IC1). Für die Ansteuerung des ersten Ultraschallwandlers (TD1) wird zusätzlich eine erste Kapazität (C1) benötigt. Die erste Kapazität (C1) ist ein externes Schaltungsteil.
Zunächst wird der Aufbau der Ansteuerung innerhalb der ersten integrierten Schaltung (IC1) beschrieben.
Die erste integrierte Schaltung (IC1) umfasst drei Anschlüsse zur Verbindung interner Schaltungsteile mit externen Komponenten. Diese Anschlüsse sind ein erster Signalanschluss (DRV1) und ein positiver Anschluss (C1P) der ersten Kapazität (C1) und ein negativer Anschluss (C1N) der ersten Kapazität (C1).
Die erste integrierte Schaltung (IC1) umfasst des Weiteren eine erste Ladungspumpe (CP1) und einen ersten Schalter (SW1) und einen zweiten Schalter (SW2) und einen dritten Schalter (SW3) und einen vierten Schalter (SW4) und einen fünften Schalter (SW5). Jeder dieser Schalter hat einen ersten und einen zweiten Anschluss.
Die erste Ladungspumpe (CP1) ist mit dem ersten Anschluss des zweiten Schalters (SW2) verbunden.
Der zweite Anschluss des zweiten Schalters (SW2) ist an einem ersten Knoten (K1) mit dem ersten Anschluss des ersten Schalters (SW1) und mit dem positiven Anschluss (C1P) der ersten Kapazität (C1) und mit dem ersten Anschluss des fünften Schalters (SW5) verbunden.
Der zweite Anschluss des ersten Schalters (SW1) ist mit einem ersten Bezugspotential (GND1) verbunden.
Der zweite Anschluss des fünften Schalters (SW5) ist an einem zweiten Knoten (K2) mit dem ersten Signalanschluss (DRV1) und mit dem ersten Anschluss des dritten Schalters (SW3) verbunden.
Der zweite Anschluss des dritten Schalters (SW3) ist an einem dritten Knoten (K3) mit dem ersten Anschluss eines vierten Schalters (SW4) und mit dem negativen Anschluss (C1N) der ersten Kapazität (C1) verbunden.
Der zweite Anschluss des vierten Schalters (SW4) ist mit dem ersten Bezugspotential (GND1) verbunden.
Der erste Signalanschluss (DRV1) ist mit einem Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1) verbunden. Ein Masseanschluss (MTD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD2) ist mit dem ersten Bezugspotential (GND1) verbunden.
Bezugszeichenliste

STD1: Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1);
STD2: Signalanschluss (STD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2);
MTD1: Masseanschluss (MTD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1);
MTD2: Masseanschluss (MTD2) des zweiten Ultraschallwandlers (TD2);
C1: erste Kapazität;
C1N: negativer Anschluss (C1N) der ersten Kapazität (C1);
C1P: positiver Anschluss (C1P) der ersten Kapazität (C1);
C2: zweite Kapazität;
C3: dritte Kapazität;
C3P: positiver Anschluss (C3P) der dritten Kapazität (C3);
C3N: negativer Anschluss (C3N) der dritten Kapazität (C3);
CP1: erste Ladungspumpe;
CP2: zweite Ladungspumpe;
DRV1: erster Signalanschluss;
DRV2: zweiter Signalanschluss;
IC1: erste integrierte Schaltung;
IC2: zweite integrierte Schaltung;
GND1: erstes Bezugspotential;
GND2: zweites Bezugspotential;
K1: erster Knoten;
K2: zweiter Knoten;
K3: dritter Knoten;
K4: vierter Knoten;
K5: fünfter Knoten;
K6: sechster Knoten;
K7: siebter Knoten;
K8: achter Knoten;
SdT: Stand der Technik;
SW1: erster Schalter;
SW2: zweiter Schalter;
SW3: dritter Schalter;
SW4: vierter Schalter;
SW5: fünfter Schalter;
SW6: sechster Schalter;
SW7: siebter Schalter;
SW8: achter Schalter;
SW9: neunter Schalter;
SW10: zehnter Schalter;
TD1: erster Ultraschallwandler;
TD2: zweiter Ultraschallwandler;
TR1: erste Treiberstufe;
TR2: zweite Treiberstufe;
VDRV2: Zweites Betriebsspannungspotential;

Claims

Treiberstufe zur Ansteuerung eines ersten Ultraschallwandlers (TD1), umfassend eine erste Ladungspumpe (CP1) und einen ersten Schalter (SW1) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Anschluss und einen zweiten Schalter (SW2) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Anschluss und einen dritten Schalter (SW3) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Anschluss und einen vierten Schalter (SW4) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Anschluss und einen fünften Schalter (SW5) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Anschluss und eine erste Kapazität (C1) mit einem positiven Anschluss (C1P) der ersten Kapazität (C1) und mit einem negativen Anschluss (C1N) der ersten Kapazität und einen ersten Signalanschluss (DRV1) und einen ersten Knoten (K1) und einen zweiten Knoten (K2) und einen dritten Knoten (K3) und ein erstes Bezugspotential (GND1), wobei die erste Ladungspumpe (CP1) mit dem ersten Anschluss des zweiten Schalters (SW2) verbunden ist und wobei der zweite Anschluss des zweiten Schalters (SW2) an dem ersten Knoten (K1) mit dem ersten Anschluss des ersten Schalters (SW1) und mit dem positiven Anschluss (C1P) der ersten Kapazität (C1) und mit dem ersten Anschluss des fünften Schalters (SW5) verbunden ist und wobei der zweite Anschluss des ersten Schalters (SW1) mit dem ersten Bezugspotential (GND1) verbunden ist und wobei der zweite Anschluss des fünften Schalters (SW5) an dem zweiten Knoten (K2) mit dem ersten Signalanschluss (DRV1) und mit dem ersten Anschluss des dritten Schalters (SW3) verbunden ist und wobei der zweite Anschluss des dritten Schalters (SW3) ist an dem dritten Knoten (K3) mit dem ersten Anschluss des vierten Schalters (SW4) und mit dem negativen Anschluss (C1N) der ersten Kapazität (C1) verbunden ist und wobei der zweite Anschluss des vierten Schalters (SW4) ist mit dem ersten Bezugspotential (GND1) verbunden ist und wobei der erste Signalanschluss (DRV1) mit einem Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1) verbunden ist und wobei ein Masseanschluss (MTD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD2) mit dem ersten Bezugspotential (GND1) verbunden ist.
Verfahren zur Ansteuerung eines ersten Ultraschallwandlers (TD1) zur Aussendung von Ultraschallsignalen durch eine Treiberstufe, umfassend eine erste Phase, zur Aufladung einer ersten Kapazität (C1) auf die Ausgangsspannung einer ersten Ladungspumpe (CP1), durch Verbinden eines positiven Anschlusses (C1P) der ersten Kapazität (C1) mit einem Ausgang der ersten Ladungspumpe (CP1) durch Schließen eines zweiten Schalters (SW2) und durch Verbinden eines negativen Ausgangs (C1N) der ersten Kapazität (C1) mit einem ersten Bezugspotential (GND1) durch Schließen eines vierten Schalters (SW4), während ein erster Schalter (SW1) und ein dritter Schalter (SW3) und ein fünfter Schalter (SW5) geöffnet sind und eine zweite Phase, zum Anlegen der negativen Spannung der ersten Kapazität (C1) an einen Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1), durch Verbinden des negativen Anschlusses (C1N) der ersten Kapazität (C1) mit dem Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1) durch Schließen des dritten Schalters (SW3) und durch Verbinden des positiven Anschlusses (C1P) der ersten Kapazität (C1) mit dem ersten Bezugspotential (GND1) durch Schließen des ersten Schalters (SW1), während der zweite Schalter (SW2) und der vierte Schalter (SW4) und der fünfte Schalter (SW5) geöffnet sind und eine dritte Phase, zum Anlegen der positiven Spannung der ersten Kapazität (C1) an den Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1), durch Verbinden des positiven Anschlusses (C1P) der ersten Kapazität (C1) mit dem Signalanschluss (STD1) des ersten Ultraschallwandlers (TD1) durch Schließen des fünften Schalters (SW5) und durch Verbinden des negativen Anschlusses (C1N) der ersten Kapazität (C1) mit dem ersten Bezugspotential (GND1) durch Schließen des vierten Schalters (SW4), während der erste Schalter (SW1) und der zweite Schalter (SW2) und der dritte Schalter (SW3) geöffnet sind, wobei die erste Phase nur einmal zu Beginn des Sendervorgangs ausgeführt wird und wobei die zweite Phase und die dritte Phase abwechselnd für die gesamte Dauer des Sendevorgangs durchgeführt werden.