DE19514307A1 - Duplexer für ein Ultraschallabbildungssystem - Google Patents
Duplexer für ein UltraschallabbildungssystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Duplexer nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Ein solcher Duplexer ist beispielsweise aus
DE-A-33 01 967 bekannt.
Ultraschallabbildungssysteme zum Abbilden von Objekten mit
Ultraschall basieren im allgemeinen auf der Puls-Echo-Metho
de. Ein oder mehrere piezoelektrische Wandlerelemente, die
vorzugsweise ein lineares oder zweidimensionales Array bil
den, werden in einem Sendebetrieb des Systems durch elektri
sche Sendepulse eines Senders zu hochfrequenten Schwingungen
angeregt und erzeugen einen auf das Objekt gerichteten Ultra
schallpuls. Dieser Ultraschallpuls wird in dem Objekt bei
spielsweise an Grenzflächen zwischen zwei Medien unterschied
licher akustischer Impedanz reflektiert. In einem Empfangs
betrieb des Systems wird nun der zum Wandlerelement zurück
reflektierte Echopuls in dem Wandlerelement in ein entspre
chendes elektrisches Empfangssignal umgewandelt und einem
Empfänger mit Vorverstärkern und einer Signalauswertung zum
Aus lesen der Wandlerelemente und Auswerten der Informationen
über das abgebildete Objekt zugeführt.
Für die beiden Betriebsarten des Ultraschallabbildungssystems
müssen die Sendepulse und die Empfangssignale voneinander ge
trennt werden. Dazu ist in dem Ultraschallabbildungssystem
jedem Wandlerelement eine Sende- und Empfangsweiche zugeord
net, die als Duplexer bezeichnet wird. Der Duplexer verbindet
das zugehörige Wandlerelement im Sendebetrieb mit dem Sender
und im Empfangsbetrieb mit dem Empfänger. Da nun einerseits
die Sendepulse zum Anregen der Wandlerelemente vergleichs
weise hohe Spannungsamplituden von bis über 100 V haben und
andererseits die vergleichsweise schwachen Empfangs-Echo
signale mit empfindlichen Vorverstärkern im Empfänger
empfangen und verstärkt werden, muß der Duplexer den Empfän
ger zum Schutz vor den hohen Sendepulsspannungen von dem Sen
der während des Empfangsbetriebs elektrisch entkoppeln. Ein
weiterer Grund für die notwendige Entkopplung des Empfängers
vom Sender während des Empfangsbetriebs ist das Vermeiden von
Rauscheinkopplungen aus dem Sender, die sich störend auf die
Empfangssignale auswirken. Der Duplexer soll überdies aber
auch den Sender von dem Empfänger während des Sendebetriebs
elektrisch entkoppeln, um Rückwirkungen des Empfängers auf
den Sender während des Sendebetriebs zu verhindern, die sich
störend auf die Sendepulsform auswirken können.
Neben diesen grundsätzlichen Anforderungen an Duplexer für
ein Ultraschallabbildungssystem sind in der Praxis oft wei
tere Bedingungen zu erfüllen. Kleine Wandlerelemente, wie sie
bei linearen oder zweidimensionalen Arrays auftreten, haben
einen hohen Innenwiderstand. Die ohmsche und vor allem die
kapazitive Belastung durch die Duplexer sollten deshalb mög
lichst klein gehalten werden. Ferner ist der Eigenstromver
brauch der Duplexer niedrig zu halten, um die Verlustleistung
im Array zu begrenzen. Schließlich sollten Duplexer möglichst
klein ausgebildet werden, damit sie mit dem Array integriert
werden können.
Duplexer für Ultraschallabbildungssysteme können nun aktiv,
d. h. steuerbar durch Zuführen eines Umschaltsignals, oder
auch passiv, d. h. selbsttätig ohne Zuführen eines solchen Um
schaltsignals arbeitend, ausgebildet sein.
In der Regel bestehen Duplexer aus zwei Teilschaltungen. Die
erste Teilschaltung koppelt das Wandlerelement an den Sender
im Sendebetrieb und entkoppelt im Empfangsbetrieb das Wand
lerelement vom Sender. Zugleich ist diese erste Teilschaltung
auch zum Entkoppeln von Sender und Empfänger im Empfangs
betrieb vorgesehen. Die zweite Teilschaltung des Duplexers
koppelt das Wandlerelement an den Empfänger im Empfangs
betrieb und entkoppelt im Sendebetrieb das Wandlerelement vom
Empfänger. Ferner entkoppelt diese zweite Teilschaltung auch
den Empfänger vom Sender im Sendebetrieb. Die beiden Teil
schaltungen und das Wandlerelement sind an einem gemeinsamen
Schaltpunkt elektrisch miteinander verbunden.
Als erste Teilschaltung des Duplexers kann eine Antiparallel
schaltung von zwei p-n-Dioden, die jeweils zwischen das Wand
lerelement und den Sender geschaltet sind, eingesetzt werden.
Im Sendebetrieb wird dann lediglich die Pulshöhe der Sende
pulse um die vergleichsweise geringe Durchlaßspannung der
Dioden von üblicherweise 0,7 V verringert. Im Empfangsbetrieb
stellen die beiden Dioden nur eine kleine kapazitive Last
dar, denn die auftretenden Spannungen bei den Empfangssigna
len sind im allgemeinen deutlich kleiner als die Durchlaß
spannung der Dioden (US 5 271 403).
Aus der DE-A-33 01 967 ist ein Duplexer für ein Ultraschall
abbildungssystem mit einem linearen Ultraschallarray von
Wandlerelementen bekannt, der zwei besonders gestaltete Teil
schaltungen mit den vorstehend beschriebenen Funktionen auf
weist. Die erste Teilschaltung ("Senderschalter") besteht aus
einer pin-Diode als erstem Schalter, der zwischen Wandlerele
ment und Sender geschaltet ist, und einem weiteren Schalter,
der parallel zum Wandlerelement zwischen einen zwischen
erstem Schalter und Wandlerelement liegenden Schaltpunkt und
Masse geschaltet ist, zur besseren Sperrdämpfung. Bei der
zweiten Teilschaltung ist zwischen einen in CMOS-Technik ge
fertigten Schalter ("Empfängerschalter"), der mit einem TTL-
Logikpegel ansteuerbar ist und eine hohe Sperrdämpfung auf
weist, und das Wandlerelement eine Schaltung aus einem Wider
stand, einer bidirektionalen Transienten-Absorptions-Zener
diode zum Schutz des Empfängereingangs und einem Empfangs
verstärker geschaltet. Der Empfängerschalter ist mit dem
Empfängereingang verbunden.
Ein Problem bei diesem bekannten Duplexer sind die ver
gleichsweise hohen Leckkapazitäten gegen Masse und auch gegen
die Steuerleitungen. Mit diesen Leckkapazitäten geht jedoch
eine erhöhte Belastung der Wandlerelemente als Signalquellen
einher.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Duplexer
für ein Ultraschallabbildungssystem der eingangs genannten
Art anzugeben, der die genannten Schwierigkeiten im Stand der
Technik überwindet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merk
malen des Anspruchs 1. Der Duplexer umfaßt demnach Mittel zum
elektrischen Verbinden des Ultraschall-Wandlerelements mit
dem Sender im Sendebetrieb und zum elektrischen Entkoppeln
sowohl des Wandlerelements als auch des Empfängers vom Sender
im Empfangsbetrieb und weitere Mittel zum elektrischen Ver
binden des Wandlerelements mit dem Empfänger im Empfangs
betrieb und zum elektrischen Entkoppeln sowohl des Wandler
elements als auch Senders vom Empfänger im Sendebetrieb. Die
beiden Mittel sind mit dem Wandlerelement auf einen gemein
samen Schaltpunkt geschaltet. Die als zweites genannten Mit
tel zum elektrischen Verbinden des Wandlerelements mit dem
Empfänger im Empfangsbetrieb enthalten gemäß der Erfindung
einen Feldeffekttransistor, dessen Source-Drain-Strecke zwi
schen das Wandlerelement und den Empfänger geschaltet ist. Da
somit weder Source noch Drain an Masse geschlossen sind, wer
den die Leckkapazitäten unmittelbar gegen Masse weitgehend
vermieden. Außerdem ist mit Hilfe des Feldeffekttransistors
die elektrische Verbindung zwischen dem Wandlerelement und
dem Empfänger praktisch verlustleistungsfrei schaltbar.
Feldeffekttransistoren sind ferner mit einem Array von Wand
lerelementen integrierbar.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Duple
xers gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1
abhängigen Ansprüchen.
In einer ersten Weiterbildung des Duplexers ist das Gate des
Feldeffekttransistors über einen Vorwiderstand mit einer
Steuerspannungsquelle elektrisch verbunden zum Anlegen eines
Steuersignals an das Gate. Mit einem entsprechend gewählten
Steuersignal kann der Feldeffekttransistor im Sendebetrieb
auch bei steil ansteigenden oder abfallenden Pulsflanken der
Sendepulse und daraus resultierenden Verschiebeströmen im
sperrenden Zustand gehalten werden. Im Empfangsbetrieb wird
der Feldeffekttransistor dagegen durch ein entsprechend ge
wähltes Steuersignal in den leitenden Zustand für die
Empfangssignale gebracht. Da über den Vorwiderstand kein
Strom fließt, arbeiten die Mittel zum elektrischen Verbinden
von Wandlerelement und Empfänger im Empfangsbetrieb praktisch
verlustleistungsfrei.
In einer zweiten, besonders vorteilhaften Weiterbildung des
Duplexers ist ein Normally-off-Feldeffekttransistor vorge
sehen, dessen Gate und Source miteinander elektrisch kurzge
schlossen sind. Unter einem Normally-off-Feldeffekttransistor
wird dabei ein Feldeffekttransistor verstanden, dessen
Source-Drain-Widerstand bei einer Gatespannung UGS = 0 hoch
ohmig ist (geschlossener Kanal) und bei einer bestimmten
Gatespannung |UGS| < 0, deren Vorzeichen (= Polung) sich nach
dem Typ des Feldeffekttransistors (Verarmungs- oder Anreiche
rungstyp) sowie nach dem Leitungstyp des Kanals (n- oder p-
leitend) richtet, niederohmig ist (offener Kanal). Durch den
Kurzschluß von Gate und Source sind auch mögliche Leckkapazi
täten des Gate gegen Masse vermieden. Ein weiterer, besonde
rer Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, daß die Mit
tel zum elektrischen Verbinden von Wandlerelement und Empfän
ger im Empfangsbetrieb hier passiv ausgebildet sind und somit
kein Steuersignal zum Schalten zwischen Sende- und Empfangs
betrieb erforderlich ist. Der Feldeffekttransistor koppelt
die Empfangssignale des Wandlerelements in dieser Ausfüh
rungsform rein kapazitiv zum Empfänger, so daß auch praktisch
kein zusätzliches Rauschen zum Empfänger gelangt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in deren
Fig. 1 ein prinzipieller Aufbau eines Ultraschallabbildungs
systems mit einem Duplexer mit einem Feldeffekttransi
stor
Fig. 2 ein Duplexer mit einem von einer Spannungsquelle
steuerbaren Feldeffekttransistor,
Fig. 3 ein Duplexer mit einem passiv ausgebildeten Feld
effekttransistor und
Fig. 4 ein Duplexer mit zwei Feldeffekttransistoren für bi
polare Sendepulse
jeweils schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
jeweils schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein Ultraschallabbildungssystem zum Abbilden
eines nicht dargestellten Objekts mit Ultraschall dargestellt
mit wenigstens einem Ultraschall-Wandlerelement T, einem Sen
der 3 zum Ansteuern des Wandlerelements T mit Sendepulsen in
einem Sendebetrieb, einem Empfänger 4 zum Auslesen der
Empfangssignale des Wandlerelements T in einem Empfangs
betrieb und einem Duplexer 2 zum wahlweisen elektrischen Ver
binden des Wandlerelements T mit dem Sender 3 im Sendebetrieb
oder dem Empfänger 4 im Empfangsbetrieb des Ultraschallabbil
dungssystems.
Im Sendebetrieb wird das Objekt mit Ultraschallpulsen des we
nigstens einen Wandlerelements T beschallt. Der Sender 3 sen
det dazu im Sendebetrieb des Ultraschallabbildungssystems
Sendepulse zum Ansteuern des Wandlerelements T, die derart
beschaffen sind, daß das Wandlerelement T zu Ultraschall
schwingungen angeregt wird. Die Einschaltdauer eines einzel
nen Sendepulses kann dabei im allgemeinen zwischen 50 ns und
500 ns und vorzugsweise um etwa 150 ns gewählt werden, und
die Pulshöhe (Amplitude) der Sendepulse zwischen 50 und
150 V.
Als Wandlerelement T kann ein beliebiges piezoelektrisches
Wandlerelement vorgesehen werden, vorzugsweise jedoch ein
piezokeramisches Element. Das Wandlerelement T ist vorzugs
weise Teil eines nicht dargestellten Ultraschallarrays mit
mehreren Wandlerelementen. Das Array kann ein lineares oder
auch ein zweidimensionales, beispielsweise matrixförmiges
Array sein. Solche Arrays sind im allgemeinen in einem Sub
strat durch Mikrostrukturierung integriert. Jedem Wandler
element des Arrays ist dann jeweils ein Duplexer zugeordnet,
der vorzugsweise mit dem Array in dem Substrat integriert
ist. Alle Wandlerelemente des Arrays werden phasenverzögert
von dem Sender angesteuert zum Erzeugen eines gerichteten und
vorzugsweise fokussierbaren Ultraschallstrahls, der auf das
Objekt gerichtet wird (elektronischer Scan). Bei einem ein
zelnen Wandlerelement T wird das Objekt dagegen mechanisch
abgetastet durch Bewegen des Wandlerelements T (mechanischer
Scan).
Im Empfangsbetrieb des Ultraschallabbildungssystems werden
die vom Objekt zum Wandlerelement T bzw. den Wandlerelementen
T zurückreflektierten Ultraschallsignale in dem bzw. den
Wandlerelementen T in elektrische Empfangssignale umgewandelt
und diese Empfangssignale vom Duplexer bzw. den Duplexern 2
jeweils auf einen Eingang des Empfängers 4 geschaltet. Im
Empfänger 4 werden die Empfangssignale vorzugsweise erst ver
stärkt und dann einer Signalauswertung zum Auswerten der
Bildinformationen über das Objekt zugeleitet.
Im Duplexer 2 sind Mittel 20 zum elektrischen Verbinden des
Wandlerelements T mit dem Empfänger 4 im Empfangsbetrieb und
zum elektrischen Entkoppeln sowohl des Wandlerelements T als
auch des Senders 3 vom Empfänger 4 im Sendebetrieb und Mittel
21 zum elektrischen Verbinden des Wandlerelements T mit dem
Sender 3 im Sendebetrieb und zum elektrischen Entkoppeln so
wohl des Wandlerelements T als auch des Empfängers 4 vom Sen
der 3 im Empfangsbetrieb vorgesehen. Die Mittel 20 und 21
sind über einen gemeinsamen Schaltpunkt 22 elektrisch mit dem
Wandlerelement T verbunden.
Die Mittel 20 zum Verbinden des Wandlerelements T mit dem
Empfänger 4 enthalten einen Feldeffekttransistor 8 mit einer
Source S, einer Drain D und einem Gate G. Die Source S und
die Drain D sind zwischen den Empfänger 4 und das Wandler
element T geschaltet. Damit ist der zwischen Source S und
Drain D liegende elektrische Widerstand, der auch kurz als
Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors 8 bezeichnet
wird, zwischen das Wandlerelement T und den Empfänger 4 ge
schaltet.
In Abhängigkeit von der Polarität der Sendepulse und dem Lei
tungstyp (n-Kanal oder p-Kanal) des verwendeten Feldeffekt
transistors 8 können dabei entweder die Source S mit einem
Eingang des Empfängers 4 und die Drain D mit dem Wandlerele
ment T oder die Drain D mit dem Empfänger 4 und die Source S
mit dem Wandlerelement T elektrisch verbunden sein. Insbeson
dere zwischen Feldeffekttransistor 8 und Empfänger 4 können
gegebenenfalls noch weitere Schaltelemente geschaltet werden.
Als Feldeffekttransistor 8 kann ein handelsüblicher MOSFET
mit kleiner Leistung verwendet werden.
Das Gate G des Feldeffekttransistors kann entweder über einen
Vorwiderstand an eine Steuerspannungsquelle angeschlossen
(Fig. 2) oder mit der Source S kurzgeschlossen (Fig. 3) sein.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist das Gate G des Feld
effekttransistors 8 über einen mit RG bezeichneten Vorwider
stand an eine Spannungsquelle 7 angeschlossen. Die Spannungs
quelle 7 versorgt das Gate G im Sendebetrieb mit einer
Steuerspannung UGS, die derart gewählt ist, daß der Feld
effekttransistor 8 gegenüber den Sendepulsen des Senders 3
sperrt. Vorzugsweise wird die Steuerspannung UGS dazu so ein
gestellt, daß der Feldeffekttransistor 8 auch bei steil an
steigenden Sendepulsflanken nicht aufgrund des Einflusses der
Kapazität CGD zwischen Gate G und Drain D in seinen lei
tenden Zustand übergeht. Bei der dargestellten Ausführungs
form mit einem Normally-off-n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET ist
die Steuerspannung UGS dann so einzustellen, daß das Gate
potential negativ gegenüber dem Sourcepotential ist. Ein
typischer Wert für die Steuerspannung UGS ist -10 V. Bei
einem Normally-on-Feldeffekttransistor ist die Steuerspannung
entsprechend anzupassen. Ein ausreichend negatives Gate
potential gegenüber dem Sourcepotential gewährleistet, daß
sich auch während der steil ansteigenden Sendepulsflanke das
Gate G nicht über die Kapazität CDG zwischen Drain D und Gate
G positiv gegenüber der Source S auf lädt. Dies ist wegen
einer im allgemeinen deutlich größer als die Drain-Gate-
Kapazität CDG gewählten Gate-Source-Kapazität CGS bei norma
lerweise auftretenden Sendepulsflanken immer erfüllt.
Die Kapazität CGS zwischen Gate G und Source S kann jedoch
durch eine nicht dargestellte, parallel zur Kapazität CGS ge
schaltete Zusatzkapazität zusätzlich erhöht werden, um auch
bei extrem steil ansteigenden Sendepulsflanken den Feld
effekttransistor 8 in seinem sperrenden Zustand im Sende
betrieb zu halten.
Im Empfangsbetrieb erzeugt die Spannungsquelle 7 eine Steuer
spannung UGS an dem Gate G des Feldeffekttransistor 8, die so
gewählt ist, daß der Feldeffekttransistor 8 in seinen leiten
den , d. h. eingeschalteten, Zustand gebracht wird, um den
Feldeffekttransistor 8 durchlässig für die Empfangssignale
des Wandlerelements T zu machen. In der dargestellten Ausfüh
rungsform wird das Gatepotential dazu positiv, beispielsweise
etwa +5 bis +10 V höher als das Sourcepotential eingestellt.
Der Vorwiderstand RG wird vorzugsweise hochohmig gewählt,
beispielsweise zwischen 20 und 200 kΩ, um das Wandlerelement
T von dem Einfluß der Kapazitäten CDG und CGS zwischen Drain
D und Gate G bzw. Gate G und Source S zu entlasten. Da der
Vorwiderstand RG in jedem Fall praktisch nicht von einem
Strom durchflossen wird, entsteht an dem Vorwiderstand RG
keine Verlustleistung.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist das Gate G des Feld
effekttransistors 8 mit dessen Source S unmittelbar elek
trisch verbunden, also kurzgeschlossen. Als Feldeffekttran
sistor 8 wird ein Normally-off-Feldeffekttransistor 8 ver
wendet, der infolge des Kurzschlusses von Source S und Gate
G, was den Source-Drain-Widerstand anbetrifft, ausgeschaltet
ist. Der Source-Drain-Widerstand ist dabei sehr hochohmig,
typischerweise im Bereich einiger GΩ. In dieser Ausführungs
form mit kurzgeschlossenen Gate G und Source S wird die Ab
hängigkeit der Kapazität CDS zwischen Drain D und Source S
von der zwischen Drain D und Source S anliegenden Spannung
UDS, die zugleich auch zwischen Gate G und Source S anliegt,
in vorteilhafter Weise ausgenutzt. Diese Kapazität CDS ist
nämlich um ein Vielfaches, typischerweise das 20 bis 30fache,
größer, wenn Drain D und Source S auf gleichem Potential
liegen, d. h. UDS = 0 V, als bei an der Source-Drain-Strecke
anliegenden Sendepuls mit einer Spannung UDS von
typischerweise 150 V. Im Sendebetrieb können daher aufgrund
der vergleichsweise kleinen Kapazität CDS nur geringe
Verschiebeströme den Feldeffekttransistor 8 passieren. Im
Empfangsbetrieb dagegen wirkt der Feldeffekttransistor 8
wegen der sehr viel höheren Kapazität CDS wie eine Koppel
kapazität, so daß die Empfangssignale des Wandlerelements T
rein kapazitiv durchgekoppelt werden können mit nur geringen
Verlusten. Dadurch wird auch praktisch kein zusätzliches Rau
schen in den Empfänger 4 eingekoppelt. Der Feldeffekttransi
stor 8 funktioniert somit in dieser Ausführungsform wie eine
hochspannungsfeste, rein passiv arbeitende Kapazitätsdiode.
Bei allen Ausführungsformen ist vorzugsweise ein Feldeffekt
transistor 8 vorgesehen, dessen Impedanz ZSD zwischen Source
S und Drain D im eingeschalteten Zustand betragsmäßig kleiner
und vorzugsweise deutlich kleiner ist als die Eingangsimpe
danz des Empfängers 4. Die Abschwächung der Empfangssignale
des Wandlerelements T wird dadurch gering gehalten.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist zusätzlich
die Impedanz ZSD zwischen Source S und Drain D im ausgeschal
teten, d. h. sperrenden, Zustand des Feldeffekttransistors 8
auch größer als die Impedanz des Wandlerelements T, um die
Leistungsverluste im Sendebetrieb zu verringern. Bei zweidi
mensionalen Arrays von Wandlerelementen T wird deren Impedanz
im allgemeinen durch eine Parallelschaltung von etwa 5 kΩ
und etwa 2 pF gebildet. Eine daran angepaßte Impedanz ZSD
zwischen Source S und Drain D des Feldeffekttransistors 8
ergibt sich dann beispielsweise, indem man einen Feldeffekt
transistor 8 wählt mit einem ohmschen Widerstand zwischen
Source S und Drain D, der zwischen etwa 5 Ω und etwa 50 Ω
und vorzugsweise um etwa 12 Ω im eingeschalteten Zustand
liegt und hochohmig, beispielsweise einige GΩ, ist im ausge
schalteten Zustand und mit entsprechend großen Kapazitäten
zwischen jeweils zwei der Elektroden Gate G, Source S und
Drain D. Mögliche Werte für diese Kapazitäten sind: 3,5 pF
für die Kapazität CDS zwischen Source S und Drain D bei UDS =
25 V bzw. 80 pF bei UDS = 0 V, 2,5 pF für die Kapazität CDG
zwischen Drain D und Gate G sowie 17,5 pF für die Kapazität
CGS zwischen Gate G und Source S bei einem steuerbaren
Feldeffekttransistor 8.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des Duplexers ge
zeigt, bei der zusätzlich zu dem einen Feldeffekttransistor 8
ein weiterer Feldeffekttransistor 8′ vorgesehen ist. Es sind
die Drains D und D′ der beiden Feldeffekttransistoren 8 und
8′ miteinander und die Source S des ersten Feldeffekttransi
stors 8 mit dem Wandlerelement T sowie die Source S′ des
zweiten Feldeffekttransistors 8′ mit dem Empfänger 4 elek
trisch verbunden. Durch diese Maßnahme können auch bipolare
Sendepulse mit positiven und negativen Anteilen wirksam vom
Empfänger 4 ferngehalten werden. Bei einem anderen als dem
dargestellten Transistortyp kann es erforderlich sein, die
Feldeffekttransistoren 8 und 8′ umgekehrt zu verschalten,
d. h. die Source S mit der Source S′ zu verbinden und die
Drain D und D′ mit dem Wandlerelement T bzw. dem Empfänger 4
zu verbinden. Auch können sowohl die dargestellten Ausfüh
rungsformen mit kurzgeschlossenen Gate G bzw. G′ und Source S
bzw. S′ als auch Feldeffekttransistoren 8 und 8′ in einer
steuerbaren Ausführungsform gemäß Fig. 2 vorgesehen sein.
Vorzugsweise wird zwischen die beiden Feldeffekttransistoren
8 und 8′ ein - nicht dargestellter - Ableitwiderstand gegen
Masse geschaltet als Strompfad zum Ableiten von zwischen den
Feldeffekttransistoren 8 und 8′ angesammelten Ladungen.
Außerdem ist in Fig. 4 ein bipolarer Transistor 11 als Teil
des Empfängers 4 dargestellt, der als Vorverstärker vorge
sehen ist. Diesem Transistor 11 ist eine zu der von Basis und
Emitter des Transistors 11 gebildeten Diode antiparallel ge
schaltete zusätzliche Diode 12 zugeordnet zum Schutz des
Transistors 11 vor möglichen Restströmen im Sendebetrieb, die
den Feldeffekttransistor 8 oder die Feldeffekttransistoren 8
und 8′ wegen deren Restkapazitäten zwischen Wandlerelement T
und Empfänger 4 noch passieren. Die Diode 12 stellt im
Empfangsbetrieb eine weitgehend vernachlässigbare kapazitive
Last dar, denn durch die angegebene Verschaltung ist die
Diode 12 in ihrer Sperrichtung leicht vorgespannt, wodurch
die Kapazität ihrer Sperrschicht reduziert wird. Zusätzlich
kann ein parallel zur Diode 12 geschalteter Widerstand 13
vorgesehen sein zur Festlegung des Potentials der Source S
des Feldeffekttransistors 8 und des Basispotentials des
bipolaren Transistors 11. Eine solche Schutzschaltung mit der
dem Vorverstärker zugeordneten Diode kann auch bei allen
anderen Ausführungsformen vorgesehen sein.
Schließlich ist in Fig. 4 auch noch eine Ausführungsform der
Mittel 21 zum Verbinden von Sender 3 und Wandlerelement T im
Sendebetrieb und elektrischen Entkoppeln sowohl des Wandler
elements T als auch des Empfängers 4 vom Sender 3 im
Empfangsbetrieb dargestellt. Die Mittel 21 umfassen eine
Antiparallelschaltung von zwei Dioden 15 und 16, die zwischen
Sender 3 und Wandlerelement T geschaltet ist. Anstelle einer
der oder beider Dioden 15 und 16 kann auch jeweils eine
Serienschaltung von wenigstens zwei Dioden vorgesehen sein,
wobei diese beiden Serienschaltungen wieder antiparallel ge
schaltet sind. Damit erreicht man eine geringere kapazitive
Belastung des Wandlerelements T durch die Mittel 21.
Ferner können als Mittel 21 auch aktive, d. h. steuerbare,
integrierte Schaltkreise mit CMOS-Schaltern vorgesehen sein,
die beispielsweise aus Tietze und Schenk, "Halbleiter-Schal
tungstechnik", 9. Auflage, Springer-Verlag, 1990, Seite 217
bekannt sind.
Prinzipiell können sowohl die beschriebenen als auch andere
geeignete Ausführungsformen der Mittel 21 in allen Ausfüh
rungsformen des Duplexers eingesetzt werden.
Claims (15)
1. Duplexer (2)
- a) zum elektrischen Verbinden eines Ultraschall-Wandlerele ments (T) mit wahlweise einem Sender (3) zum Ansteuern des Wandlerelements (T) mit Sendepulsen in einem Sendebetrieb oder einem Empfänger (4) zum Auslesen von Empfangssignalen des Wandlerelements (T) in einem Empfangsbetrieb
mit
- b) Mitteln (20) zum elektrischen Verbinden von Wandlerelement (T) und Empfänger (4) im Empfangsbetrieb und zum elektri schen Entkoppeln sowohl des Wandlerelements (T) als auch des Senders (3) vom Empfänger (4) im Sendebetrieb
und
- c) Mitteln (21) zum elektrischen Verbinden von Wandlerelement (T) und Sender (3) im Sendebetrieb und zum elektrischen Entkoppeln sowohl des Wandlerelements (T) als auch des Empfängers (4) vom Sender (3) im Empfangsbetrieb,
wobei
- d) die beiden Mittel (20, 21) zum elektrischen Verbinden von Wandlerelement (T) und Empfänger (4) bzw. Sender (3) und das Wandlerelement (T) an einem gemeinsamen Schaltpunkt (22) elektrisch miteinander verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
- e) die Mittel (20) zum elektrischen Verbinden von Wandlerele ment (T) und Empfänger (4) im Empfangsbetrieb und zum elektrischen Entkoppeln sowohl des Wandlerelements (T) als auch des Senders (3) vom Empfänger (4) im Sendebetrieb einen Feldeffekttransistor (8) enthalten, dessen Source- Drain-Strecke zwischen das Wandlerelement (T) und den Empfänger (4) geschaltet ist.
2. Duplexer nach Anspruch 1, bei dem die Mittel (20) zum
elektrischen Verbinden von Wandlerelement (T) und Empfänger
(4) im Empfangsbetrieb ferner eine Spannungsquelle (7) zum
Anlegen einer Steuerspannung an ein Gate (G) des Feldeffekt
transistors (8) enthalten, um den Feldeffekttransistor (8) im
Sendebetrieb in den sperrenden und im Empfangsbetrieb in den
leitenden Zustand zu bringen.
3. Duplexer nach Anspruch 2, bei dem zwischen Spannungsquelle
(7) und Gate (G) ein Vorwiderstand (RG) geschaltet ist.
4. Duplexer nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem parallel
zu der von Gate (G) und einer Source (S) des Feldeffekttran
sistors (8) gebildeten Kapazität eine Zusatzkapazität ge
schaltet ist.
5. Duplexer nach Anspruch 1, bei dem ein Normally-off-Feld
effekttransistor (8) vorgesehen ist und ein Gate (G) und die
Source (S) dieses Normally-off-Feldeffekttransistors (8)
elektrisch kurzgeschlossen sind.
6. Duplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
die Mittel (20) zum elektrischen Verbinden von Wandlerelement
(T) und Empfänger (4) im Empfangsbetrieb ferner enthalten
- a) einen bipolaren Transistor (11), dessen Basis mit der
Source (S) oder der Drain (D) des Feldeffekttransistors
(8) elektrisch verbunden ist
und - b) eine Diode (12), die antiparallel zu der von Basis und Emitter des bipolaren Transistors (11) gebildeten Diode geschaltet ist.
7. Duplexer nach Anspruch 6, bei dem der bipolare Transistor
(11) zumindest ein Teil eines Vorverstärkers des Empfängers
(4) ist.
8. Duplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
die Mittel (20) zum elektrischen Verbinden von Wandlerelement
(T) und Empfänger (4) im Empfangsbetrieb einen weiteren
Feldeffekttransistor (8′) enthalten, der mit dem ersten
Feldeffekttransistor (8) in Reihe geschaltet ist, wobei
entweder die Drains (D, D′) oder die Sources (S, S′) der beiden
Feldeffekttransistoren (8, 8′) miteinander elektrisch verbun
den sind.
9. Duplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
der eine bzw. beide Feldeffekttransistoren (8 bzw. 8 und 8′)
im eingeschalteten Zustand zwischen Source (S) und Drain (D)
eine Source-Drain-Impedanz (ZSD) aufweisen, die jeweils klei
ner ist als die Eingangsimpedanz des Empfängers (4).
10. Duplexer nach Anspruch 9, bei dem die Source-Drain-Impe
danz (ZSD) des bzw. der Feldeffekttransistoren (8 bzw. 8 und
8′) größer ist als die Impedanz des Wandlerelements (T).
11. Duplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Teil
eines Ultraschallabbildungssystem mit einem Ultraschallarray
von Wandlerelementen (T).
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