DE19514307A1

DE19514307A1 - Duplexer für ein Ultraschallabbildungssystem

Info

Publication number: DE19514307A1
Application number: DE19514307A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dipl Ing Dr Oppelt; Markus Dipl Ing Vester
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-05-19
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 1995-11-23
Also published as: US5603324A

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 U_GS = 0 hoch ohmig ist (geschlossener Kanal) und bei einer bestimmten Gatespannung |U_GS| < 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.

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 U_GS, die derart gewählt ist, daß der Feld effekttransistor 8 gegenüber den Sendepulsen des Senders 3 sperrt. Vorzugsweise wird die Steuerspannung U_GS dazu so ein gestellt, daß der Feldeffekttransistor 8 auch bei steil an steigenden Sendepulsflanken nicht aufgrund des Einflusses der Kapazität C_GD 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 U_GS dann so einzustellen, daß das Gate potential negativ gegenüber dem Sourcepotential ist. Ein typischer Wert für die Steuerspannung U_GS 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 C_DG 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 C_DG gewählten Gate-Source-Kapazität C_GS bei norma lerweise auftretenden Sendepulsflanken immer erfüllt.

Die Kapazität C_GS zwischen Gate G und Source S kann jedoch durch eine nicht dargestellte, parallel zur Kapazität C_GS 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 U_GS 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 C_DG und C_GS 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 C_DS zwischen Drain D und Source S von der zwischen Drain D und Source S anliegenden Spannung U_DS, die zugleich auch zwischen Gate G und Source S anliegt, in vorteilhafter Weise ausgenutzt. Diese Kapazität C_DS ist nämlich um ein Vielfaches, typischerweise das 20 bis 30fache, größer, wenn Drain D und Source S auf gleichem Potential liegen, d. h. U_DS = 0 V, als bei an der Source-Drain-Strecke anliegenden Sendepuls mit einer Spannung U_DS von typischerweise 150 V. Im Sendebetrieb können daher aufgrund der vergleichsweise kleinen Kapazität C_DS nur geringe Verschiebeströme den Feldeffekttransistor 8 passieren. Im Empfangsbetrieb dagegen wirkt der Feldeffekttransistor 8 wegen der sehr viel höheren Kapazität C_DS 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 Z_SD 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 Z_SD 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 Z_SD 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 C_DS zwischen Source S und Drain D bei U_DS = 25 V bzw. 80 pF bei U_DS = 0 V, 2,5 pF für die Kapazität C_DG zwischen Drain D und Gate G sowie 17,5 pF für die Kapazität C_GS 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

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 (Z_SD) aufweisen, die jeweils klei ner ist als die Eingangsimpedanz des Empfängers (4).

10. Duplexer nach Anspruch 9, bei dem die Source-Drain-Impe danz (Z_SD) 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).