ES2879688T3 - Amplificador de transimpedancia para dispositivo de ultrasonidos y aparatos y métodos relacionados - Google Patents

Amplificador de transimpedancia para dispositivo de ultrasonidos y aparatos y métodos relacionados Download PDF

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Abstract

Aparato (100) de ultrasonidos, que comprende: un sensor (102a - 102n) de ultrasonidos; un amplificador (112a; 300) de transimpedancia, TIA, de corriente variable, acoplado al sensor (102a - 102n) de ultrasonidos y configurado para recibir y amplificar una señal de salida procedente del sensor (102a - 102n) de ultrasonidos, teniendo el TIA (112a; 300) de corriente variable una fuente de corriente variable, siendo el TIA de corriente variable un amplificador operacional de dos etapas que tiene una primera etapa (202; 306) y una segunda etapa (204; 308), en el que la fuente (112a; 300) de corriente variable incluye una primera fuente (203; 321) de corriente variable acoplada a la primera etapa (202; 306) y una segunda fuente (205; 325) de corriente variable acoplada a la segunda etapa (204; 308); en el que la primera etapa (202; 306) está dispuesta para recibir la señal de salida procedente del sensor (102a - 102n) de ultrasonidos y la segunda etapa (204; 308) está dispuesta para proporcionar una señal de salida del TIA (112a; 300) de corriente variable; y en el que la primera fuente (203; 321) de corriente variable comprende dos o más fuentes (322a, 322b, 322c) de corriente conectadas en paralelo y al menos una de las dos o más fuentes (322a, 322b, 322c) de corriente está acoplada a la primera etapa (202; 306) a través de un interruptor.

Description

DESCRIPCIÓN
Amplificador de transimpedancia para dispositivo de ultrasonidos y aparatos y métodos relacionados
Antecedentes
Campo
La presente solicitud se refiere a dispositivos de ultrasonidos que tienen un amplificador para amplificar señales de ultrasonidos recibidas.
Técnica relacionada
Las sondas de ultrasonidos incluyen a menudo uno o más sensores de ultrasonidos que detectan señales de ultrasonidos y producen señales eléctricas correspondientes. Las señales eléctricas se procesan en el dominio analógico o digital. En ocasiones, se generan imágenes de ultrasonidos a partir de las señales eléctricas procesadas. El documento FR 2726408 A1 se refiere a un amplificador que tiene una primera etapa de amplificación de entrada que suministra una tensión de control a una etapa de salida. La etapa de salida incluye un segundo amplificador de transconductancia que excita el electrodo de compuerta de un transistor de salida que se alimenta desde una fuente de corriente variable controlada. El punto de trabajo del transistor de salida se establece por una fuente de polarización de corriente constante en la salida del amplificador adicional. Un condensador paralelo y un resistor conectan el electrodo de drenaje del transistor de salida a la entrada y la salida respectivamente del amplificador adicional. La carga se suministra desde el electrodo de drenaje.
Breve sumario
La presente invención proporciona un aparato de ultrasonidos según la reivindicación 1.
La presente invención también proporciona un método según la reivindicación 7.
Breve descripción de los dibujos
Diversos aspectos y realizaciones de la solicitud se describirán con referencia a las siguientes figuras. Debe apreciarse que las figuras no están dibujadas necesariamente a escala. Los elementos que aparecen en múltiples figuras se indican mediante el mismo número de referencia en todas las figuras en las que aparecen.
La figura 1 es un diagrama de bloques de un dispositivo de ultrasonidos que incluye un amplificador para amplificar una señal de ultrasonidos, según una realización no limitativa de la presente solicitud.
La figura 2 ilustra el amplificador de la figura 1 con más detalle, acoplado al transductor de ultrasonidos y al circuito promediador de la figura 1, según una realización no limitativa de la presente solicitud.
La figura 3A es un diagrama de circuito que ilustra una implementación del amplificador de la figura 2, según una realización no limitativa de la presente solicitud.
La figura 3B es un diagrama de circuito de una implementación de un circuito de impedancia variable de la figura 3A, según una realización no limitativa de la presente solicitud.
La figura 3C es un diagrama de circuito de una implementación de otro circuito de impedancia variable de la figura 3A, según una realización no limitativa de la presente solicitud.
La figura 4 es un gráfico que ilustra el comportamiento de dos fuentes de corriente variable de un amplificador durante un periodo de adquisición, tal como puede implementarse por el amplificador de las figuras 2 y 3A, según una realización no limitativa de la presente solicitud.
La figura 5 es un gráfico que ilustra una señal eléctrica que representa una señal de ultrasonidos, y un umbral mínimo de ruido de un amplificador durante un periodo de adquisición, según una realización no limitativa de la presente solicitud.
Descripción detallada
Aspectos de la presente solicitud se refieren a un conjunto de circuitos de amplificación para un dispositivo de ultrasonidos. Un dispositivo de ultrasonidos puede incluir uno o más transductores de ultrasonidos configurados para recibir señales de ultrasonidos y producir señales de salida eléctricas. Por tanto, los transductores de ultrasonidos pueden hacerse funcionar como sensores de ultrasonidos. El dispositivo de ultrasonidos puede incluir uno o más amplificadores para amplificar las señales de salida eléctricas. La potencia consumida por, el ruido generado por y la calidad de amplificación de señal lineal proporcionada por el amplificador pueden depender de una cantidad de corriente consumida por el amplificador. El amplificador tiene una fuente de corriente variable. La fuente de corriente variable se ajusta durante la adquisición de una señal de ultrasonidos para mantener el nivel de ruido del amplificador por debajo del nivel de señal y para mantener la amplificación lineal, mientras que al mismo tiempo se reduce la cantidad de potencia consumida por el amplificador. El amplificador es un TIA.
Los aspectos y realizaciones descritos anteriormente, así como aspectos y realizaciones adicionales, se describen adicionalmente a continuación. Estos aspectos y/o realizaciones pueden usarse de manera individual, todos juntos o en cualquier combinación de dos o más, puesto que la solicitud no está limitada a este respecto.
La figura 1 ilustra un circuito para procesar señales de ultrasonidos recibidas, según una realización no limitativa de la presente solicitud. El circuito 100 incluye N transductores 102a... 102n de ultrasonidos, en el que N es un número entero. En algunas realizaciones los transductores de ultrasonidos son sensores, que producen señales eléctricas que representan señales de ultrasonidos recibidas. Los transductores de ultrasonidos también puede transmitir señales de ultrasonidos en algunas realizaciones. Los transductores de ultrasonidos pueden ser transductores de ultrasonidos micromecanizados capacitivos (CMUT) en algunas realizaciones. Los transductores de ultrasonidos pueden ser transductores de ultrasonidos micromecanizados piezoeléctricos (PMUT) en algunas realizaciones. En otras realizaciones pueden usarse tipos alternativos adicionales de transductores de ultrasonidos.
El circuito 100 comprende además N canales 104a... 104n de conjunto de circuitos. Los canales de conjunto de circuitos pueden corresponder a un transductor 102a... 102n de ultrasonidos respectivo. Por ejemplo, puede haber ocho transductores 102a... 102n de ultrasonidos y ocho canales 104a... 104n de conjunto de circuitos correspondientes. En algunas realizaciones, el número de transductores 102a... 102n de ultrasonidos puede ser mayor que el número de canales de conjunto de circuitos.
Los canales 104a... 104n de conjunto de circuitos pueden incluir un conjunto de circuitos de transmisión, un conjunto de circuitos de recepción o ambos. El conjunto de circuitos de transmisión puede incluir descodificadores 106a... 106n de transmisión acoplados a generadores 108a... 108n de impulsos respectivos. Los generadores 108a... 108n de impulsos pueden controlar los transductores 102a... 102n de ultrasonidos respectivos para emitir señales de ultrasonidos.
El conjunto de circuitos de recepción de los canales 104a... 104n de conjunto de circuitos puede recibir las señales eléctricas a las que se ha dado salida desde transductores 102a... 102n de ultrasonidos respectivos. En el ejemplo ilustrado, cada canal 104a... 104n de conjunto de circuitos incluye un interruptor 110a... 110n de recepción respectivo y un amplificador 112a... 112n. Los interruptores 110a... 110n de recepción pueden controlarse para activar/desactivar la lectura de una señal eléctrica procedente de un transductor 102a... 102n de ultrasonidos dado. Más generalmente, los interruptores 110a... 110n de recepción pueden ser circuitos de recepción, dado que pueden emplearse alternativas a un interruptor para realizar la misma función. Los amplificadores 112a... 112n, así como el amplificador 300 de la figura 3 (descrito a continuación), pueden ser TIA en algunas realizaciones. Uno o más de los amplificadores 112a...
112n pueden ser amplificadores de corriente variable. Tal como se describirá adicionalmente a continuación, la corriente de los amplificadores puede hacerse variar durante un periodo de adquisición, ajustando por tanto el consumo de potencia, el nivel de ruido y la linealidad de los amplificadores. Los amplificadores 112a... 112n pueden dar salida a señales analógicas.
El circuito 100 comprende además un circuito 114 promediador, que también se denomina en el presente documento sumador o amplificador sumador. En algunas realizaciones, el circuito 114 promediador es un circuito intermedio o un amplificador. El circuito 114 promediador puede recibir señales de salida desde uno o más de los amplificadores 112a... 112n y puede proporcionar una señal de salida promediada. La señal de salida promediada puede formarse en parte sumando o restando las señales procedentes de los diversos amplificadores 112a... 112n. El circuito 114 promediador puede incluir una resistencia de realimentación variable. El valor de la resistencia de realimentación variable puede ajustarse dinámicamente basándose en el número de amplificadores 112a... 112n desde los que el circuito promediador recibe señales. En algunas realizaciones, la resistencia variable puede incluir N parámetros de resistencia. Es decir, la resistencia variable puede tener varios ajustes de resistencia correspondientes al número de canales 104a... 104n de conjunto de circuitos. Por tanto, la señal de salida promedio también puede formarse en parte mediante la aplicación de la resistencia seleccionada a la señal combinada recibida en las entradas del circuito 114 promediador.
El circuito 114 promediador está acoplado a un bloque 116 de puesta a cero automática. El bloque 116 de puesta a cero automática está acoplado a un amplificador 118 de ganancia programable que incluye un atenuador 120 y un amplificador 122 de ganancia fija. El amplificador 118 de ganancia programable está acoplado a un ADC 126 mediante excitadores 124 de ADC. En el ejemplo ilustrado, los excitadores 124 de ADC incluyen un primer excitador 125a de ADC y un segundo excitador 125b de ADC. El ADC 126 digitaliza la(s) señal(es) procedente(s) del circuito 114 promediador.
Aunque la figura 1 ilustra varios componentes como parte de un circuito de un dispositivo de ultrasonidos, debe apreciarse que los diversos aspectos descritos en el presente documento no están limitados a los componentes o la configuración de componentes exactos ilustrados. Por ejemplo, aspectos de la presente solicitud se refieren a los amplificadores 112a... 112n, y los componentes ilustrados aguas abajo de esos amplificadores en el circuito 100 son opcionales en algunas realizaciones.
Los componentes de la figura 1 pueden estar ubicados en un único sustrato o en diferentes sustratos. Por ejemplo, tal como se ilustra, los transductores 102a... 102n de ultrasonidos pueden estar en un primer sustrato 128a y los restantes componentes ilustrados pueden estar en un segundo sustrato 128b. El primer y/o el segundo sustratos pueden ser sustratos de semiconductor, tales como sustratos de silicio. En una realización alternativa, los componentes de la figura 1 pueden estar en un único sustrato. Por ejemplo, los transductores 102a... 102n de ultrasonidos y el conjunto de circuitos ilustrado pueden integrarse de manera monolítica en el mismo dado de semiconductor. Tal integración puede facilitarse usando CMUT como transductores de ultrasonidos.
Según una realización, los componentes de la figura 1 forman parte de una sonda de ultrasonidos. La sonda de ultrasonidos puede ser portátil. En algunas realizaciones, los componentes de la figura 1 forman parte de un parche de ultrasonidos configurado para que lo lleve puesto un paciente.
La figura 2 ilustra un ejemplo no limitativo del amplificador 112a de la figura 1 con más detalle. La misma configuración puede usarse para los demás amplificadores 112n de la figura 1. Por motivos de contexto, también se ilustran el transductor 102a de ultrasonidos y el circuito 114 promediador, mientras que por motivos de simplicidad se omite el interruptor 110a de recepción.
En esta realización no limitativa, el amplificador 112a está implementado como amplificador operacional (“op-amp” para abreviar) de dos etapas. La primera etapa 202 está acoplada al transductor 102a de ultrasonidos. La segunda etapa 204 está acoplada entre la primera etapa 202 y el circuito 114 promediador. La segunda etapa 204 proporciona la señal de salida del amplificador 112a, en este ejemplo no limitativo.
La primera etapa 202 y la segunda etapa 204 tienen, cada una, una fuente de corriente variable. La fuente 203 de corriente variable se proporciona para la primera etapa 202 y absorbe una corriente I1. La fuente 205 de corriente variable se proporciona para la segunda etapa 204 y absorbe una corriente I2. Aunque las fuentes 203 y 205 de corriente variable se ilustran como diferenciadas con respecto a las etapas 202 y 204 respectivas, pueden considerarse parte de las etapas respectivas.
Con una estructura de amplificador de dos etapas tal como se muestra en la figura 2, el ruido y la linealidad de la señal amplificada pueden controlarse de manera independiente. El ruido del amplificador 112a se ve afectado principalmente por la primera etapa 202. La linealidad del amplificador 112a se ve afectada principalmente por la segunda etapa 204. Más generalmente, lo mismo puede ser cierto para un amplificador multietapa que tiene dos o más etapas, de tal manera que el ruido del amplificador se ve afectado principalmente por la primera etapa y la linealidad del amplificador se ve afectada principalmente por la última etapa. El solicitante ha observado que, durante la adquisición de una señal de ultrasonidos, denominado en el presente documento periodo de adquisición, la importancia del ruido y la linealidad de la señal amplificada puede variar. Cuando se recibe inicialmente la señal de ultrasonidos, al principio del periodo de adquisición y de manera correspondiente a profundidades reducidas cuando la señal de ultrasonidos es una señal reflejada, el ruido asociado será relativamente bajo en comparación con la amplitud de señal recibida, pero la linealidad de la señal amplificada puede tener una importancia relativamente alta. Sin embargo, posteriormente durante el periodo de adquisición, de manera correspondiente a mayores profundidades cuando la señal de ultrasonidos es una señal reflejada, es probable que la señal de ultrasonidos se vuelva más pequeña y, por tanto, el ruido de la señal tiene una importancia aumentada. Por tanto, el amplificador 112a de la figura 2 está diseñado para permitir un control independiente y variable del ruido y la linealidad. El control puede proporcionarse mediante las fuentes 203 y 205 de corriente variable.
Al principio durante un periodo de adquisición, la fuente 203 de corriente variable puede controlarse para absorber una cantidad de corriente relativamente pequeña, mientras que la fuente 205 de corriente puede controlarse para absorber una cantidad de corriente relativamente grande. En una situación de este tipo, la segunda etapa 204 puede funcionar para controlar la linealidad de la señal amplificada producida por el amplificador 112a, mientras que la primera etapa 202 puede controlar el ruido de la señal 202 amplificada en menor medida de lo que es capaz. Posteriormente en el periodo de adquisición, la corriente absorbida por la fuente 203 de corriente variable puede aumentarse mientras que la corriente absorbida por la fuente 205 de corriente variable puede disminuirse. A medida que se aumenta la corriente absorbida por la fuente 203 de corriente variable, la primera etapa 202 puede funcionar para controlar el ruido del amplificador 112a en mayor medida. A medida que se disminuye la corriente absorbida por la fuente 205 de corriente variable, la segunda etapa 204 puede funcionar para controlar la linealidad del amplificador 112a en menor medida. Por tanto, puede implementarse una polarización de corriente dinámica del amplificador 112a, y la primera etapa 202 y la segunda etapa 204 más específicamente, para controlar las características de potencia, ruido y linealidad del amplificador durante un periodo de adquisición.
El control dinámico de las fuentes 203 y 205 de corriente puede lograrse usando un controlador digital, mostrándose un ejemplo en la figura 3A. Las fuentes 203 y 205 de corriente variable pueden incluir, cada una, dos o más ajustes de corriente programabas. Cuanto mayor es el número de ajustes, mayor es el control sobre la corriente absorbida por las fuentes 203 y 205 de corriente.
El amplificador 112a también incluye una impedancia 206 de realimentación variable. En algunas realizaciones, la impedancia de realimentación variable es un circuito de realimentación RC variable. Un ejemplo del circuito de realimentación RC variable se ilustra en la figura 3A y se describe en relación con esa figura. La impedancia de realimentación determina la ganancia de transimpedancia del amplificador de transimpedancia, de tal manera que la señal de corriente de entrada puede convertirse en una tensión de salida de amplitud variable.
A partir de la figura 2 y la descripción anterior, debe apreciarse que una realización de la solicitud proporciona un TIA multietapa que tiene dos o más fuentes de corriente variable que pueden controlarse de manera independiente, con una impedancia de realimentación variable. Las fuentes de corriente variable pueden permitir una polarización de corriente dinámica del TIA, por ejemplo durante un periodo de adquisición. Por tanto, el consumo de potencia, el ruido y la linealidad del amplificador pueden ajustarse durante el periodo de adquisición.
La figura 3A es un diagrama de circuito que ilustra una implementación del amplificador 112a de la figura 2, según una realización no limitativa de la presente solicitud. El amplificador 300 tiene una entrada 302 y una salida 304. La entrada 302 puede acoplarse a un transductor de ultrasonidos o un interruptor de recepción, tal como se describió anteriormente en relación con las figuras 1 y 2, y puede recibir una señal eléctrica que representa una señal de ultrasonidos recibida por el transductor de ultrasonidos. La salida 304 puede proporcionar una señal de salida amplificada del amplificador 112a, y puede acoplarse a un circuito promediador u otro componente al que se desea proporcionar la señal de salida amplificada.
El amplificador 300 incluye una primera etapa 306 y una segunda etapa 308, que pueden ser implementaciones de la primera etapa 202 y la segunda etapa 204 de la figura 2, respectivamente. La primera etapa 306 incluye un transistor 310 NMOS que tiene una compuerta configurada para recibir la señal en la entrada 302. El transistor 312 PMOS y el transistor 314 PMOS tienen sus compuertas acopladas, con el drenador del transistor 312 PMOS acoplado al drenador de transistor 310 NMOS. La compuerta del transistor 312 está acoplada a su drenador. Los transistores 312 y 314 también están configurados para recibir una tensión de suministro de potencia VDDA. La primera etapa 306 comprende además un transistor 316 NMOS que tiene una compuerta configurada para recibir una tensión de polarización proporcionada por un circuito RC. El circuito RC incluye dos resistores, de valor R, con un condensador Cb acoplado en paralelo con uno de los resistores. El otro resistor recibe la tensión de suministro de potencia VDDA. El drenador del transistor 314 PMOS está acoplado al drenador del transistor 316 NMOS. Un ejemplo de valor para R es 50 kohm y un ejemplo de valor para Cb es 10 pF, aunque son posibles alternativas para ambos, tales como /-20% de los valores indicados, o cualquier valor o intervalo de valores dentro de tales intervalos.
La segunda etapa 308 incluye un transistor 318 PMOS configurado para recibir la salida de la primera etapa 306. En particular, la compuerta del transistor 318 PMOS está acoplada a un nodo entre los transistores 314 y 316 de la primera etapa 306. La fuente del transistor 318 PMOS recibe la VDDA. También se proporciona un circuito 320 de impedancia variable en la segunda etapa 308. El circuito 320 de impedancia variable incluye un condensador variable Cc en serie con un resistor variable Rz y, por tanto, es un circuito Re variable en esta realización. El circuito 320 de impedancia variable puede proporcionar un funcionamiento estable del amplificador 300 cuando se hacen variar la ganancia del amplificador o las corrientes de las fuentes de corriente. Por tanto, el circuito de impedancia variable puede proporcionarse para mantener un funcionamiento estable del amplificador 300 para todas las magnitudes de corriente absorbidas por las fuentes 321 y 325 de corriente variable. Es decir, los valores de Ce y Rz pueden ajustarse durante el funcionamiento del amplificador 300 para tener en cuenta los diferentes ajustes de corriente programados por el controlador 330 digital.
Se proporciona una fuente de corriente variable para cada una de las etapas 306 y 308. La fuente 321 de corriente variable para la primera etapa 306 incluye tres fuentes 322a, 322b y 322c de corriente conectadas en paralelo. La fuente 322a de corriente absorbe una corriente Ia, la fuente 322b de corriente absorbe una corriente 2 Ia y la fuente 322c de corriente absorbe una corriente 4 Ia. Las fuentes 322a-322c de corriente están acopladas a la primera etapa 306 mediante interruptores 324a, 324b y 324c respectivos, lo que proporciona efectivamente 3 bits (8 estados) de control de la corriente. La corriente Ia puede equivaler a 100 microamperios o /- 20% de ese valor, o cualquier valor o intervalo de valores dentro de tales intervalos, como ejemplos.
La fuente 325 de corriente variable para la segunda etapa 308 incluye tres fuentes 326a, 326b y 326c de corriente conectadas en paralelo. La fuente 326a de corriente absorbe una corriente Ib, la fuente 326b de corriente absorbe una corriente 2 Ib y la fuente 326c de corriente absorbe una corriente 4 Ib. Las fuentes 326a-326c de corriente están acopladas a la segunda etapa 308 mediante interruptores 328a, 328b y 328c respectivos, lo que proporciona efectivamente 3 bits (8 estados) de control de la corriente. La corriente Ib puede equivaler a 50 microamperios o /-20% de ese valor, o cualquier valor o intervalo de valores dentro de tales intervalos, como ejemplos.
Aunque la figura 3A ilustra fuentes de corriente variable cada una de las cuales incluye tres fuentes de corriente acopladas en paralelo, debe apreciarse que no todos los aspectos de la presente solicitud están limitados de esta manera. Es decir, pueden implementarse fuentes de corriente variable de diversas maneras, incluyendo maneras alternativas a las ilustradas. Por ejemplo, pueden acoplarse en paralelo más o menos de tres fuentes de corriente para crear una fuente de corriente variable. Además, las magnitudes de las fuentes de corriente pueden ser diferentes de las ilustradas en la figura 3A. Puede proporcionarse cualquier magnitud adecuada para permitir el funcionamiento a lo largo de un intervalo de corrientes deseado.
Se proporciona un controlador 330 digital para controlar el funcionamiento de las fuentes 321 y 325 de corriente variable. El controlador digital proporciona señales de control para programar (de manera digital) las corrientes de las fuentes de corriente variable. En el ejemplo ilustrado, el controlador 330 digital proporciona una o más señales de conmutación S1 para controlar el funcionamiento de los interruptores 324a-324c, y una o más señales de conmutación S2 para controlar el funcionamiento de los interruptores 328a-328c. De esta manera, la cantidad de corriente absorbida por las fuentes de corriente variable puede hacerse variar de manera independiente durante el funcionamiento del amplificador 300, por ejemplo durante un periodo de adquisición. Según un ejemplo no limitativo, el controlador 330 digital disminuye la corriente absorbida por la fuente 325 de corriente variable durante el periodo de adquisición y aumenta la corriente absorbida por la fuente 321 de corriente variable durante el periodo de adquisición a través de un funcionamiento adecuado de las señales de conmutación S1 y S2.
El controlador 330 digital puede ser cualquier tipo adecuado de controlador. El controlador digital puede incluir un conjunto de circuitos integrado. En algunas realizaciones, el controlador 330 digital puede incluir o ser parte de un circuito integrado de aplicación específica (ASIC). En algunas realizaciones, el controlador 330 digital puede no ser específico para el amplificador 300. Por ejemplo, puede proporcionarse un controlador digital para controlar más de un componente del circuito de la figura 1, uno de los cuales pueden ser los amplificadores 112a... 112n.
El amplificador 300 incluye además una impedancia 332 de realimentación variable formada por un condensador variable Cf y un resistor variable Rf. El condensador Cf y el resistor Rf pueden acoplarse entre la salida 304 y la entrada 302, y pueden estar en paralelo entre sí. La impedancia 332 de realimentación variable puede controlar la ganancia del amplificador 300. Por tanto, los valores de Cf y Rf pueden ajustarse para hacer variar la ganancia del amplificador.
La impedancia 332 de realimentación variable y el circuito 320 de impedancia variable pueden controlarse de cualquier manera adecuada. En una realización, el controlador 330 digital puede establecer los valores de las impedancias de realimentación. Sin embargo, pueden usarse maneras de control alternativas.
Debe apreciarse que los agrupamientos descritos de componentes en relación con la figura 3A no son limitativos. Por ejemplo, aunque se describe que determinados componentes ilustrados en esa figura forman parte de una primera etapa o una segunda etapa, la identificación de la primera y la segunda etapas no es limitativa. La primera y la segunda etapas pueden incluir más o menos componentes, o componentes diferentes, de los ilustrados.
La figura 3B es un diagrama de circuito de una implementación del circuito 320 de impedancia variable de la figura 3A, según una realización no limitativa de la presente solicitud. El circuito 320 de impedancia variable incluye varios interruptores 340a... 340n configurados en paralelo y configurados para recibir señales de control SWa... SWn respectivas. En algunas realizaciones, el controlador 330 digital puede proporcionar las señales de control SWa... SWn, aunque pueden usarse alternativas. Cada interruptor está acoplado en serie con un condensador Cc y un resistor Rz respectivos. La impedancia del circuito 320 de impedancia variable puede ajustarse durante un periodo de adquisición a través de una provisión adecuada de las señales de control SWa... SWn. Puede proporcionarse cualquier número adecuado de trayectorias de señal paralelas, de modo que el ejemplo ilustrado de dos trayectorias de señal paralelas no es limitativo. El número de trayectorias de señal paralelas y los valores resistivos y de capacitancia proporcionados puede seleccionarse para proporcionar un control suficiente de la impedancia de realimentación para tener en cuenta el funcionamiento variable del amplificador a lo largo de la gama de situaciones de funcionamiento resultantes de la variación de las fuentes de corriente variable. Por ejemplo, para una ganancia de amplificador dada impuesta por la impedancia 332 de realimentación variable, pueden seleccionarse ajustes apropiados del circuito 320 de impedancia variable. En algunas realizaciones, puede utilizarse una tabla de consulta para determinar los parámetros apropiados del circuito 320 de impedancia variable basándose en una ganancia dada establecida por la impedancia 332 de realimentación variable.
En ambas figuras 3A y 3B, los valores de Cc y Rz pueden seleccionarse para proporcionar las características de funcionamiento deseadas. Como ejemplos, Rz puede ser igual a 3 kohm en algunas realizaciones, y Cc puede ser igual a 300 fF. Son posibles alternativas para ambos. Por ejemplo, pueden adoptar valores dentro de /-20% de los valores indicados, o cualquier valor o intervalo de valores dentro de tales intervalos.
La figura 3C es un diagrama de circuito de una implementación del circuito 332 de impedancia variable de la figura 3A, según una realización no limitativa de la presente solicitud. El circuito 332 de impedancia variable incluye varios interruptores 350a, 350b... 350n complementarios. Cada interruptor recibe señales de control SLa, SLb... SLn y SHa, SHb... SHn respectivas. Las señales de control pueden proporcionarse por el controlador 330 digital en algunas realizaciones, aunque pueden usarse alternativas. Los interruptores complementarios están acoplados a circuitos RC conectados en paralelo Cf, Rf respectivos. Aunque en la figura 3C se muestran tres interruptores complementarios, puede proporcionarse cualquier número adecuado para permitir un control suficiente de la ganancia del amplificador En ambas figuras 3A y 3C, los valores de Cf y Rf pueden seleccionarse para proporcionar características de funcionamiento deseadas. Como ejemplos, Rf puede ser igual a 180 kohm en algunas realizaciones, y Cf puede ser igual a 84 fF. Son posibles alternativas para ambos. Por ejemplo, pueden adoptar valores dentro de /-20% de los valores indicados, o cualquier valor o intervalo de valores dentro de tales intervalos.
La figura 4 es un gráfico que ilustra el comportamiento de dos fuentes de corriente variable de un amplificador de corriente variable durante un periodo de adquisición, tal como puede implementarse por el amplificador de las figuras 2 y 3A, que de nuevo puede ser un TIA. Por ejemplo, el comportamiento ilustrado puede implementarse por las fuentes 203 y 205 de corriente variable de la figura 2. El eje de las x representa el tiempo durante un periodo de adquisición, que oscila desde t0 hasta t8. El eje de las y representa la corriente de la fuente de corriente, que tiene valores que oscilan desde I0 hasta I8. Los valores de t0-t8 e I0-I8 pueden ser cualquier valor adecuado para el funcionamiento de un sistema de ultrasonidos dado, ya que los diversos aspectos descritos en el presente documento no están limitados a la implementación de ningún valor específico de tiempo o corriente. Además, el número de intervalos de tiempo durante un periodo de adquisición no es limitativo, ya que pueden implementarse más o menos. El número de valores de corriente que pueden implementarse no es limitativo, ya que pueden implementarse más o menos.
La curva 402 representa la corriente de una fuente de corriente variable de una segunda etapa de un amplificador de corriente variable. Por tanto, la curva 402 puede representar la corriente de la fuente 205 de corriente de la figura 2. La curva 404 representa la corriente de una fuente de corriente variable de una primera etapa del amplificador de corriente variable. Por tanto, la curva 404 puede representar la corriente de la fuente de corriente 203 de la figura 2.
La figura 4 ilustra que las corrientes de la primera y la segunda etapas del amplificador de corriente variable se mueven en sentidos opuestos durante el periodo de adquisición. Es decir, la curva 402 disminuye al moverse desde el tiempo t0 hasta el tiempo t8, mientras que la curva 404 aumenta durante el mismo tiempo. Tal como se describió anteriormente en relación con la figura 2, la primera y la segunda etapas del amplificador de corriente variable pueden afectar a diferentes características del comportamiento del amplificador de corriente variable, tales como el ruido y la linealidad. Por tanto, cuando se funciona de la manera ilustrada en la figura 4, el impacto de las dos etapas del amplificador de corriente variable puede variar durante el periodo de adquisición. Es decir, el impacto de la segunda etapa puede ser inicialmente mayor, hasta el tiempo t4, mientras que el impacto de la primera etapa puede ser mayor después de eso, desde el tiempo t4 hasta el tiempo t8.
Tal como se describió anteriormente en relación con la figura 3A, las corrientes de las dos etapas de un op-amp de dos etapas que se usa para implementar un amplificador de corriente variable pueden controlarse mediante códigos digitales. Por tanto, los valores de corriente I0-I7 de la figura 4 pueden corresponder a diferentes códigos digitales establecidos por un controlador digital, tal como el controlador 330 digital de la figura 3A.
Aunque la figura 4 ilustra que las corrientes en la primera y la segunda etapas del amplificador se conmutan en los mismos momentos, no todas las realizaciones están limitadas a este respecto. Por ejemplo, la corriente en la segunda etapa puede ajustarse en momentos desfasados con respecto a aquellos en los que se ajusta la corriente en la primera etapa. Asimismo, no es necesario ajustar las corrientes de las dos etapas el mismo número de veces durante un periodo de adquisición.
Tal como se describió anteriormente, un aspecto de la presente solicitud proporciona un amplificador con una fuente de corriente variable que se controla para ajustar el ruido del amplificador durante un periodo de adquisición. La figura 5 ilustra un ejemplo de tal funcionamiento.
En la figura 5, la tensión de una señal 502 eléctrica a la que ha dado salida un transductor de ultrasonidos y que, por tanto, representa una señal de ultrasonidos detectada, se ilustra en función del tiempo. La línea 504 discontinua representa el umbral mínimo de ruido de un amplificador usado para amplificar la señal 502 eléctrica, y puede corresponder al umbral mínimo de ruido de un amplificador de los tipos descritos en el presente documento, tal como el amplificador 112a. Puede observarse que, durante el periodo de adquisición, disminuye la magnitud de la señal eléctrica. Asimismo, se disminuye el umbral mínimo de ruido del amplificador. Una disminución de este tipo del umbral mínimo de ruido puede lograrse controlando la corriente absorbida por una fuente de corriente variable del amplificador de la manera descrita anteriormente en el presente documento. Por ejemplo, con referencia a la figura 2, la fuente 203 de corriente variable puede aumentarse durante el periodo de adquisición para disminuir el umbral mínimo de ruido del amplificador 112a. El umbral mínimo de ruido puede ajustarse a un nivel que proporciona una relación señal-ruido (SNR) aceptable.
La figura 5 también ilustra un umbral 506 mínimo de ruido constante. Puede observarse que, mientras el umbral 506 mínimo de ruido constante está al mismo nivel que la línea 504 discontinua hacia el final del periodo de adquisición, el umbral 506 mínimo de ruido constante es menor que el valor de la línea 504 discontinua hasta ese punto. Tal como se ha descrito en el presente documento, el nivel de ruido de un amplificador puede depender de la corriente consumida por el amplificador y, en tales situaciones, debe apreciarse que funcionar con un umbral 506 mínimo de ruido constante requiere significativamente más corriente (y, por tanto, potencia) que funcionar según la línea 504 discontinua. Por tanto, aspectos de la presente solicitud que proporcionan un amplificador de corriente variable para amplificar señales de ultrasonidos pueden proporcionar ahorros de potencia sustanciales en comparación con amplificadores que funcionan con un nivel de ruido constante.
La cantidad de ahorro de potencia puede ser significativa. Por ejemplo, en el circuito 100, los amplificadores 112a...
112n pueden consumir una cantidad de potencia significativa. En algunas realizaciones, los amplificadores 112a...
112n pueden consumir más potencia que cualquier otro componente del circuito 100. Por consiguiente, reducir el consumo de potencia de los amplificadores 112a... 112n puede proporcionar una reducción significativa de potencia del circuito 100. En algunas realizaciones, utilizar amplificadores de corriente variable de los tipos descritos en el presente documento puede proporcionar hasta un 25% de reducción de potencia, hasta un 40% de reducción de potencia, hasta un 50% de reducción de potencia, o cualquier intervalo o valor dentro de tales intervalos, en cuanto al funcionamiento del amplificador. La reducción de potencia resultante para el circuito 100 puede ser de hasta el 10%, hasta el 20%, hasta el 25%, o cualquier intervalo o valor dentro de tales intervalos.
Habiendo descrito de este modo varios aspectos y realizaciones de la tecnología de esta solicitud, ha de apreciarse que diversas alteraciones, modificaciones y mejoras se les ocurrirán fácilmente a los expertos habituales en la técnica. Se pretende que tales alteraciones, modificaciones y mejoras estén dentro del alcance de la tecnología descrita en la solicitud. Por tanto, ha de entenderse que las realizaciones anteriores se presentan sólo a modo de ejemplo y que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, pueden ponerse en práctica realizaciones inventivas de un modo distinto del descrito específicamente.
Como ejemplo, determinadas realizaciones descritas en el presente documento se han centrado en amplificadores de dos etapas. Sin embargo, las técnicas descritas en el presente documento pueden aplicarse a amplificadores multietapa que tienen dos o más etapas. Cuando se usan más de dos etapas, la primera etapa puede controlar de manera predominante el ruido del amplificador, mientras que la última etapa puede controlar de manera predominante la linealidad del amplificador.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Aparato (100) de ultrasonidos, que comprende:
    un sensor (102a - 102n) de ultrasonidos;
    un amplificador (112a; 300) de transimpedancia, TIA, de corriente variable, acoplado al sensor (102a - 102n) de ultrasonidos y configurado para recibir y amplificar una señal de salida procedente del sensor (102a -102n) de ultrasonidos, teniendo el TIA (112a; 300) de corriente variable una fuente de corriente variable, siendo el TIA de corriente variable un amplificador operacional de dos etapas que tiene una primera etapa (202; 306) y una segunda etapa (204; 308), en el que la fuente (112a; 300) de corriente variable incluye una primera fuente (203; 321) de corriente variable acoplada a la primera etapa (202; 306) y una segunda fuente (205; 325) de corriente variable acoplada a la segunda etapa (204; 308);
    en el que la primera etapa (202; 306) está dispuesta para recibir la señal de salida procedente del sensor (102a - 102n) de ultrasonidos y la segunda etapa (204; 308) está dispuesta para proporcionar una señal de salida del TIA (112a; 300) de corriente variable; y
    en el que la primera fuente (203; 321) de corriente variable comprende dos o más fuentes (322a, 322b, 322c) de corriente conectadas en paralelo y al menos una de las dos o más fuentes (322a, 322b, 322c) de corriente está acoplada a la primera etapa (202; 306) a través de un interruptor.
    2. Aparato (100) de ultrasonidos según la reivindicación 1, en el que la primera y la segunda fuentes (203, 205;
    321, 325) de corriente variable pueden controlarse de manera independiente.
    3. Aparato (100) de ultrasonidos según la reivindicación 1, en el que la primera y la segunda fuentes (203, 205;
    321, 325) de corriente variable pueden programarse de manera digital.
    4. Aparato (100) de ultrasonidos según la reivindicación 1, en el que el TIA (112a; 300) de corriente variable comprende además un circuito (206; 332) RC de realimentación variable acoplado entre un terminal de salida del TIA (112a; 300) de corriente variable y un nodo que representa una entrada para la segunda etapa. 5. Aparato (100) de ultrasonidos según la reivindicación 1, que comprende además un circuito de control acoplado a la fuente (112a; 300) de corriente variable y configurado para controlar una cantidad de corriente a través de la fuente (112a; 300) de corriente variable.
    6. Aparato (100) de ultrasonidos según la reivindicación 1, en el que el sensor de ultrasonidos y el TIA (112a;
    300) de corriente variable están integrados de manera monolítica en un chip semiconductor.
    7. Método, que comprende:
    adquirir una señal de ultrasonidos con un sensor (102a - 102n) de ultrasonidos durante un periodo de adquisición y dar salida, desde el sensor (102a - 102n) de ultrasonidos, a una señal eléctrica analógica que representa la señal de ultrasonidos; y
    amplificar la señal eléctrica con un amplificador (112a; 300) de transimpedancia, TIA, de corriente variable, incluyendo hacer variar una corriente del TIA (112a; 300) de corriente variable durante el periodo de adquisición,
    en el que:
    el TIA (112a; 300) de corriente variable es un amplificador operacional de dos etapas que tiene una primera etapa (202; 306) y una segunda etapa (204; 308);
    hacer variar una corriente del TIA (112a; 300) de corriente variable durante el periodo de adquisición incluye hacer variar de manera independiente una corriente de la primera etapa (202; 306) y una corriente de la segunda etapa (204; 308); y
    hacer variar de manera independiente la corriente de la primera etapa (202; 306) y la corriente de la segunda etapa (204; 308) comprende además aumentar la corriente de la primera etapa (202; 306) durante el periodo de adquisición y disminuir la corriente de la segunda etapa (204; 308) durante el periodo de adquisición. 8. Método según la reivindicación 7, en el que el TIA (112a; 300) de corriente variable comprende además una primera fuente (203; 321) de corriente variable acoplada a la primera etapa (202; 306), una segunda fuente (205; 325) de corriente variable acoplada a la segunda etapa (204; 308), y en el que hacer variar de manera independiente una corriente de la primera etapa (202; 306) y una corriente de la segunda etapa (204; 308) comprende programar de manera digital la primera y la segunda fuentes (203, 205; 321, 325) de corriente variable.
    9. Método según la reivindicación 7, que comprende además hacer variar una capacitancia de realimentación o una resistencia de realimentación del TIA (112a; 300) de corriente variable durante el periodo de adquisición.
    10. Método según la reivindicación 9, en el que hacer variar la capacitancia de realimentación o la resistencia de realimentación comprende además hacer variar la capacitancia de realimentación o la resistencia de realimentación de manera coordinada con hacer variar la corriente.
    11. Método según la reivindicación 7, en el que
    amplificar la señal eléctrica con el amplificador (112a; 300) de transimpedancia de corriente variable comprende además disminuir un umbral mínimo de ruido del TIA (112a; 300) de corriente variable durante el periodo de adquisición.
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