JP2001046370A - パルス増幅器及びそれを用いた超音波診断装置 - Google Patents

パルス増幅器及びそれを用いた超音波診断装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小信号増幅段とパワー増幅段との2段増幅回
路構成のパルス増幅器のノイズ特性を改善する。 【解決手段】 小信号増幅段としての演算増幅器221
と、パワー増幅段としてのパワー増幅回路222との2
段増幅回路構成のパルス増幅器において、演算増幅器2
21とパワー増幅回路222との間にノイズ遮断用のス
イッチ回路224を設けるとともに、パワー増幅回路2
22とその出力端子OUTとの間にもノイズ遮断用のス
イッチ回路223を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、パルス増幅器に係
り、特にそのノイズ特性を向上する技術に関するもので
あり、またその増幅器を利用して超音波診断装置の画質
を向上する技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】超音波診断装置は探触子内に配列状に配
置された超音波振動子へパルス電圧を供給して、振動子
より超音波を発生させ、その超音波を生体内へ送波し、
生体内の音響インピーダンスの異なる境界で反射して来
る超音波を同じ探触子で受信し、その受信信号を画像処
理してディスプレイ装置へ表示し、医療診断に供するも
のであり、広く普及している。
【0003】超音波振動子を駆動する駆動信号はパルス
発生器の出力をパルス増幅回路で増幅したパルス電圧が
用いられている。このパルス電圧を発生する部分を超音
波装置では送波パルス発生器と称していて、一般的にパ
ルス発生器と増幅器とで構成されている。パルス発生器
は、所定の周波数、波数、任意の振幅のパルス信号を発
生できるように構成され、増幅器はそのパルス信号を振
動子を駆動できるレベルの電圧に増幅する。
【0004】この増幅器は高い出力電圧を得るために、
小信号を増幅するための演算増幅器と、この演算増幅器
の出力信号を振動子駆動レベルの高電圧まで増幅するた
めのパワー増幅回路との2段増幅回路の構成が採用され
ている。そのパワー増幅回路は、Nチャンネルの電界効
果トランジスタ(以下、MOS FETと記す。)とP
チャンネルのMOS FETのドレインを共通接続して
構成されている。演算増幅器の高周波出力信号はパワー
増幅回路の各MOS FETのゲートにキャパシタを介
して印加され、これらのMOS FETが駆動される。
【0005】初段の演算増幅器の利得の値を小さくする
ことにより増幅器の直流出力電位のドリフトを小さくす
ることができる。その結果、演算増幅器の直流出力電位
が安定するため、最大の出力振幅が得られるような動作
点となり、高周波利得も大きくすることができる。
【0006】2段増幅回路のパワー増幅回路の出力はス
イッチ回路を介して出力される。このスイッチ回路はノ
イズ遮断用のスイッチ回路で、一例としてダイオードの
逆並列回路を信号経路とし、その両端を略同電位となる
ようにバイアスした回路が設けられる。また、他の例と
して、FET等のスイッチング素子を超音波打ち出し時
間のみ閉じ、エコーの受信期間中は開くように制御する
回路を用いる構成もある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】前述の例においては、
各MOS FETの動作点は、FETのソース・ゲート
間電圧により与えられる。2つのMOS FETの動作
抵抗が等しくなるように回路抵抗の値を定めると、無信
号時における増幅器の出力端子OUTの電位が電源電圧
の1/2となり、2つのMOS FETが平衡して動作
するような動作電圧が与えられる。
【0008】しかし、個々のMOS FETには静特性
にバラツキがあるため、常 に出力端子の直流電位を零
電位にするにはMOS FETの特性に合わせて抵抗を
選択して使用することが必要となるという問題を抱えて
いる。
【0009】また、MOS FETは使用する環境の温
度変化により、特性が変動し、MOS FETの動作点
の変動が避けられないという問題も抱えている。
【0010】さらに、大振幅を得るために終段にも相当
のゲインを持たせる必要があるため、前段までのノイズ
電圧が非常に大きな出力となって最終出力段のノイズ遮
断スイッチの非線形障壁電圧を超え、負荷に対して、ま
た、受信入力端にノイズを出力してしまうという問題が
生ずる。
【0011】本発明は、このような問題に鑑みて、高電
圧パルスを発生でき、信号入力期間中はノイズ出力を抑
制できるパルス増幅器を提供することを第1の目的とし
てなされたものである。
【0012】また、本発明は、本発明の第1の目的を解
決した特定発明としてのパルス増幅器を超音波診断装置
の送信回路に用いて、超音波画像の画質を向上すること
を第2の目的としてなされたものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記第1の目
的を達成するために、小信号増幅段としての初段増幅回
路とパワー増幅段としてのパワー増幅回路とを有した多
段増幅回路を有したパルス増幅器において、少なくとも
初段増幅回路と終段増幅回路との間に、及び終段増幅回
路とその出力端子との間にノイズ遮断用スイッチ回路を
設けたことを特徴としている。
【0014】また、本発明は、上記第2の目的を達成す
るために、複数の配列振動子を有し超音波を送受信する
探触子と、この探触子内の各振動子を駆動する駆動パル
スを発生するパルス発生器と、このパルス発生器にて発
生されたパルス電圧信号を増幅して前記探触子の各振動
子へ出力するパルス増幅回路を備えた超音波診断装置に
おいて、前記パルス増幅回路へ請求項1に記載のパルス
増幅器を用いたことを特徴としている。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面を用いて説明する。図1は、本発明のパルス増幅器の
回路構成を示すブロックである。図1において、パルス
信号は左端の入力端子INから入力し、これから説明す
る増幅回路によって増幅され右端の出力端子OUTへ出
力される。1は負荷を示し、本実施の形態では超音波診
断装置における送波パルスが入力される超音波振動子を
示している。図1において、221及び222はパワー
増幅器の初段増幅器としての演算増幅器及びパワー増幅
回路である。本発明では、パワー増幅回路222と出力
端子OUTとの間にノイズを遮断するスイッチ回路
(2)223を設ける他に、演算増幅器221とパワー
増幅回路222との間にもノイズを遮断するスイッチ回
路(1)224を設け、このスイッチ回路(1)224
で演算増幅器221から電圧利得を持つパワー増幅段へ
入力され増幅されてしまうノイズ信号を遮断する。
【0016】パワー増幅回路222の詳細な構成を図2
に示す。図2において、6及び7はPチャンネルのMO
S FETで、これらの2つのMOS FET6、7のド
レインが共通接続されており、演算増幅器221はこの
パワー増幅回路のMOS FET6、7のゲートを駆動
する。MOS FET6とMOS FET7のゲートには
キャパシタC1とC2を介して演算増幅器221の高周波
出力電圧が印加されるが、この演算増幅器221の利得
は、抵抗Ri’,Rf’の値によって設定される。そし
て、MOS FET6,7のゲートバイアス電圧は2つ
のMOS FETの接続中点の電位が電源電圧の半分の
値とされるようになっていて、MOS FET6とMO
S FET7は演算増幅器221の出力に応じて相補的
に動作し、出力端子OUTへ高電圧のパルス信号を出力
するようになっている。なお、ここで、抵抗R1乃至R4
は 、MOS FET6とMOS FET7のゲートにそ
れぞれ一定のバイアス電圧を与えるための抵抗である。
【0017】図3はスイッチ回路(1)224及びスイ
ッチ回路(2)223の構成を示している。これらのス
イッチ回路はダイオードの逆並列接続回路を信号経路と
し、その両端を略同電位とするためのFETとで構成し
たものである。
【0018】図4は、本発明のパルス増幅器の詳細な回
路構成の一例を示す。図4において、演算増幅器221
とパワー増幅回路の主たる構成は図2に示すものとほぼ
同じである。この例において、MOS FET7のバイ
アス電圧は、演算増幅器9により抵抗R2を介して与え
られ、PチャンネルのMOS FET6とNチャンネル
のMOS FET7のドレインは共通接続され、MOS
FET6とMOS FET7が相補的な動作をするよう
にこれらのMOS FETの動作電流と電圧とがほぼ等
しくなるための動作点として、MOS FET6とMO
S FET7のドレインの電位を電源電圧の1/2、す
なわち(+V/2)となるごとく演算増幅器9により負
帰還を施してある。つまり、このドレインの電位は、抵
抗6と抵抗5とにより分圧されて基準電圧と比較される
が、その誤差電圧が小さくなるようにMOS FET7
のゲートに負帰還を施す。なお、MOS FET6とM
OS FET7のドレインに現われる高周波信号が前記
負帰還ループに入り込むのを防止するために、抵抗とキ
ャパシタにより演算増幅器9には帯域制限を施してい
る。
【0019】このようにして、図示の回路構成により、
MOS FET6とMOS FET7の特性のバラツキ、
あるいは周囲環境の温度変動により、これらが完全に相
補的な静特性を呈さない場合においても、MOS FE
T7のドレイン・ソース間電圧をMOS FET6のそ
れと等しくすることができる。
【0020】次に、上記パルス増幅器の用途の一例を説
明する。図6はこのパルス増幅器を適用した超音波診断
装置の送受信回路の一部をブロック図として示してい
る。図において、1Aは超音波探触子を示し、この探触
子1Aの内部には11,12,…,1nのN個の超音波振
動子が配列状に設けられている。21,22,…,2n
超音波振動子から超音波を送信するために振動子へ高電
圧パルスを供給するための送波パルス発生器で、この例
では各振動子毎に設けられている。31,32,…,3n
は超音波振動子で受信した生体内からのエコー信号を増
幅する増幅器で、この例ではこれらも各振動子毎に設け
られている。
【0021】図7は上記送波パルス発生器の構成を示す
ブロック図である。送波パルス発生器2はパルス発生器
21と増幅器22とからなる。パルス発生器21は当分
野では公知であるので、説明は省略する。また、増幅器
22は上記で説明したものを用いる。
【0022】次に、図6に記載の構成についてその動作
を説明する。超音波を送信する操作を操作者が行うと、
送波パルス発生器2のパルス発生器21から1個乃至数
個のパルス信号が出力され、その信号が増幅器22へ入
力する。増幅器22は図1に記載された構成をしてお
り、パルス信号は図1の入力端子INから演算増幅器2
21へ入力する。演算増幅器221においてパルス信号
は抵抗Ri’とRf’との値により定まる利得分の小レベ
ルの増幅をされ、スイッチ回路224に入力される。ス
イッチ回路224はパルス信号の有信号期間はオンし、
無信号期間はオフしてその期間のノイズ信号を遮断す
る。
【0023】スイッチ回路224からの信号はパワー増
幅回路222へ入力される。パワー増幅回路222はM
OS FET6とMOS FET7を相補的に動作して、
入力したパルス信号を振動子を駆動するレベルの高電圧
に増幅する。この増幅されたパルス信号はスイッチ回路
223へ入力され、スイッチ回路224と同様にパルス
信号の無信号期間のみノイズを遮断されて出力端子OU
Tを介し超音波振動子へ供給される。これにより振動子
から超音波が出力され、被検体内へ超音波が送信され
る。なお、11,12,…,1nの各振動子へのパルス信
号は送波超音波の収束のために通常は所定の遅延時間を
与えられて振動子へ供給されるが、ここではその詳細な
説明は省略する。
【0024】被検体内で反射した超音波は探触子で受信
され、受信増幅器で増幅される。その後図示を省力した
整相処理、検波処理、画像処理を施されてエコー信号は
モニタへ超音波画像として表示される。
【0025】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、電
圧利得を持つパワー増幅段において増幅されてしまうノ
イズを前段に設けたスイッチ回路で遮断することができ
るので、出力特性の良いパルス増幅器を提供することが
できる。そしてまた、本発明のパルス増幅器はMOS
FETの個体の特性バラツキを補償することができるの
で、コスト低減にも寄与することができる。また、上記
特定発明としてのパルス増幅器を超音波診断装置の送波
パルス発生器へ用いると、超音波振動子へ供給される駆
動パルスはノイズが少ないので、きれいな波形のパルス
信号となり、したがって、超音波振動子からは理想的な
波形に近い超音波が被検体内へ送信されるので、超音波
画像の画質向上が計れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のパルス増幅器の一実施形態の構成を示
すブロック図。
【図2】図1内のパワー増幅器の構成を示す回路図。
【図3】図1内のスイッチ回路の構成を示す回路図。
【図4】本発明のパルス増幅器の回路構成の一例を示す
図。
【図5】従来のパルス増幅器の構成を示すブロック図。
【図6】超音波診断装置の送受信に関係する要部のブロ
ック図。
【図7】送波パルス発生器の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
2…送波パルス発生器 6,7…MOS FET 221…演算増幅器 222…パワー増幅器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 小信号増幅段としての初段増幅回路とパ
    ワー増幅段としてのパワー増幅回路とを有した多段増幅
    回路を有したパルス増幅器において、少なくとも初段増
    幅回路と終段増幅回路との間に、及び終段増幅回路とそ
    の出力端子との間にノイズ遮断用スイッチ回路を設けた
    ことを特徴とするパルス増幅器。
  2. 【請求項2】複数の配列振動子を有し超音波を送受信す
    る探触子と、この探触子内の各振動子を駆動する駆動パ
    ルスを発生するパルス発生器と、このパルス発生器にて
    発生されたパルス電圧信号を増幅して前記探触子の各振
    動子へ出力するパルス増幅回路を備えた超音波診断装置
    において、前記パルス増幅回路へ請求項1に記載のパル
    ス増幅器を用いたことを特徴とする超音波診断装置。
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