JP2018535592A - 最適化されたｃｍｏｓアナログスイッチ - Google Patents

Abstract

超音波エラストグラフィプローブで使用するための改良されたアナログスイッチが開示される。この改良されたアナログスイッチは、先行技術のアナログスイッチと比較して、より少ない熱放散しかもたらさない。
【選択図】図７

Description

〔優先権の主張〕
本明細書は、２０１５年１０月８日に出願された、「Ａｎ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ＣＭＯＳ Ａｎａｌｏｇ Ｓｗｉｔｃｈ」（中国標準語）という名称の中国特許出願第２０１５１０６４４５３７．６号に対する優先権を主張するものである。

超音波エラストグラフィデバイスで使用するための、改良されたアナログスイッチが開示される。改良されたアナログスイッチは、先行技術のアナログスイッチと比較して、より少ない熱放散をもたらす。

超音波撮像システムにおける最近の展開としては、剪断波エラストグラフィの使用が挙げられる。図１は、トランスデューサ１０５を備える、先行技術の超音波エラストグラフィデバイス１００を表す。トランスデューサ１０５は、音響放射力を使用して、「プッシュ」パルス１５０を軟組織１１０の中へ誘導し、剪断波１４０をもたらす。軟組織１１０は、対象領域１３０を含む又はその近くにある硬病変１２０（腫瘍又は他の医学的異常であり得る）を含む。組織の硬さは、結果として生じる剪断波がどのくらい速く組織を伝わって進行するのかに基づいて計算される。検出パルス１６０が通過剪断波１４０と相互作用するときに、通過剪断波１４０は、特定の時間における波の場所を明らかにし、剪断波１４０の速度の算出を可能にする。この数値は、対象領域内の組織の硬さに関連する。多数のほぼ同時のプッシュパルス１５０を使用することによって、及び高度な超高速撮像技術を使用して剪断波１４０を追跡することによって、システムは、１秒毎に組織の硬さ（ヤング率）の二次元の定量マップを生成することができる。

図２は、先行技術の超音波エラストグラフィデバイス１００の特定の電気態様を表す。超音波エラストグラフィデバイス１００は、増幅器２１０及びダイオード対２１１を備える例示的な高電圧伝達経路と、抵抗器２５２及び２５３並びにダイオードブリッジ２５１を備える高電圧絶縁回路２５４に連結された増幅器２５０とを備える。超音波エラストグラフィデバイス１００は、プローブ選択リレー２２１、２２２、２２３、及び２２４と、プローブ２３１、２３２、２３３、及び２３４とを更に備える。プローブ２３１は、それぞれがトランスデューサ２４２、２４４、２４６、及び２４８に接続するアナログスイッチ２４１、２４３、２４５、及び２４７を備える、マルチプレクサ２７０に接続されて示される。同じ構造体の構成（マルチプレクサ２７０、並びにトランスデューサ２４２、２４４、２４６、及び２４８）が、プローブ２３２、２３３、及び２３４にも使用されることを理解されたい。図１のトランスデューサ１０５は、トランスデューサ２４２、２４４、２４６、及び２４８を表す。

図１及び図２を参照すると、音響プッシュパルス１５０の振動周波数は、５０〜５００Ｈｚの範囲である。剪断波１４０の速度を測定するために、各検出パルス１７０は、３００ｍｓにわたって持続し得る。剪断波１４０を検出するために、デバイス１００のアナログスイッチ２４１、２４３、２４５、及び２４７は、高電圧トランスデューサ２４２、２４４、２４６、及び２４８（トランスデューサ１０５によって表される）を約３００ｍｓにわたって駆動する必要がある。

先行技術のアナログスイッチ２４１、２４３、２４５、及び２４７は、それぞれ、回路に損傷を与え得る過剰な熱放散を回避するために並列で機能する、２つの高電圧スイッチを必要とする。しかしながら、並列に接続された２つのスイッチは更に、寄生静電容量を２倍にし、画質に悪影響を及ぼす。

実質的に、全ての先行技術のマルチプレクサ２７０のアナログスイッチ２４１、２４３、２４５、及び２４７は、図３に示されるＴスイッチ３００を利用する。超音波撮像用途において、Ｔスイッチ３００の使用は、１５ｐＦ未満の寄生静電容量及び６０ｄＢを超えるオフ絶縁に対して、オン抵抗を約１６オームに制限する。

図３は、高電圧マルチプレクサ２７０のアナログスイッチ２４１、２４３、２４５、及び２４７に使用される、従来のＴスイッチ３００構造体の概略を示す。Ｔスイッチ３００は、ＮＭＯＳトランジスタ３２０と直列のＮＭＯＳトランジスタ３１０を備え、ＮＭＯＳトランジスタ３３０を分路して、６０ｄＢのオフ絶縁を達成する。ＮＭＯＳトランジスタ３１０、３２０、及び３３０は、それぞれ、過剰な熱を発生するオン抵抗を抑えて、正及び負の両方の高ゲート電圧振幅を可能にする、厚いゲート酸化物層を備える。厚いゲート酸化物層は、典型的に、５０００〜１００００オングストロームの範囲である。

デバイスの高電圧能力は、オン抵抗／寄生静電容量の二律背反を更に悪化させる。変動ソース電圧を超える固定ゲートバイアスは、正の信号のオン抵抗を負の信号のオン抵抗よりもはるかに高くし、また、第２高調波歪みを導入する。

図４は、ＮＭＯＳトランジスタ３１０、３２０、及び３３０を表す、例示的なＮＭＯＳトランジスタ４００を示す。ＮＭＯＳトランジスタ４００は、実際には、ＮＭＯＳトランジスタ４１０と、ＮＭＯＳトランジスタ４１０のドレインとボディとの間の接合部になるダイオード４２０とを備える。ドレイン及びゲートはどちらも、最高２００Ｖで動作することができる。

ＮＭＯＳトランジスタ４００のドレイン／ボディダイオード構造体は、それがオフにされている場合であっても、本質的には、高電圧デバイスを整流器にする。その結果、ＮＭＯＳトランジスタ４１０のボディは、最大負電圧まで、例えばちょうど図４に示されるようにオフ状態において−１００Ｖ（Ｖ_NN）までプルダウンする必要がある。ＮＭＯＳトランジスタ３３０を分路することで、−１００Ｖに終端する。ＮＭＯＳトランジスタ３２０などの第２の直列デバイスは、トランスデューサを−１００Ｖの終端から絶縁する。このデバイスは、トランスデューサを−１００Ｖに終端することができる場合には必要ないが、通常、圧電トランスデューサには当てはまらない。

圧電デバイスは、高い電界を受けたときに、非線形の挙動を呈する。この強い非線形の材料挙動は、サブグレインレベルにおける局所的分極スイッチング（すなわち、分極方向の変化）によって誘導される。ピエゾ電気材料が非線形モードで動作すると、材料は、既に損傷している可能性がある。したがって、高電圧によって圧電トランスデューサを終端することは、ピエゾ電気材料を破壊し得る。この挙動は、図５のグラフ５００及び５１０に示される。グラフ５００及び５１０は、電界の変化に応答する、ピエゾ電気材料の分極の変化を示す。

出願人が以前に発明した、改良されたＴスイッチは、図６に示される。Ｔスイッチ６００は、示されるように、バタフライトランジスタ対６３５（ＮＭＯＳトランジスタ６３０及び６４０で構成される）と直列のバタフライトランジスタ対６１５（ＮＭＯＳトランジスタ６１０及び６２０で構成される）と、分路バタフライトランジスタ対６５５（ＮＭＯＳトランジスタ６５０及び６６０で構成される）とを備える。ＮＭＯＳトランジスタ６１０、６２０、６３０、６４０、６５０、及び６６０は、それぞれ、薄いゲート酸化物層を備える。薄いゲート酸化物層は、典型的に、１００〜２００オングストロームの範囲である。Ｔスイッチ６００は、Ｔスイッチ３００よりも低いゲート電圧を使用し、また、より高いトランスコンダクタンスを有する。バタフライトランジスタ対６１５及び６３５をまとめると、オン抵抗／静電容量比において、単一の２００Ｖのドレイン、２００Ｖのゲートのトランジスタと同等である。しかしながら、Ｔスイッチ６００は、相当な熱放散を経験する。

先行技術のＴスイッチ３００及び６００よりも少ない熱放散をもたらす、改良されたアナログスイッチが必要である。

好ましい実施形態は、オン抵抗を４〜８オームまで低減させる高電圧ＣＭＯＳスイッチ回路トポロジであり、これは、先行技術と比較して、寄生静電容量を増加させることなく、２〜４倍の改良である。本回路トポロジは、実施が容易であり、また、例えば、±１００Ｖのアナログ信号を扱うことができる４：１超音波マルチプレクサ（マルチプレクサ２７０など）の構築に適している。この回路への電源は、±６Ｖであり、制御入力は、０及び＋５Ｖの電圧レベルであり、標準的なＣＭＯＳ回路に適合可能である。本回路は、超音波エラストグラフィプローブの高電圧トランスデューサを駆動する際に特に有用である。

先行技術の超音波エラストグラフィプローブを表す図である。 先行技術の超音波エラストグラフィプローブの電気的態様を表す図である。 先行技術のアナログＴスイッチを表す図である。 図３の先行技術のアナログＴスイッチにおいて使用されるトランジスタの構造を表す図である。 先行技術の圧電トランスデューサの特定の物理的特性を表す図である。 別の先行技術のアナログＴスイッチを表す図である。 改良されたアナログスイッチの一実施形態を表す図である。

図７は、本発明の一実施形態を表す。アナログスイッチ７００は、直列バタフライトランジスタ対のうちの１つが除去された、Ｔスイッチ６００の修正バージョンである。アナログスイッチ７００は、バタフライトランジスタ対７０５（ＮＭＯＳトランジスタ７１０及び７２０で構成される）と、分路機能を行う分路バタフライトランジスタ対７２５（ＮＭＯＳトランジスタ７３０及び７４０で構成される）とを備える。ＮＭＯＳトランジスタ７１０、７２０、７３０、及び７４０は、それぞれ、薄いゲート酸化物層を備える。薄いゲート酸化物層は、典型的に、１００〜２００オングストロームの範囲である。この構成において、バタフライトランジスタ対７０５は、高電圧源をトランシーバに接続するための導電手段と見なすことができ、分路バタフライトランジスタ対７２５は、導電手段から接地へ電流を分路するための分路手段と見なすことができる。

アナログスイッチ７００のオン抵抗は、先行技術のＴスイッチ６００のオン抵抗のほぼ半分であり、アナログスイッチ７００の寄生静電容量もまた、先行技術のＴスイッチ６００の寄生静電容量と比較して、大幅に低減される。

アナログスイッチ７００のトポロジは、バタフライトランジスタ対７２５が、先行技術のＴスイッチ３００のように−１００Ｖではなく、接地への終端を可能にするので、先行技術のＴスイッチ３００のピエゾ電気材料の非線形問題の影響を受けない。

アナログスイッチ７００によって、従来技術のＴスイッチ３００及び６００と比較して、以下の改良が達成される。
（１）約±６Ｖの電源だけを使用しながら、±１００Ｖを超える電圧を伝達することができる。
（２）標準的な５ＶのＣＭＯＳ回路に適合可能な入力。
（３）３Ａを超えるピークアナログ信号電流による、最大２００Ｖのピークツーピークのアナログ信号能力。
（４）８オームよりも低い、信号非依存性のオン抵抗。
（５）寄生静電容量が１０ｐＦまで低減される。
（６）非選択トランスデューサが終端されるので、いかなるオフ絶縁も懸念されない。

結論として、１００Ｖの薄いゲート酸化物ＮＭＯＳトランジスタを使用する高電圧アナログスイッチ７００が提案される。１つの直列デバイスを除去し、非選択トランスデューサを接地に直接分路することによって、先行技術のＴスイッチ６００から修正される。このトポロジを使用する回路は、超音波撮像、剪断波エラストグラフィ、更には、高電力の超音波電圧が必要とされる高強度焦点式超音波において、幅広い潜在的用途を有する。例えば、アナログスイッチ７００は、超音波エラストグラフィデバイス１００のマルチプレクサ２７０などの、４：１超音波マルチプレクサでの使用に適している。

本発明を、その実施形態に関連して添付図面を参照しながら十分に説明してきたが、当業者には、様々な変更及び修正が明らかになることに留意されたい。そのような変更及び修正は、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲内に含まれると理解するべきである。

Claims (12)

1. 第２の薄いゲート酸化物ＮＭＯＳトランジスタと直列の第１の薄いゲート酸化物ＮＭＯＳトランジスタを備える第１のバタフライ回路であって、前記第１のバタフライ回路が、第１の端子及び第２の端子を備え、前記第２の端子が、高電圧源に連結される、第１のバタフライ回路と、
   第４の薄いゲート酸化物ＮＭＯＳトランジスタと直列の第３の薄いゲート酸化物ＮＭＯＳトランジスタを備える第２のバタフライ回路であって、前記第２のバタフライ回路が、前記第２の端子に連結された第３の端子及び接地に連結された第４の端子を備える、第２のバタフライ回路と、を備える、アナログスイッチ。
2. 前記スイッチのオン抵抗が、８オーム未満である、請求項１に記載のスイッチ。
3. 前記スイッチの寄生容量が、１０ピコファラド未満である、請求項１に記載のスイッチ。
4. 前記高電圧源が、２００ボルトを超えるピークツーピーク振幅を備える、請求項１に記載のスイッチ。
5. 前記第１のバタフライ回路が、−６ボルト〜＋６ボルトの範囲の電源電圧を必要とする、請求項１に記載のスイッチ。
6. 前記第２のバタフライ回路が、−６ボルト〜＋６ボルトの範囲の電源電圧を必要とする、請求項５に記載のスイッチ。
7. 高電圧源をトランシーバに接続するための導電手段と、
   前記導電手段の端子から接地に電流を分路するための分路手段と、を備える、アナログスイッチ。
8. 前記スイッチのオン抵抗が、８オーム未満である、請求項７に記載のスイッチ。
9. 前記スイッチの寄生容量が、１０ピコファラド未満である、請求項７に記載のスイッチ。
10. 前記高電圧源が、２００ボルトを超えるピークツーピーク振幅を備える、請求項７に記載のスイッチ。
11. 前記導電手段が、−６ボルト〜＋６ボルトの範囲の電源電圧を必要とする、請求項７に記載のスイッチ。
12. 前記分路手段が、−６ボルト〜＋６ボルトの範囲の電源電圧を必要とする、請求項１１に記載のスイッチ。