JP2019504540A - 超音波デバイスのためのトランスインピーダンス増幅器及び関連する装置及び方法 - Google Patents

超音波デバイスのためのトランスインピーダンス増幅器及び関連する装置及び方法 Download PDF

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Abstract

超音波デバイスのための可変電流トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）が説明される。ＴＩＡは、超音波トランスデューサによって受信された超音波信号を表す超音波トランスデューサの出力信号を増幅するべく超音波トランスデューサに結合されてよい。超音波トランスデューサによる超音波信号の取得中に、ＴＩＡの１つ以上の電流源が変化させられてよい。
【選択図】図２

Description

関連出願への相互参照
［0001］ 本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、「ＴＲＡＮＳ−ＩＭＰＥＤＡＮＣＥ ＡＭＰＬＩＦＩＥＲ ＦＯＲ ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＲＥＬＡＴＥＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ」という名称の、代理人整理番号Ｂ１３４８．７００２３ＵＳ００の下で２０１５年１２月２日に出願された米国特許出願整理番号１４／９５７，３９５号の米国特許法第１２０条の下での利益を主張する継続出願である。
［0002］ 本出願は、受信した超音波信号を増幅するための増幅器を有する超音波デバイスに関する。
［0003］ 超音波プローブは、超音波信号を感知し、対応する電気信号を生成する、１つ以上の超音波センサをしばしば含む。電気信号は、アナログ又はデジタルドメインで処理される。時には、処理された電気信号から超音波イメージが生成される。
［0004］ 本出願の一態様によれば、超音波センサと、可変電流トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）とを備える、超音波装置が提供される。可変電流ＴＩＡは、超音波センサに結合され、超音波センサからの出力信号を受信及び増幅するように構成される。可変電流ＴＩＡは、可変電流源を有する。
［0005］ 本出願の一態様によれば、取得周期中に超音波センサで超音波信号を取得し、超音波センサから、超音波信号を表すアナログ電気信号を出力することを含む、方法が提供される。方法は、取得周期中に可変電流ＴＩＡの電流を変化させることを含む、可変電流トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）で電気信号を増幅することをさらに含む。
［0006］ 本出願の一態様によれば、取得周期中に超音波センサで超音波信号を取得し、超音波センサから、超音波信号を表すアナログ電気信号を出力することを含む、方法が提供される。方法は、取得周期中に可変電流ＴＩＡのノイズフロアを低減させることを含む、可変電流トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）で電気信号を増幅することをさらに含む。
［0007］ 本出願の種々の態様及び実施形態が、以下の図面を参照しながら説明される。図面は必ずしも縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。複数の図面に出現するアイテムは、それらが出現するすべての図面において同じ参照番号で示される。
［0008］本出願の限定ではない実施形態に係る超音波信号を増幅するための増幅器を含む超音波デバイスのブロック図である。 ［0009］本出願の限定ではない実施形態に係る、図１の超音波トランスデューサ及び平均回路に結合された、図１の増幅器をより詳細に例示する図である。 ［0010］本出願の限定ではない実施形態に係る図２の増幅器の一実装を例示する回路図である。 ［0011］本出願の限定ではない実施形態に係る図３Ａの或る可変インピーダンス回路の一実装の回路図である。 ［0012］本出願の限定ではない実施形態に係る図３Ａの別の可変インピーダンス回路の一実装の回路図である。 ［0013］本出願の限定ではない実施形態に係る、図２及び図３Ａの増幅器により実装され得る、取得周期中の増幅器の２つの可変電流源の挙動を例示するグラフである。 ［0014］本出願の限定ではない実施形態に係る、超音波信号を表す電気信号、及び取得周期中の増幅器のノイズフロアを例示するグラフである。
［0015］ 本出願の態様は、超音波デバイスのための増幅回路に関係する。超音波デバイスは、超音波信号を受信し、電気出力信号を生成するように構成された、１つ以上の超音波トランスデューサを含んでよい。したがって、超音波トランスデューサは超音波センサとして動作し得る。超音波デバイスは、電気出力信号を増幅するための１つ以上の増幅器を含んでよい。増幅器により消費される電力、増幅器により発生するノイズ、及び増幅器により提供される線形信号の増幅品質は、増幅器により消費される電流の量に依存する場合がある。いくつかの実施形態では、増幅器は可変電流源を有する。可変電流源は、増幅器により消費される電力の量を同時に低減させながら、増幅器のノイズレベルを信号レベルよりも低く維持するべく且つ線形増幅を維持するべく超音波信号の取得中に調節される。いくつかの実施形態では、増幅器はＴＩＡである。
［0016］ 前述の態様及び実施形態並びにさらなる態様及び実施形態が以下でさらに説明される。これらの態様及び／又は実施形態は、本出願がこれに関して限定されないので、個々に、すべて一緒に、又は２つ以上の任意の組み合わせで用いられてよい。
［0017］ 図１は、本出願の限定ではない実施形態に係る、受信した超音波信号を処理するための回路を例示する。回路１００は、Ｎ個の超音波トランスデューサ１０２ａ…１０２ｎを含み、ここで、Ｎは整数である。超音波トランスデューサは、いくつかの実施形態では、受信した超音波信号を表す電気信号を生成するセンサである。超音波トランスデューサはまた、いくつかの実施形態では超音波信号を送信してよい。超音波トランスデューサは、いくつかの実施形態では容量型微小加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）であってよい。超音波トランスデューサは、いくつかの実施形態では圧電微小加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）であってよい。他の実施形態ではさらに代替的なタイプの超音波トランスデューサが用いられてよい。
［0018］ 回路１００は、Ｎ個の回路チャネル１０４ａ…１０４ｎをさらに備える。回路チャネルは、それぞれの超音波トランスデューサ１０２ａ…１０２ｎに対応し得る。例えば、８つの超音波トランスデューサ１０２ａ…１０２ｎと８つの対応する回路チャネル１０４ａ…１０４ｎが存在し得る。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ１０２ａ…１０２ｎの数は、回路チャネルの数より多くてもよい。
［0019］ 回路チャネル１０４ａ…１０４ｎは、送信回路、受信回路、又はこの両方を含んでよい。送信回路は、それぞれのパルサ１０８ａ…１０８ｎに結合される送信デコーダ１０６ａ…１０６ｎを含んでよい。パルサ１０８ａ…１０８ｎは、超音波信号を発するべくそれぞれの超音波トランスデューサ１０２ａ…１０２ｎを制御してよい。
［0020］ 回路チャネル１０４ａ…１０４ｎの受信回路は、それぞれの超音波トランスデューサ１０２ａ…１０２ｎから出力された電気信号を受信してよい。例示される例では、各回路チャネル１０４ａ…１０４ｎは、それぞれの受信スイッチ１１０ａ…１１０ｎ及び増幅器１１２ａ…１１２ｎを含む。受信スイッチ１１０ａ…１１０ｎは、所与の超音波トランスデューサ１０２ａ…１０２ｎからの電気信号の読み出しをアクティブ／非アクティブにするべく制御されてよい。より一般には、受信スイッチ１１０ａ…１１０ｎは、スイッチとの代替が同じ機能を果たすために採用され得るので、受信回路であってよい。増幅器１１２ａ…１１２ｎ並びに図３の増幅器３００（後述する）は、いくつかの実施形態ではＴＩＡであってよい。増幅器１１２ａ…１１２ｎのうちの１つ以上は、可変電流増幅器であってよい。さらに後述するように、増幅器の電流を取得周期中に変化させてよく、したがって、電力消費、ノイズレベル、及び増幅器の直線性が調節される。増幅器１１２ａ…１１２ｎは、アナログ信号を出力してよい。
［0021］ 回路１００は、本明細書では加算器又は加算増幅器とも呼ばれる平均回路１１４をさらに備える。いくつかの実施形態では、平均回路１１４は、バッファ又は増幅器である。平均回路１１４は、増幅器１１２ａ…１１２ｎのうちの１つ以上からの出力信号を受信してよく、平均された出力信号を提供してよい。種々の増幅器１１２ａ…１１２ｎからの信号を加算又は減算することにより、平均された出力信号が部分的に形成され得る。平均回路１１４は、可変フィードバック抵抗を含んでよい。可変フィードバック抵抗の値は、平均回路がそこから信号を受信する増幅器１１２ａ…１１２ｎの数に基づいて動的に調節されてよい。いくつかの実施形態では、可変抵抗は、Ｎ個の抵抗設定を含んでよい。すなわち、可変抵抗は、回路チャネル１０４ａ…１０４ｎの数に対応するいくつかの抵抗設定を有し得る。したがって、平均出力信号は、平均回路１１４の入力で受信される組み合わされた信号に選択された抵抗を適用することによっても部分的に形成され得る。
［0022］ 平均回路１１４は、オートゼロブロック１１６に結合される。オートゼロブロック１１６は、プログラム可能な利得増幅器１１８に結合され、これは、減衰器１２０及び固定利得増幅器１２２を含む。プログラム可能な利得増幅器１１８は、ＡＤＣドライバ１２４を介してＡＤＣ１２６に結合される。例示される例では、ＡＤＣドライバ１２４は、第１のＡＤＣドライバ１２５ａ及び第２のＡＤＣドライバ１２５ｂを含む。ＡＤＣ１２６は、平均回路１１４からの信号をデジタル化する。
［0023］ 図１は、超音波デバイスの回路の一部としていくつかのコンポーネントを例示するが、本明細書で説明される種々の態様は、例示される正確なコンポーネント又はコンポーネントの構成に限定されないことを理解されたい。例えば、本出願の態様は、増幅器１１２ａ…１１２ｎに関係し、回路１００におけるそれらの増幅器の下流に例示されるコンポーネントは、いくつかの実施形態では随意的である。
［0024］ 図１のコンポーネントは、単一の基板上又は異なる基板上に存在してよい。例えば、例示されるように、超音波トランスデューサ１０２ａ…１０２ｎは第１の基板１２８ａ上にあってよく、残りの例示されるコンポーネントは第２の基板１２８ｂ上にあってよい。第１の基板及び／又は第２の基板は、シリコン基板などの半導体基板であってよい。代替的な実施形態では、図１のコンポーネントは、単一の基板上にあってよい。例えば、超音波トランスデューサ１０２ａ…１０２ｎと例示される回路は、同じ半導体ダイ上にモノリシックに集積されてよい。このような集積は、超音波トランスデューサとしてＣＭＵＴを用いることにより容易にされ得る。
［0025］ 一実施形態によれば、図１のコンポーネントは超音波プローブの一部をなす。超音波プローブはハンドヘルドであってよい。いくつかの実施形態では、図１のコンポーネントは、患者により装着されるように構成された超音波パッチの一部をなす。
［0026］ 図２は、図１の増幅器１１２ａの限定ではない例をより詳細に示す。同じ構成が図１の他の増幅器１１２ｎに関して用いられてよい。文脈上、超音波トランスデューサ１０２ａと平均回路１１４も例示されるが、簡潔にするために受信スイッチ１１０ａは省略される。
［0027］ この限定ではない実施形態では、増幅器１１２ａは、２段演算増幅器（略して「オペアンプ」）として実装される。第１段２０２は、超音波トランスデューサ１０２ａに結合される。第２段２０４は、第１段２０２と平均回路１１４との間に結合される。第２段２０４は、この限定ではない例では、増幅器１１２ａの出力信号を提供する。
［0028］ 第１段２０２及び第２段２０４は、それぞれ、可変電流源を有する。可変電流源２０３が、第１段２０２のために設けられ、電流Ｉ１をシンクする。可変電流源２０５が、第２段２０４のために設けられ、電流Ｉ２をシンクする。可変電流源２０３及び２０５は、それぞれの段２０２及び２０４とは別個に例示されるが、それらはそれぞれの段の一部と考えてよい。
［0029］ 図２に示すような２段増幅器構成により、増幅された信号のノイズ及び直線性が独立して制御され得る。増幅器１１２ａのノイズは、主として第１段２０２の影響を受ける。増幅器１１２ａの直線性は、主として第２段２０４の影響を受ける。より一般には、同じことが２つ以上の段を有する多段増幅器に当てはまる場合があり、この場合、増幅器のノイズは主として第１段の影響を受け、増幅器の直線性は主として最後の段の影響を受ける。本明細書では取得周期と呼ばれる、超音波信号の取得中に、増幅された信号のノイズ及び直線性の重要度が異なる場合があることを出願人は認識した。超音波信号が、取得周期の初期に最初に受信され、超音波信号が反射された信号であるときの浅い深さに対応するときに、関連するノイズは、受信した信号の振幅に比べて比較的低くなるが、増幅された信号の直線性は、比較的高い重要度であり得る。しかしながら、取得周期中のより後期の、超音波信号が反射された信号であるときのより大きい深さに対応する、超音波信号は、より小さくなる可能性が高く、したがって、信号のノイズの重要度が増す。したがって、図２の増幅器１１２ａは、ノイズ及び直線性の独立した可変の制御を可能にするように設計される。制御は、可変電流源２０３及び２０５を介して提供されてよい。
［0030］ 取得周期中の初期に、可変電流源２０３は、比較的少量の電流をシンクするように制御されてよく、一方、電流源２０５は、比較的大量の電流をシンクするように制御されてよい。このようなシナリオでは、第２段２０４は、増幅器１１２ａにより生成される増幅された信号の直線性を制御するように動作してよく、一方、第１段２０２は、増幅された信号２０２のノイズを、それが可能であるよりも小程度に制御してよい。取得周期の後期に、可変電流源２０３によりシンクされる電流を増加させてよく、一方、可変電流源２０５によりシンクされる電流を減少させてよい。可変電流源２０３によりシンクされる電流を増加させる際に、第１段２０２は、増幅器１１２ａのノイズをより大いに制御するように動作することができる。可変電流源２０５によりシンクされる電流を減少させる際に、第２段２０４は、増幅器１１２ａの直線性をより小程度に制御するように動作することができる。したがって、取得周期中に増幅器の電力、ノイズ、及び直線性特徴を制御するべく、増幅器１１２ａ、より具体的には第１段２０２及び第２段２０４の動的電流バイアス印加が実施されてよい。
［0031］ 電流源２０３及び２０５の動的制御は、デジタルコントローラを用いて達成されてよく、一例が図３Ａに示される。可変電流源２０３及び２０５は、それぞれ、２つ以上のプログラム可能な電流設定を含んでよい。設定の数がより大きくなれば、電流源２０３及び２０５によりシンクされる電流の制御がより大きくなる。
［0032］ 増幅器１１２ａはまた、可変フィードバックインピーダンス２０６を含む。いくつかの実施形態では、可変フィードバックインピーダンスは、可変ＲＣフィードバック回路である。可変ＲＣフィードバック回路の一例が、図３Ａに例示され、該図面に関連して説明される。フィードバックインピーダンスは、入力電流信号が様々な振幅の出力電圧に変換され得るように、トランスインピーダンス増幅器のトランスインピーダンス利得を決定する。
［0033］ 図２及び上記の説明から、本出願の一実施形態は、可変フィードバックインピーダンスと共に、２つ以上の独立制御可能な可変電流源を有する多段ＴＩＡを提供することを認識されたい。可変電流源は、例えば取得周期中のＴＩＡの動的電流バイアス印加を可能にし得る。したがって、増幅器の電力消費、ノイズ、及び直線性が取得周期中に調節され得る。
［0034］ 図３Ａは、本出願の限定ではない実施形態に係る図２の増幅器１１２ａの一実装を例示する回路図である。増幅器３００は、入力３０２及び出力３０４を有する。入力３０２は、図１及び図２に関連して前述したように超音波トランスデューサ又は受信スイッチに結合されてよく、超音波トランスデューサにより受信された超音波信号を表す電気信号を受信してよい。出力３０４は、増幅器１１２ａの増幅された出力信号を提供してよく、増幅された出力信号をそれに提供することが望まれる平均回路又は他のコンポーネントに結合されてよい。
［0035］ 増幅器３００は、それぞれ図２の第１段２０２及び第２段２０４の実装であり得る第１段３０６及び第２段３０８を含む。第１段３０６は、入力３０２で信号を受信するように構成されたゲートを有するＮＭＯＳトランジスタ３１０を含む。ＰＭＯＳトランジスタ３１２及びＰＭＯＳトランジスタ３１４は、ＮＭＯＳトランジスタ３１０のドレインに結合されたＰＭＯＳトランジスタ３１２のドレインと結合されたそれらのゲートを有する。トランジスタ３１２のゲートは、そのドレインに結合される。トランジスタ３１２及び３１４はまた、電源電圧ＶＤＤＡを受けるように構成される。第１段３０６は、ＲＣ回路によって提供されるバイアス電圧を受けるように構成されたゲートを有するＮＭＯＳトランジスタ３１６をさらに備える。ＲＣ回路は、値Ｒの２つのレジスタと、レジスタのうちの一方と並列に結合されたキャパシタＣｂを含む。他方のレジスタは、電源電圧ＶＤＤＡを受ける。ＰＭＯＳトランジスタ３１４のドレインは、ＮＭＯＳトランジスタ３１６のドレインに結合される。Ｒの値の一例は５０ｋＯｈｍであり、Ｃｂの値の一例は１０ｐＦであるが、列挙されたこれらの値の＋／−２０％又はこのような範囲内の任意の値又は値の範囲などの両方に代わる値が可能である。
［0036］ 第２段３０８は、第１段３０６の出力を受信するように構成されたＰＭＯＳトランジスタ３１８を含む。特に、ＰＭＯＳトランジスタ３１８のゲートは、第１段３０６のトランジスタ３１４と３１６との間のノードに結合される。ＰＭＯＳトランジスタ３１８のソースは、ＶＤＤＡを受ける。第２段３０８に可変インピーダンス回路３２０も設けられる。可変インピーダンス回路３２０は、可変レジスタＲＺと直列に可変キャパシタＣＣを含み、したがって、この実施形態では可変ＲＣ回路である。可変インピーダンス回路３２０は、増幅器の利得又は電流源の電流が変化するときに増幅器３００の安定した動作を提供し得る。したがって、可変インピーダンス回路は、可変電流源３２１及び３２５によりシンクされるすべての電流の大きさにわたる増幅器３００の安定した動作を維持するために設けられてよい。すなわち、ＣＣ及びＲＺの値が、デジタルコントローラ３３０によりプログラムされた異なる電流設定を考慮に入れるべく増幅器３００の動作中に調節されてよい。
［0037］ 段３０６及び３０８のそれぞれのための可変電流源が設けられる。第１段３０６のための可変電流源３２１は、３つの並列に接続された電流源３２２ａ、３２２ｂ、及び３２２ｃを含む。電流源３２２ａは電流ＩＡをシンクし、電流源３２２ｂは電流２ＩＡをシンクし、電流源３２２ｃは電流４ＩＡをシンクする。電流源３２２ａ〜３２２ｃは、それぞれのスイッチ３２４ａ、３２４ｂ、及び３２４ｃにより第１段３０６に結合され、これは電流の３ビット（８つの状態）の制御を効果的に提供する。電流ＩＡは、例として、１００マイクロアンペア又は該値の＋／−２０％又はこのような範囲内の任意の値又は値の範囲に等しくてよい。
［0038］ 第２段３０８のための可変電流源３２５は、３つの並列に接続された電流源３２６ａ、３２６ｂ、及び３２６ｃを含む。電流源３２６ａは電流ＩＢをシンクし、電流源３２６ｂは電流２ＩＢをシンクし、電流源３２６ｃは電流４ＩＢをシンクする。電流源３２６ａ〜３２６ｃは、それぞれのスイッチ３２８ａ、３２８ｂ、及び３２８ｃにより第２段３０８に結合され、これは電流の３ビット（８つの状態）の制御を効果的に提供する。電流ＩＢは、例として、５０マイクロアンペア又は該値の＋／−２０％又はこのような範囲内の任意の値又は値の範囲に等しくてよい。
［0039］ 図３Ａは、３つの並列に結合された電流源をそれぞれ含む可変電流源を例示するが、本出願のすべての態様がこのように限定されるわけではないことを理解されたい。すなわち、可変電流源は、例示された様態の代替の様態を含む種々の様態で実装されてよい。例えば、３つよりも多い又は少ない電流源が、可変電流源を生み出すべく並列に結合されてよい。また、電流源の大きさは、図３Ａに例示された大きさとは異なっていてもよい。電流の所望の範囲にわたる動作を可能にするために任意の適切な大きさが提供されてよい。
［0040］ 可変電流源３２１及び３２５の動作を制御するべく、デジタルコントローラ３３０が設けられる。デジタルコントローラは、可変電流源の電流を（デジタルに）プログラムするべく制御信号を提供する。例示される例では、デジタルコントローラ３３０は、スイッチ３２４ａ〜３２４ｃの動作を制御するべく１つ以上のスイッチング信号Ｓ１を提供し、スイッチ３２８ａ〜３２８ｃの動作を制御するべく１つ以上のスイッチング信号Ｓ２を提供する。このように、可変電流源によりシンクされる電流の量は、増幅器３００の動作中に、例えば取得周期中に、独立して変化させることができる。限定ではない例によれば、デジタルコントローラ３３０は、スイッチング信号Ｓ１及びＳ２の適切な動作を通じて、取得周期中に可変電流源３２５によりシンクされる電流を減少させ、取得周期中に可変電流源３２１によりシンクされる電流を増加させる。
［0041］ デジタルコントローラ３３０は、任意の適切なタイプのコントローラであってよい。デジタルコントローラは、集積回路を含んでよい。いくつかの実施形態では、デジタルコントローラ３３０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含んでよく又はその一部であってよい。いくつかの実施形態では、デジタルコントローラ３３０は、増幅器３００専用ではなくてもよい。例えば、デジタルコントローラは、そのうちの１つが増幅器１１２ａ…１１２ｎであり得る図１の回路の１つよりも多いコンポーネントを制御するために設けられてよい。
［0042］ 増幅器３００は、可変キャパシタＣｆ及び可変レジスタＲｆにより形成される可変フィードバックインピーダンス３３２をさらに含む。キャパシタＣｆ及びレジスタＲｆは、出力３０４と入力３０２との間に結合されてよく、互いに並列であってよい。可変フィードバックインピーダンス３３２は、増幅器３００の利得を制御してよい。したがって、Ｃｆ及びＲｆの値が、増幅器の利得を変化させるべく調節されてよい。
［0043］ 可変フィードバックインピーダンス３３２及び可変インピーダンス回路３２０は、任意の適切な方法で制御されてよい。一実施形態では、デジタルコントローラ３３０が、フィードバックインピーダンスの値を設定してよい。しかしながら、代替的な制御の様態が用いられてよい。
［0044］ 図３Ａに関連したコンポーネントの説明されたグループ分けは限定ではないことを理解されたい。例えば、この図に例示された特定のコンポーネントは、第１段又は第２段の一部として説明されるが、第１段及び第２段の識別は限定ではない。第１段及び第２段は、例示されたコンポーネントよりも多い、少ない、又は異なるコンポーネントを含んでよい。
［0045］ 図３Ｂは、本出願の限定ではない実施形態に係る図３Ａの可変インピーダンス回路３２０の一実装の回路図である。可変インピーダンス回路３２０は、並列に構成され、それぞれの制御信号ＳＷａ…ＳＷｎを受信するように構成された、いくつかのスイッチ３４０ａ…３４０ｎを含む。いくつかの実施形態では、デジタルコントローラ３３０は、制御信号ＳＷａ…ＳＷｎを提供してよいが、代替が用いられてもよい。各スイッチは、それぞれのキャパシタＣＣ及びレジスタＲＺと直列に結合される。可変インピーダンス回路３２０のインピーダンスは、制御信号ＳＷａ…ＳＷｎの適切な提供を通じて取得周期中に調節されてよい。任意の適切な数の並列な信号経路が提供されてよく、したがって、２つの並列な信号経路の例示は限定ではない。提供される並列な信号経路の数とキャパシタンス及び抵抗値は、可変電流源のバリエーションに起因する動作シナリオの範囲にわたる増幅器の可変動作を考慮に入れるべくフィードバックインピーダンスの十分な制御を提供するように選択されてよい。例えば、可変フィードバックインピーダンス３３２によって決まる所与の増幅器利得に関して、可変インピーダンス回路３２０の適切な設定が選択されてよい。いくつかの実施形態では、可変フィードバックインピーダンス３３２による所与の利得セットに基づいて可変インピーダンス回路３２０の適切な設定を決定するのにルックアップテーブルが用いられてよい。
［0046］ 図３Ａと図３Ｂとの両方において、ＣＣ及びＲＺの値は、所望の動作特徴を提供するべく選択されてよい。例として、ＲＺは、いくつかの実施形態では３ｋＯｈｍに等しくてよく、ＣＣは、３００ｆＦに等しくてよい。両方に関して代替が可能である。例えば、それらは列挙されたそれらの値の＋／−２０％以内の値又はこのような範囲内の任意の値又は値の範囲をとり得る。
［0047］ 図３Ｃは、本出願の限定ではない実施形態に係る図３Ａの可変インピーダンス回路３３２の一実装の回路図である。可変インピーダンス回路３３２は、いくつかの相補的スイッチ３５０ａ、３５０ｂ…３５０ｎを含む。各スイッチは、それぞれの制御信号ＳＬａ、ＳＬｂ…ＳＬｎ及びＳＨａ、ＳＨｂ…ＳＨｎを受信する。制御信号は、いくつかの実施形態ではデジタルコントローラ３３０によって提供されてよいが、代替が用いられてもよい。相補的スイッチは、それぞれの並列に接続されたＲＣ回路Ｃｆ、Ｒｆに結合される。３つの相補的スイッチが図３Ｃに示されるが、増幅器３００の利得の十分な制御を可能にするために任意の適切な数が設けられてよい。
［0048］ 図３Ａと図３Ｃとの両方において、Ｃｆ及びＲｆの値は、所望の動作特徴を提供するべく選択されてよい。例として、Ｒｆは、いくつかの実施形態では１８０ｋＯｈｍに等しくてよく、Ｃｆは、８４ｆＦに等しくてよい。両方に関して代替が可能である。例えば、それらは列挙されたそれらの値の＋／−２０％以内の値又はこのような範囲内の任意の値又は値の範囲をとり得る。
［0049］ 図４は、同様にＴＩＡであり得る、図２及び図３Ａの増幅器により実装され得る場合の、取得周期中の可変電流増幅器の２つの可変電流源の挙動を例示するグラフである。例えば、例示された挙動は、図２の可変電流源２０３及び２０５により実装され得る。ｘ軸は、ｔ０〜ｔ８の範囲の取得周期中の時間を表す。ｙ軸は、Ｉ０〜Ｉ８の範囲の値を有する電流源の電流を表す。本明細書で説明される種々の態様はどの特定の時間又は電流値の実装にも限定されないので、ｔ０〜ｔ８及びＩ０〜Ｉ８の値は、所与の超音波システムの動作のための任意の適切な値であり得る。また、より多く又は少なく実装され得るので、取得周期中の時間間隔の数は限定ではない。より多く又は少なく実装され得るので、実装され得る電流値の数は限定ではない。
［0050］ 曲線４０２は、可変電流増幅器の第２段の可変電流源の電流を表す。したがって、曲線４０２は、図２の電流源２０５の電流を表し得る。曲線４０４は、可変電流増幅器の第１段の可変電流源の電流を表す。したがって、曲線４０４は、図２の電流源２０３の電流を表し得る。
［0051］ 図４は、可変電流増幅器の第１段及び第２段の電流が取得周期中に反対方向に推移することを例示する。すなわち、曲線４０２は、時間ｔ０から時間ｔ８にかけて減少推移し、一方、曲線４０４は、同じ時間にわたって増加する。図２に関連して前述したように、可変電流増幅器の第１段及び第２段は、ノイズ及び直線性などの可変電流増幅器の挙動の異なる特徴に影響を及ぼすことができる。したがって、図４に例示された様態で動作するときに、可変電流増幅器の２つの段の影響を取得周期中に変化させることができる。すなわち、第２段の影響を、最初に時間ｔ４まで、より大きくしてよく、一方、第１段の影響を、その後の時間ｔ４から時間ｔ８まで、より大きくしてよい。
［0052］ 図３Ａに関連して前述したように、可変電流増幅器を実装するのに用いられる２段オペアンプの２つの段の電流は、デジタルコードにより制御されてよい。したがって、図４の電流値Ｉ０〜Ｉ７は、図３Ａのデジタルコントローラ３３０などのデジタルコントローラにより設定される異なるデジタルコードに対応し得る。
［0053］ 図４は、増幅器の第１段及び第２段の電流が同時に切り替わることを例示するが、すべての実施形態がこれに関して限定されるわけではない。例えば、第２段の電流は、第１段の電流が調節される時点からずらした時点で調節することもできる。同様に、２つの段の電流が取得周期中に同じ回数調節される必要はない。
［0054］ 前述のように、本出願の一態様は、取得周期中に増幅器のノイズを調節するように制御される可変電流源を有する増幅器を提供する。図５は、このような動作の例を示す。
［0055］ 図５では、超音波トランスデューサにより出力された、したがって検出された超音波信号を表す電気信号５０２の電圧が、時間の関数として例示される。破線５０４は、電気信号５０２を増幅するのに用いられる増幅器のノイズフロアを表し、増幅器１１２ａなどの本明細書で説明されるタイプの増幅器のノイズフロアに対応し得る。取得周期中に、電気信号の大きさが低減することが分かる。同様に、増幅器のノイズフロアが低減する。このようなノイズフロアの低減は、増幅器の可変電流源によりシンクされる電流を本明細書で前に説明した様態で制御することにより達成されてよい。例えば、図２を参照すると、可変電流源２０３は、増幅器１１２ａのノイズフロアを低減させるべく取得周期中に増加させてよい。ノイズフロアは、容認可能な信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を提供するレベルに調節されてよい。
［0056］ 図５は、一定のノイズフロア５０６も例示する。一定のノイズフロア５０６は、取得周期の終わりの方は破線５０４と同じレベルにあるが、一定のノイズフロア５０６は、該点までは破線５０４よりも低い値であることが分かる。本明細書で説明されているように、増幅器のノイズレベルは、増幅器により消費される電流に依存する場合があり、このような状況では、一定のノイズフロア５０６での動作は、破線５０４に従う動作よりも顕著により多くの電流（したがって、電力）を必要とすることを理解されたい。したがって、超音波信号を増幅するべく可変電流増幅器を設ける本出願の態様は、一定のノイズレベルで動作する増幅器に比べて実質的な電力節減を提供し得る。
［0057］ 電力節減量は顕著であり得る。例えば、回路１００では、増幅器１１２ａ…１１２ｎは、顕著な量の電力を消費し得る。いくつかの実施形態では、増幅器１１２ａ…１１２ｎは、回路１００のどの他のコンポーネントよりも多くの電力を消費し得る。したがって、増幅器１１２ａ…１１２ｎの電力消費の低減は、回路１００の電力の顕著な低減を提供し得る。いくつかの実施形態では、本明細書で説明されるタイプの可変電流増幅器の使用は、増幅器の動作の点で最高２５％の電力低減、最高４０％の電力低減、最高５０％の電力低減、又はこのような範囲内の任意の範囲又は値を提供し得る。結果的な回路１００の電力低減は、最高１０％、最高２０％、最高２５％、又はこのような範囲内の任意の範囲又は値であり得る。
［0058］ 本出願の技術のいくつかの態様及び実施形態がこのように説明されており、種々の変更、修正、及び改善を当該技術分野の当業者はすぐに思いつくであろうということを理解されたい。このような変更、修正、及び改善は、本出願で説明される技術の精神及び範囲内となることが意図される。したがって、上記の実施形態は単なる例として提示されることと、具体的に説明された実施形態以外の他の発明的な実施形態が実施され得ることが理解されるべきである。
［0059］ 例として、本明細書で説明される或る実施形態は、２段増幅器に焦点をあてている。しかしながら、本明細書で説明される技術は、２つ以上の段を有する多段増幅器に適用されてよい。２つよりも多い段が用いられるときに、第１段は、主として増幅器のノイズを制御してよく、一方、最後の段は、主として増幅器の直線性を制御してよい。
［0060］ 説明されるいくつかの態様は、１つ又は複数の方法として具体化されてよい。方法の一部として行われる行為は、任意の適切な方法で順序付けられてよい。したがって、例示的な実施形態では順次的な行為として示されるにもかかわらず、行為が例示されたのとは異なる順序で行われる、いくつかの行為を同時に行うことを含む場合がある実施形態が構築されてよい。
［0061］ 本明細書で定義され用いられる場合のすべての定義は、辞書での定義、参照により組み込まれる文書での定義、及び／又は定義された用語の通常の意味と照らし合わせるように理解されたい。
［0062］ 本明細書及び請求項で用いられる場合の「及び／又は」という文言は、そのように結合される要素、すなわち、或る場合に接続的に存在し、他の場合に離接的に存在する要素の「いずれか又は両方」を意味すると理解されたい。
［0063］ 本明細書及び請求項で用いられる場合の「少なくとも１つ」という文言は、１つ以上の要素のリストに関連して、要素のリストにある要素のうちの任意の１つ以上から選択されるが要素のリスト内に具体的に列挙される各及びすべての要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含まない且つ要素のリストにおける要素の任意の組み合わせを除外しない少なくとも１つの要素を意味すると理解されたい。
［0064］ 本明細書で用いられる場合の数字の文脈で用いられる「間」という用語は、他に示されない限り包括的となるべきである。例えば、「ＡとＢとの間」は、別段の指示がない限りＡ及びＢを含む。
［0065］ 請求項並びに上記の本明細書での、「備える」「含む」「もつ」「有する」「含有する」「関係する」「保持する」「で構成される」などのすべての移行句は、オープンエンドとなる、すなわち、「〜を含むがこれらに限定されない」を意味するように理解されるべきである。「〜からなる」及び「本質的に〜からなる」という移行句だけが、それぞれクローズド又はセミクローズドの移行句となるものとする。

Claims (16)

  1. 超音波センサと、
    前記超音波センサに結合され、前記超音波センサからの出力信号を受信及び増幅するように構成された、可変電流トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）と、
    を備え、前記可変電流ＴＩＡが可変電流源を有する、超音波装置。
  2. 前記可変電流ＴＩＡが、第１段及び第２段を有する２段演算増幅器であり、前記可変電流源が、前記第１段に結合される第１の可変電流源及び前記第２段に結合される第２の可変電流源を含む、請求項１に記載の超音波装置。
  3. 前記第１の可変電流源及び前記第２の可変電流源が独立して制御可能である、請求項２に記載の超音波装置。
  4. 前記第１の可変電流源及び前記第２の可変電流源がデジタルにプログラム可能である、請求項２に記載の超音波装置。
  5. 前記第１段が、前記超音波センサからの出力信号を受信するように配置され、前記第２段が、前記可変電流ＴＩＡの出力信号を提供するように配置される、請求項２に記載の超音波装置。
  6. 前記可変電流ＴＩＡが、前記可変電流ＴＩＡの出力端子と前記第２段への入力を表すノードとの間に結合される、可変フィードバックＲＣ回路をさらに備える、請求項２に記載の超音波装置。
  7. 前記可変電流源に結合され、前記可変電流源を通る電流の量を制御するように構成された制御回路をさらに備える、請求項１に記載の超音波装置。
  8. 前記超音波センサ及び前記可変電流ＴＩＡが半導体チップ上にモノリシックに集積される、請求項１に記載の超音波装置。
  9. 前記可変電流ＴＩＡが、第１段及び最後の段を有する多段演算増幅器であり、前記可変電流源が、前記第１段に結合される第１の可変電流源及び前記最後の段に結合される第２の可変電流源を含む、請求項１に記載の超音波装置。
  10. 取得周期中に超音波センサで超音波信号を取得し、前記超音波センサから、前記超音波信号を表すアナログ電気信号を出力することと、
    前記取得周期中に可変電流トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）の電流を変化させることを含む、前記可変電流ＴＩＡで前記電気信号を増幅することと、
    を含む、方法。
  11. 前記可変電流ＴＩＡが、第１段及び第２段を有する２段演算増幅器であり、前記取得周期中に前記可変電流ＴＩＡの電流を変化させることが、前記第１段の電流及び前記第２段の電流を独立して変化させることを含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記可変電流ＴＩＡが、前記第１段に結合される第１の可変電流源及び前記第２段に結合される第２の可変電流源をさらに備え、前記第１段の電流及び前記第２段の電流を独立して変化させることが、前記第１の可変電流源及び前記第２の可変電流源をデジタルにプログラムすることを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第１段の電流及び前記第２段の電流を独立して変化させることが、取得周期中に前記第１段の前記電流を増加させ、取得周期中に前記第２段の前記電流を減少させることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記取得周期中に前記可変電流ＴＩＡのフィードバックキャパシタンス又はフィードバック抵抗を変化させることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  15. 前記フィードバックキャパシタンス又はフィードバック抵抗を変化させることが、前記電流を変化させることと協調してフィードバックキャパシタンス又はフィードバック抵抗を変化させることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 取得周期中に超音波センサで超音波信号を取得し、前記超音波センサから、前記超音波信号を表すアナログ電気信号を出力することと、
    前記取得周期中に可変電流トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）のノイズフロアを低減させることを含む、前記可変電流ＴＩＡで前記電気信号を増幅することと、
    を含む、方法。
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