JP2020524423A - 超音波デバイスのための多段トランスインピーダンス増幅器（ｔｉａ） - Google Patents

超音波デバイスのための多段トランスインピーダンス増幅器（ｔｉａ） Download PDF

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Abstract

多段トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）を備える超音波回路が記載されている。ＴＩＡは、超音波トランスデューサに結合されて、超音波信号の受信に応答して、超音波トランスデューサによって生成された電気信号を増幅する。ＴＩＡは、複数の段を含むことができ、それらのうちの少なくとも２つが異なる供給電圧で動作する。ＴＩＡの後に、ＴＩＡによって発生した信号をフィルタリング、増幅、及びデジタル化するように構成された、さらなる処理回路が続く場合もある。

Description

関連出願の相互参照
[0001] 本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、代理人整理番号Ｂ１３４８．７００４６ＵＳ００の下で２０１７年６月２０日に出願され、「超音波デバイスのための多段トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）」と題された米国仮特許出願第６２／５２２，５９７号の利益を主張し、その全体が参照によって本明細書に援用される。
背景
分野
[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。
関連技術
[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発生させる、１つ又は複数の超音波センサを含んでいる場合が多い。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。時として、処理された電気信号から超音波イメージが生成される。
概要
[0004] 本出願の一態様に従って、超音波センサと、この超音波センサに結合された、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多段トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ：trans-impedance amplifier）と、を備える超音波装置が提供される。多段ＴＩＡは、異なる供給電圧で動作する段を含むことができ、少なくともいくつかの状況で電力消費量を低減させることができる。
[0005] 本出願の一態様に従って、超音波トランスデューサと、この超音波トランスデューサに結合された入力端子を有する多段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。多段ＴＩＡは、超音波トランスデューサからのアナログ電気信号を受信及び増幅するように構成されている。多段ＴＩＡは、第１の供給電圧を受け取るように構成された第１の段、及び、第１の供給電圧とは異なる第２の供給電圧を受け取るように構成された第２の段を備える。
[0006] 本出願の一態様に従って、基板と、この基板上に集積された複数の超音波トランスデューサと、基板上に集積され、複数の超音波トランスデューサに結合されたアナログ処理回路と、を備える超音波オンチップデバイスが提供される。アナログ処理回路は、複数の超音波トランスデューサのうちの超音波トランスデューサに結合された多段トランスインピーダンス増幅器を備える。多段ＴＩＡは、異なる供給電圧を受け取るように構成された複数の段を備える。
[0007] 本出願の一態様に従って、超音波回路を動作させる方法であって、多段トランスインピーダンス増幅器の第１の段であって、第１の供給電圧値で動作する多段ＴＩＡの第１の段で、超音波トランスデューサによって出力された電気信号を受信及び増幅することと、第１の供給電圧値とは異なる第２の供給電圧値で動作する多段ＴＩＡの第２の段で、第１の段の出力信号を増幅することと、を含む方法が提供される。
図面の簡単な説明
[0008] 本出願の様々な態様及び実施形態を以下の図面を参照しながら説明する。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。複数の図面に現れる項目は、それらが現れるすべての図面において同じ参照番号によって表示されている。
[0009]本出願の非限定的な実施形態による、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。 [0010]本出願の非限定的な実施形態による、図１の増幅器のブロック図表現を図示し、供給電圧が異なる２つの段を図示している。 [0011]本出願の非限定的な実施形態による、図２の多段増幅器の非限定的な例示的実装を図示する。
詳細な説明
[0012] 本出願の態様は、超音波デバイスのための増幅回路に関する。超音波デバイスは、超音波信号を受信するように、また、電気出力信号を発生させるように構成された１つ又は複数の超音波トランスデューサを含むことができる。したがって、超音波トランスデューサを超音波センサとして動作させることができる。超音波デバイスは、電気出力信号を増幅するための１つ又は複数の増幅器を含むことができる。いくつかの実施形態では、増幅器は、異なる供給電圧レベルで動作する段を有する多段増幅器とすることができる。このように、段のうちの少なくとも１つに低い供給電圧レベルを使用することにより、低電力での動作を容易にすることができる。いくつかの実施形態では、多段増幅器の第１の段は、次の段よりも低い供給電圧で動作することができる。次の段は、所望の出力利得の増幅器を提供することができる。
[0013] 本出願の一態様に従って、超音波回路を動作させる方法であって、超音波トランスデューサを用いて電気信号を発生させることと、多段ＴＩＡを用いて電気信号を増幅することと、を含む方法が提供される。多段ＴＩＡは、次の段よりも低い供給電圧レベルで動作するように構成された第１の段を含むことができ、したがって電力の節約をもたらすことができる。
[0014] 上述の態様及び実施形態だけでなく、追加の態様及び実施形態についても、以下でさらに説明する。これらの態様及び／又は実施形態は、本出願はこの点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使用することができる。
[0015] 図１は、本出願の非限定的な実施形態による、受信した超音波信号を処理するための回路を図示する。回路１００は、Ｎ個の超音波トランスデューサ１０２ａ．．．１０２ｎを含み、ここでの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発生させるセンサである。超音波トランスデューサは、いくつかの実施形態では、超音波信号を送信してもまたよい。超音波トランスデューサは、いくつかの実施形態では、容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：capacitive micromachined ultrasonic transducer）とすることができる。超音波トランスデューサは、いくつかの実施形態では、圧電性微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ：piezoelectric micromachined ultrasonic transducer）とすることができる。他の実施形態では代替的なタイプの超音波トランスデューサを使用することができる。
[0016] 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に対応することができる。例えば、８個の超音波トランスデューサ１０２ａ．．．１０２ｎ、及び８個の対応する回路チャネル１０４ａ．．．１０４ｎが存在してもよい。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も多くてもよい。
[0017] 回路チャネル１０４ａ．．．１０４ｎは、送信回路、受信回路、又はこの両方を含むことができる。送信回路は、それぞれのパルサ１０８ａ．．．１０８ｎに結合された送信デコーダ１０６ａ．．．１０６ｎを含むことができる。パルサ１０８ａ．．．１０８ｎは、それぞれの超音波トランスデューサ１０２ａ．．．１０２ｎを制御して超音波信号を発することができる。
[0018] 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（アナログ）電気信号を受信することができる。図示されている例では、各回路チャネル１０４ａ．．．１０４ｎが、それぞれの受信回路１１０ａ．．．１１０ｎと、増幅器１１２ａ．．．１１２ｎと、を含む。受信回路１１０ａ．．．１１０ｎを制御して、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有効／無効にすることができる。適切な受信回路１１０ａ．．．１１０ｎの一例がスイッチである。すなわち、１つの実施形態では、受信回路は、送信モードの間に受信回路から超音波トランスデューサを切断するように切り替えられ、また、受信モードの間に受信回路に超音波トランスデューサを接続するように切り替えられる制御可能なスイッチである。スイッチの代替物を用いて同じ機能を実行してもよい。
[0019] 増幅器１１２ａ．．．１１２ｎは、いくつかの実施形態では、増幅されたアナログ信号を出力する多段ＴＩＡとすることができる。以下でさらに説明するように、いくつかの実施形態では１つ又は複数の、また、いくつかの実施形態ではすべての増幅器１１２ａ〜１１２ｎが、後続の段よりも低い供給電圧レベルで動作する第１の段を含むことができる。複数の供給電圧で多段ＴＩＡを使用することにより、代替的な増幅器設計を使用することに比べ、回路１００の低電力での動作を容易にすることができる。
[0020] 回路１００は、平均化回路１１４をさらに備え、これは本明細書では加算器又は加算増幅器とも呼ばれる。いくつかの実施形態では、平均化回路１１４は、バッファ又は増幅器である。平均化回路１１４は、増幅器１１２ａ．．．１１２ｎのうちの１つ又は複数から出力信号を受信することができ、平均化された出力信号を供給することができる。平均化された出力信号は、様々な増幅器１１２ａ．．．１１２ｎからの信号を加算又は減算することによって、部分的に形成することができる。平均化回路１１４は、可変フィードバック抵抗を含むことができる。可変フィードバック抵抗の値は、平均化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することができる。いくつかの実施形態では、可変抵抗は、Ｎ個の抵抗設定を含むことができる。すなわち、可変抵抗は、回路チャネル１０４ａ．．．１０４ｎの数に対応する数の抵抗設定を有することができる。したがって、平均出力信号は、平均化回路１１４の入力において受信した合成信号に選択された抵抗を印加することによって、部分的に形成してもまたよい。
[0021] 平均化回路１１４は、本明細書では「ＤＣブロック」とも呼ばれるオートゼロブロック１１６に結合されている。オートゼロブロック１１６は、平均化回路１１４によって供給される平均化された信号をフィルタリングすることができ、ゆえに、少なくともいくつかの実施形態では、フィルタと見なすことができる。
[0022] オートゼロブロック１１６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に結合されている。プログラム可能な利得増幅器１１８は、時間利得補償（ＴＧＣ：time gain compensation）を実行することができ、ゆえに、代替的にＴＧＣ段又はＴＧＣ回路と呼ばれる場合がある。ＴＧＣを実行する際に、プログラム可能な利得増幅器１１８は、超音波トランスデューサによる超音波信号の受信の間に供給される増幅を高め、これにより、経時的に生じる信号の自然な減衰を補償することができる。
[0023] 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に結合されている。図示されている例では、ＡＤＣドライバ１２４は、第１のＡＤＣドライバ１２５ａと、第２のＡＤＣドライバ１２５ｂと、を含む。ＡＤＣ１２６は、平均化回路１１４からの信号をデジタル化する。
[0024] 図１は、超音波デバイスの回路の一部として複数の構成要素を図示しているが、本明細書で説明される様々な態様は、図示されている正確な構成要素又は構成要素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に関し、回路１００においてそれらの増幅器の下流に図示されている構成要素は、いくつかの実施形態では省略可能である。
[0025] 図１の構成要素は、単一の基板上、又は異なる基板上に配置することができる。例えば、図示されているように、超音波トランスデューサ１０２ａ．．．１０２ｎは、第１の基板１２８ａ上にあってもよいし、残りの図示されている構成要素は、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とすることができる。代替的な実施形態では、図１の構成要素は、単一の基板上にあってもよい。例えば、超音波トランスデューサ１０２ａ．．．１０２ｎ及び図示されている回路は、同一のダイ（例えば、シリコンなどの半導体ダイ）上にモノリシックに集積することができる。このような集積は、超音波トランスデューサとしてＣＭＵＴを使用することによって容易にすることができる。
[0026] 一実施形態によれば、図１の構成要素は、超音波プローブの一部を形成する。超音波プローブは、ハンドヘルド型とすることができる。いくつかの実施形態では、図１の構成要素は、患者によって着用されるように構成された超音波パッチの一部、又は患者によって嚥下される超音波丸薬の一部を形成する。
[0027] 前述したように、本出願の態様は、多段ＴＩＡのうちの少なくとも２つの段が異なる供給電圧で動作する、超音波デバイスのための多段ＴＩＡを提供する。本発明者らは、多段ＴＩＡの段が、ノイズ性能、線形性、及び利得に異なった影響を及ぼす場合があることを理解している。例えば、超音波トランスデューサに電気的に最も接近している第１の段は、ＴＩＡのノイズ性能を左右する場合があり、一方、ＴＩＡの次の（すなわち「後続の」又は「下流の」）段は、より大きな影響を線形性に対して有する場合がある。その上、第１の段で実現可能なノイズの低減は、少なくとも部分的に、第１の段で使用される電流量に依存する場合があり、電流が大きくなると、ノイズの低減が大きくなる。しかしながら、電流消費量の増大は電力消費量の増大にも対応するので、本発明者らは、多段ＴＩＡの第１の段の供給電圧を低くして動作させることが、その段の電力消費量を低減させるために望ましい場合があることを認識している。一方で、ＴＩＡの線形性への影響がより大きいＴＩＡの後段は、より高い供給電圧レベルで動作させることができる。多段ＴＩＡに別個の供給電圧レベルを使用することによって、多段ＴＩＡのすべての段が同じ供給電圧レベルで動作するシナリオに比べて、電力消費量を低減させることができる。閉ループ利得は、ＴＩＡの開ループ利得帯域幅（単位利得帯域幅）が十分である限り、フィードバック抵抗によって主として制御することができる。
[0028] 図２は、本出願の非限定的な実施形態による、異なる供給電圧レベルで動作する段を有する多段ＴＩＡの非限定的な例を図示する。図示されているＴＩＡは、図１のＴＩＡ１１２ａ．．．１１２ｎの１つの非限定的な実装を表すことができる。
[0029] 示されているように、この非限定的な例における多段ＴＩＡ２００は、第１の段２０２及び第２の段２０４を含む。第１の段２０２は、超音波トランスデューサの出力信号を受信するように構成された入力端子２０６を有することができる。例えば、入力端子２０６は、超音波トランスデューサに直接結合するか、１つ又は複数の追加の構成要素、例えば、受信スイッチなどを通して結合することができる。
[0030] 第１の段２０２の出力は、第２の段２０４の入力に結合することができ、ＴＩＡ２００の出力信号は、第２の段２０４の出力端子２０８で供給することができる。
[0031] 図２の多段ＴＩＡ２００は、フィードバックインピーダンス２１０をさらに含むことができる。フィードバックインピーダンスは、いくつかの実施形態では、抵抗器、キャパシタ、又はインピーダンス素子の組み合わせによって形成することができる。フィードバックインピーダンスは、ＴＩＡの目標利得を提供するための任意の適切な値を有することができる。
[0032] 示されているように、第１の段２０２及び第２の段２０４は、それぞれの供給電圧であるＶｄｄ１及びＶｄｄ２を有することができる。供給電圧Ｖｄｄ１及びＶｄｄ２は、異なっていてもよく、少なくともいくつかの実施形態では、Ｖｄｄ２がＶｄｄ１よりも大きい。上述したように、ＴＩＡの第１の段、すなわち段２０２は、ＴＩＡのノイズ性能に対して第２の段２０４よりも大きな影響を有する場合があり、一方、第２の段２０４は、より大きな影響をＴＩＡの線形性に対して有する場合がある。したがって、低い方の供給電圧Ｖｄｄ１で第１の段２０２を動作させると、ＴＩＡの線形性にマイナスの影響を及ぼすことはないが、第１の段２０２は、ゆえにＴＩＡ２００も、所与のレベルのノイズ性能を得るための消費電力を低減できる場合がある。
[0033] 図２から分かるように、本出願の態様は、多段ＴＩＡの上流の段が多段ＴＩＡの下流の段よりも低い供給電圧で動作する、超音波デバイスのための多段ＴＩＡを提供する。本出願の態様は、多段ＴＩＡの第１の段が多段ＴＩＡの後続の段（例えば、最終段）よりも低い供給電圧で動作する、超音波デバイスのための多段ＴＩＡを提供する。
[0034] 図３は、図２の多段ＴＩＡ２００の実装の非限定的な例を図示する。図３の多段ＴＩＡ３００は、入力端子３０２と、電流源Ｉ１及びトランジスタ３０４を備える第１の段と、増幅器３０６（例えば、演算増幅器）並びにキャパシタＣ１及びＣ２を備える第２の段と、フィードバック抵抗器３０８と、を備える。
[0035] 示されているように、多段ＴＩＡ３００の第１の段は、第１の供給電圧Ｖｄｄ１を受け取ることができ、一方、第２の段は、第２の供給電圧Ｖｄｄ２を受け取ることができる。少なくともいくつかの実施形態では、Ｖｄｄ１がＶｄｄ２よりも小さい場合があり、また、いくつかの実施形態では、Ｖｄｄ２よりも著しく小さい場合がある。例えば、Ｖｄｄ１は、Ｖｄｄ２の値の４分の３未満、Ｖｄｄ２の半分未満、Ｖｄｄ２の４分の１未満、Ｖｄｄ２の２５％から９０％の間、又は任意の他の適切な値とすることができる。
[0036] 多段ＴＩＡ３００の第２の段は、ＴＩＡの線形性を制御する際の支配的要因となり得る。少なくともいくつかの実施形態では、ＴＩＡが高度の線形性を提供することが望ましい場合がある。電圧Ｖｄｄ２は、少なくとも部分的に選択されて、所望の程度の線形性を提供することができる。
[0037] 本出願の技術のいくつかの態様及び実施形態をこのように説明してきたが、当業者であれば様々な変更、修正、及び改良を容易に思い付くであろうことを理解されたい。このような変更、修正、及び改良は、本出願に記載する技術の趣旨及び範囲内にあることが意図されている。したがって、前述の実施形態は例としてのみ提示されたものであり、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内において、本発明の実施形態は、具体的に記載されたもの以外の方法で実践し得ることを理解されたい。
[0038] 説明したように、いくつかの態様は、１つ又は複数の方法として具体化することができる。方法の一部として実行される行為は、任意の適したやり方で順序付けることができる。したがって、行為が図示されているのとは異なる順序で実行される実施形態を構築することができ、それは、たとえ図示した実施形態では逐次的な行為として示されていたとしても、いくつかの行為を同時に実行することを含んでもよい。
[0039] 本明細書で定義し、使用するすべての定義は、辞書的定義、参照によって援用される文書中の定義、及び／又は定義された用語の通常の意味を対象とすることを理解されたい。
[0040] 本明細書及び特許請求の範囲で使用する場合、「及び／又は」という語句は、結合された要素のうちの「いずれか又は両方」、すなわち、結合的に存在する場合もあれば、離接的に存在する場合もある要素を意味することを理解されたい。
[0041] 本明細書及び特許請求の範囲で使用する場合、１つ又は複数の要素の列挙に言及する際の「少なくとも１つ」という語句は、要素の列挙内の要素のうちのいずれか１つ又はそれ以上から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、要素の列挙内に具体的に列挙されたありとあらゆる要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含まず、また、要素の列挙内の要素の任意の組み合わせを排除するものではないことを理解されたい。
[0042] 本明細書で使用する場合、数値に関連して使用される「の間（between）」という用語は、特段の記載がない限り両端の値を含むものとする。例えば、「ＡとＢとの間」は、特段の記載がない限り、ＡとＢとを含む。
[0043] 特許請求の範囲において、及び上記明細書においても、「備える、含む（comprising）」、「含む（including）」、「所持する（carrying）」、「有する（having）」、「含有する（containing）」、「伴う（involving）」、「保持する（holding）」、「で構成される（composed of）」などの移行句はすべて、オープンエンドであること、すなわち、含むがそれに限定されないことを意味することを理解されたい。「からなる（consisting of）」及び「から本質的になる（consisting essentially of）」という移行句のみが、それぞれクローズド又は半クローズドの移行句であるものとする。

Claims (15)

  1. 超音波装置であって、
    超音波トランスデューサと、
    前記超音波トランスデューサに結合された、前記超音波トランスデューサからのアナログ電気信号を受信及び増幅するように構成された入力端子を有する多段トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）であって、第１の供給電圧を受け取るように構成された第１の段、及び、前記第１の供給電圧とは異なる第２の供給電圧を受け取るように構成された第２の段を備える多段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。
  2. 前記第２の供給電圧が前記第１の供給電圧よりも大きい、請求項１に記載の超音波装置。
  3. 前記超音波トランスデューサ、及び前記多段ＴＩＡが、同じ基板上に集積されている、請求項１に記載の超音波装置。
  4. 前記多段ＴＩＡを前記超音波トランスデューサと結合するスイッチをさらに備える、請求項１に記載の超音波装置。
  5. 前記第２の段を前記第１の段と結合するフィードバックインピーダンスをさらに含む、請求項１に記載の超音波装置。
  6. 超音波オンチップデバイスであって、
    基板と、
    前記基板上に集積された複数の超音波トランスデューサと、
    前記基板上に集積され、前記複数の超音波トランスデューサに結合されたアナログ処理回路と、を備えるとともに、前記アナログ処理回路が、前記複数の超音波トランスデューサのうちの超音波トランスデューサに結合された多段トランスインピーダンス増幅器を備え、前記多段ＴＩＡが、異なる供給電圧を受け取るように構成された複数の段を備える、超音波オンチップデバイス。
  7. 前記多段ＴＩＡの前記複数の段が、上流の段及び下流の段を含み、前記上流の段が、前記下流の段よりも低い供給電圧で動作するように構成されている、請求項６に記載の超音波オンチップデバイス。
  8. 前記多段ＴＩＡの前記複数の段が、第１の段及び最終段を含み、前記最終段が前記第１の段よりも大きな供給電圧に結合されている、請求項６に記載の超音波オンチップデバイス。
  9. 前記多段ＴＩＡに結合されたフィルタリング及び時間利得補償回路をさらに備える、請求項６に記載の超音波オンチップデバイス。
  10. 前記超音波オンチップデバイスの複数のＴＩＡの出力に結合された入力を有する平均化回路をさらに備える、請求項６に記載の超音波オンチップデバイス。
  11. 超音波回路を動作させる方法であって、
    多段トランスインピーダンス増幅器の第１の段であって、第１の供給電圧値で動作する前記多段ＴＩＡの第１の段で、超音波トランスデューサによって出力された電気信号を受信及び増幅することと、
    前記第１の供給電圧値とは異なる第２の供給電圧値で動作する前記多段ＴＩＡの第２の段で、前記第１の段の出力信号を増幅することと、
    を含む方法。
  12. 前記第２の供給電圧が前記第１の供給電圧よりも大きい、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第１の供給電圧が前記第２の供給電圧の半分未満である、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記第２の段から前記第１の段にフィードバック信号を供給することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記多段ＴＩＡの出力信号をさらにフィルタリング及び時間利得補償する、請求項１１に記載の方法。
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