JP6734180B2 - Analog adder circuit, ultrasonic probe using the same, and ultrasonic diagnostic apparatus - Google Patents

Analog adder circuit, ultrasonic probe using the same, and ultrasonic diagnostic apparatus Download PDF

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本発明は、超音波診断装置の構成要素である超音波探触子に搭載されて、1次元あるいは2次元に繰り返し配置されたアレイ状の各振動子からの受信信号を超音波振動子毎に独立に遅延させフォーカスを行う遅延加算整相に必要なアナログ加算回路を、広帯域かつ低消費電力で実現する技術に関するものである。 According to the present invention, a reception signal from each transducer in an array, which is mounted on an ultrasonic probe which is a constituent element of an ultrasonic diagnostic apparatus and is repeatedly arranged one-dimensionally or two-dimensionally, is provided for each ultrasonic transducer. The present invention relates to a technique for realizing an analog adder circuit required for delay addition phasing that independently delays and performs focusing with a wide band and low power consumption.

超音波診断装置は人体に非侵襲で安全性の高い医療診断機器であり、X線診断装置、MRI(Magnetic Resonance Imaging)装置などの他の医用画像診断装置に比べ、装置規模が小さく、また、超音波探触子を体表から当てるだけの簡便な操作により、例えば、心臓の脈動や胎児の動きといった検査対象の動きの様子をリアルタイムで表示可能な装置であることから、今日の医療において重要な役割を果たしている。 The ultrasonic diagnostic apparatus is a medical diagnostic apparatus that is non-invasive to the human body and highly safe, and has a smaller apparatus scale than other medical image diagnostic apparatuses such as an X-ray diagnostic apparatus and an MRI (Magnetic Resonance Imaging) apparatus. It is an important device in today's medical care because it is a device that can display in real time the movement of the test object such as the pulsation of the heart or the movement of the fetus by a simple operation of applying the ultrasonic probe from the body surface. Plays a role.

超音波診断装置においては、超音波探触子に内蔵されている複数の振動子それぞれに高電圧の駆動信号を供給することで、超音波を被検体内に送信する。被検体内において生体組織の音響インピーダンスの差異によって生ずる超音波の反射波を複数の振動素子それぞれにて受信し、超音波探触子が受信した反射波に基づいて画像を生成する。 In the ultrasonic diagnostic apparatus, a high-voltage drive signal is supplied to each of a plurality of transducers incorporated in the ultrasonic probe to transmit ultrasonic waves into the subject. The plurality of vibrating elements receive the reflected waves of the ultrasonic waves generated by the difference in the acoustic impedance of the living tissue in the subject, and generate an image based on the reflected waves received by the ultrasonic probe.

具体的には、送信においては、複数の振動子に独立な遅延を与えて振動子を駆動することで音響パルスをフォーカスし、超音波のビームフォーミングおよびビーム走査を行う。受信においては、生体内の反射点から各振動子への距離の違いを補償するため、複数の振動子に独立な遅延を与えて信号の位相をコヒーレントにそろえ、これを加算するという整相加算処理を行う。このように、アナログ信号の遅延および加算は超音波診断装置において必須の信号処理となっている。 Specifically, in transmission, an acoustic pulse is focused by giving an independent delay to a plurality of transducers to drive the transducers, and ultrasonic beamforming and beam scanning are performed. In reception, in order to compensate for the difference in the distance from the reflection point in the living body to each transducer, independent delay is given to multiple transducers to align the signal phases coherently, and the phasing addition is performed. Perform processing. As described above, delay and addition of analog signals are essential signal processing in the ultrasonic diagnostic apparatus.

近年、3次元立体画像を得られる超音波診断装置が開発されてきており、3次元立体画像から任意の断面を特定して断層像を得ることで、検査効率を向上させることが出来る。3次元の撮像のためには、超音波探触子内の振動子を、従来の1次元配列から2次元配列、すなわち2Dアレイとする必要があり、振動子数が従来の超音波探触子に対して2乗で増加する。この場合に、超音波探触子と本体装置を接続するケーブルの本数を2乗で増やすことは困難であるため、超音波探触子内で整相加算して本数を減らした受信信号を本体装置にケーブルを介して転送する必要がある。このような超音波探触子内での整相加算を実現するには、送受信と整相加算の機能をビームフォーマーICとして実現し、IC内には振動子毎に送受信回路を配置して振動子と電気的に1対1で接続する必要がある。 In recent years, an ultrasonic diagnostic apparatus capable of obtaining a three-dimensional stereoscopic image has been developed, and the inspection efficiency can be improved by specifying an arbitrary cross section from the three-dimensional stereoscopic image and obtaining a tomographic image. For three-dimensional imaging, it is necessary to change the transducers in the ultrasonic probe from a conventional one-dimensional array to a two-dimensional array, that is, a 2D array. To the square. In this case, since it is difficult to increase the number of cables connecting the ultrasonic probe and the main body device by the square, it is necessary to perform phasing addition in the ultrasonic probe to reduce the number of received signals in the main body. It has to be transferred to the device via a cable. In order to realize phasing addition in such an ultrasonic probe, the functions of transmission/reception and phasing addition are realized as a beamformer IC, and a transmission/reception circuit is arranged for each transducer in the IC. It is necessary to make an electrical one-to-one connection with the vibrator.

2Dアレイ超音波探触子においては、整相加算を行うICを探触子内に搭載する必要があり、数千から1万以上の送受信回路がICに搭載される。探触子は体表に直接接触するので発熱を抑える必要があり、ICの低消費電力化は重要な課題である。 In the 2D array ultrasonic probe, it is necessary to mount an IC that performs phasing addition in the probe, and several thousand to 10,000 or more transceiver circuits are mounted in the IC. Since the probe is in direct contact with the body surface, it is necessary to suppress heat generation, and low power consumption of the IC is an important issue.

また、超音波の周波数が高いほど生体内での減衰が大きくなるものの、超音波エコーから得られる画像の空間分解能は向上するため、超音波の周波数は可能な限り高くして受信回路の帯域を広く取りたい。広帯域な受信回路を前述のように低消費電力で実現することが必要となる。 Also, although the higher the frequency of the ultrasonic wave, the greater the attenuation in the living body, the spatial resolution of the image obtained from the ultrasonic echo is improved. Therefore, the frequency of the ultrasonic wave should be as high as possible to reduce the band of the receiving circuit. I want to take it widely. It is necessary to realize a wideband receiving circuit with low power consumption as described above.

整相処理に必要なアナログ信号の加算を実現する回路として、オペアンプを用いて電流で信号を加算するような回路が考えられるが、オペアンプは定常電流バイアスをかけて動作させるために回路の消費電力が大きくなる。低消費電力でアナログ加算を行う回路として、キャパシタに信号電荷を貯めて電荷で信号加算を行うようなパッシブなアナログ加算回路が考えられる。 As a circuit that realizes the addition of analog signals required for phasing processing, a circuit that uses an operational amplifier to add signals by current is conceivable. Will grow. As a circuit that performs analog addition with low power consumption, a passive analog addition circuit in which signal charges are stored in a capacitor and signal addition is performed can be considered.

このようなキャパシタの電荷履歴をキャンセルする回路の例として、複数キャパシタを用いた遅延回路が特許文献1に提案されている。 As an example of a circuit that cancels the charge history of such a capacitor, a delay circuit using a plurality of capacitors has been proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-242242.

国際公開 WO 2015/128974 A1International publication WO 2015/128974 A1

スイッチとキャパシタのみを用いてパッシブ動作で電荷加算する回路の場合、低インピーダンスでバッファリングする回路がないために寄生容量の影響を強く受け、アナログ加算回路としての帯域が寄生容量により劣化することが懸念される。とくに、信号電荷を貯めるキャパシタと寄生容量の間で電荷のシェアが行われるために、クロック同期で動作する離散時間サンプリング系の回路を構成した場合、前クロックサイクルで信号電荷用キャパシタおよび寄生容量に蓄えられた電荷の履歴の影響を受ける。 In the case of a circuit that passively adds charges using only a switch and a capacitor, there is no circuit that buffers with low impedance, so it is strongly affected by parasitic capacitance, and the bandwidth as an analog adder circuit may deteriorate due to parasitic capacitance. I'm worried. In particular, since the charge is shared between the capacitor that stores the signal charge and the parasitic capacitance, when a circuit of a discrete time sampling system that operates in synchronization with the clock is configured, the capacitor for signal charge and the parasitic capacitance are changed in the previous clock cycle. It is affected by the history of stored charge.

図13は、本発明の課題を説明するために、特許文献1の図16を発明者の視点で描き直したものである。図13の回路は、複数キャパシタにアナログ電圧を順番に保持し、所定時間後に読み出すことでアナログ信号を遅延させるものである。図13の例においては、差動アナログ信号電圧入力Vinp,Vinnの差をキャパシタCsに電荷として蓄えるが、入力信号を蓄える前の初期状態に依存して蓄積する電荷に変化が生じるため、キャパシタに電圧レベルが電荷として蓄積される前にキャパシタ電荷をリセットすることが有効である点が示されている。すなわち前段回路の出力インピーダンスは理想的な0Ωでなく、0Ωより高いインピーダンスをもつためにこのような初期電荷状態に依存する。 FIG. 13 is a drawing in which FIG. 16 of Patent Document 1 is redrawn from the viewpoint of the inventor in order to explain the problem of the present invention. The circuit of FIG. 13 holds analog voltages in order in a plurality of capacitors and delays the analog signal by reading out after a predetermined time. In the example of FIG. 13, the difference between the differential analog signal voltage inputs Vinp and Vinn is stored in the capacitor Cs as an electric charge, but since the accumulated electric charge changes depending on the initial state before the input signal is stored, the capacitor Cs changes. It has been shown that it is useful to reset the capacitor charge before the voltage level is stored as charge. That is, the output impedance of the front-end circuit is not ideal 0Ω, but has an impedance higher than 0Ω and thus depends on such an initial charge state.

SWinpとSWinnをオンさせることで前段から電圧駆動されてCsに蓄積された電荷は、SWoutpとSWoutnをオンさせることで電圧として後段に出力され、さらにSWrstをオンすることでCsの電荷はリセットされて次にSWinpとSWinnをオンさせてCsに電荷が蓄積される前に初期状態に戻る。 The charges accumulated in Cs by being driven from the previous stage by turning on SWinp and SWinn are output to the latter stage as a voltage by turning on SWoutp and SWoutn, and the charges of Cs are reset by turning on SWrst. Then, SWinp and SWinn are turned on to return to the initial state before electric charges are accumulated in Cs.

しかしながら、図13の回路の後段の負荷を考慮した場合、たとえばVoutp、Voutnに大きな入力容量を持つ回路が接続された場合、あるいは次段回路までの距離が遠く、大きな配線の寄生容量が付いてしまう場合、SWoutpとSWoutnがオンした場合にCsとこの負荷容量で電荷のシェアが行われるが、Csの信号電荷はSWrstによりリセットできても、負荷容量に蓄積された電荷のリセットは行えない。 However, when considering the load in the latter stage of the circuit of FIG. 13, for example, when a circuit having a large input capacitance is connected to Voutp and Voutn, or the distance to the next stage circuit is long, a large wiring parasitic capacitance is added. In this case, when SWoutp and SWoutn are turned on, the charge is shared by Cs and this load capacitance. However, even if the signal charge of Cs can be reset by SWrst, the charge accumulated in the load capacitance cannot be reset.

特許文献1には、SWoutpとSWoutnをオンさせて信号を出力した後、または信号を電荷として蓄積する前にリセットを行うことが望ましいとの記載があるが、出力に接続される負荷容量についての記載はない。また、特許文献1の図13には、オペアンプを用いて出力をバッファリングする構成が開示されているが、オペアンプのような定常バイアス電流を消費する回路を用いた場合には消費電力が増加するという問題がある。 Patent Document 1 describes that it is desirable to perform reset after turning on SWoutp and SWoutn to output a signal or before accumulating a signal as an electric charge. However, regarding the load capacitance connected to the output, There is no description. Further, FIG. 13 of Patent Document 1 discloses a configuration in which an output is buffered by using an operational amplifier. However, when a circuit that consumes a steady bias current such as an operational amplifier is used, power consumption increases. There is a problem.

このような点から、信号を電荷で蓄積するサンプルホールド回路を用いながら、オペアンプのような定常バイアス電流を消費するバッファ回路を用いることなく、出力の負荷容量が大きな場合においても信号電荷蓄積用のキャパシタおよび出力負荷容量の両方に蓄積された電荷をリセットすることで電荷履歴をキャンセルし、広帯域な回路を実現することが求められる。 From this point of view, while using a sample hold circuit that accumulates a signal by charge, without using a buffer circuit that consumes a steady bias current such as an operational amplifier, even if the output load capacitance is large, It is required to cancel the charge history by resetting the charges accumulated in both the capacitor and the output load capacitance to realize a wideband circuit.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.

上記課題を達成するための本願発明の一側面は、複数の入力端子と、複数の入力端子の其々に対応する、複数のサンプルホールド回路ブロックと、複数のサンプルホールド回路ブロックの出力を入力として、一つの出力を生成するマルチプレクサを備えるアナログ加算回路である。この回路では、複数のサンプルホールド回路ブロックの其々は、第1の容量と、第2の容量と、第3の容量と、を備える。また、第1の容量とマルチプレクサを接続する第1の配線と、第2の容量とマルチプレクサを接続する第2の配線と、第3の容量とマルチプレクサを接続する第3の配線と、を備える。そして、第1の容量、第2の容量、および第3の容量の其々に対して、入力端子と接続し、マルチプレクサと切断する第1の状態、マルチプレクサと接続し、入力端子と切断する第2の状態、所定電位に接続し、入力端子およびマルチプレクサと切断する第3の状態、の3つの状態を排他的に設定するスイッチを備える。また、第1の容量とマルチプレクサの間に配置され、第3の状態において、第1の配線を所定電位に接続するための第1のリセットスイッチと、第2の容量とマルチプレクサの間に配置され、第3の状態において、第2の配線を所定電位に接続するための第2のリセットスイッチと、第3の容量とマルチプレクサの間に配置され、第3の状態において、第3の配線を所定電位に接続するための第3のリセットスイッチと、を備える。 One aspect of the present invention for achieving the above object is to provide a plurality of input terminals, a plurality of sample and hold circuit blocks corresponding to the plurality of input terminals, and outputs of the plurality of sample and hold circuit blocks as inputs. , An analog adder circuit having a multiplexer for generating one output. In this circuit, each of the plurality of sample and hold circuit blocks includes a first capacitor, a second capacitor, and a third capacitor. In addition, a first wiring that connects the first capacitance and the multiplexer, a second wiring that connects the second capacitance and the multiplexer, and a third wiring that connects the third capacitance and the multiplexer are provided. Then, for each of the first capacitance, the second capacitance, and the third capacitance, a first state in which the input terminal is connected and disconnected from the multiplexer, and a first state in which the multiplexer is connected and disconnected from the input terminal A switch for exclusively setting three states of the second state, which is connected to a predetermined potential and is disconnected from the input terminal and the multiplexer, is provided. Further, it is arranged between the first capacitor and the multiplexer, and in the third state, it is arranged between the first reset switch for connecting the first wiring to a predetermined potential and the second capacitor and the multiplexer. , A second reset switch for connecting the second wiring to a predetermined potential in the third state, and the third reset switch arranged between the third capacitor and the multiplexer. In the third state, the third wiring is predetermined. A third reset switch for connecting to a potential.

本願発明の他の一側面は、其々が超音波振動子に接続された、複数の入力端子と、複数の入力端子と一対一に対応する、複数の受信回路と、複数の受信回路の其々が備える、入力端子から得られる信号に基づく電荷を貯える信号キャパシタと、複数の受信回路の信号キャパシタの出力を統合する出力配線と、を有する超音波探触子である。この超音波探触子では、複数の受信回路の信号キャパシタに貯えた電荷を、複数の受信回路の信号キャパシタで再配分することで、複数の入力端子から得られる信号を統合し、信号キャパシタおよび出力配線の寄生キャパシタの電荷を定期的に所定値に設定することで、信号キャパシタおよび寄生キャパシタの電荷の充放電履歴をリセットすることを特徴とする。 Another aspect of the present invention is a plurality of input terminals, each of which is connected to an ultrasonic transducer, a plurality of receiving circuits corresponding to the plurality of input terminals one-to-one, and a plurality of receiving circuits. The ultrasonic probes each include a signal capacitor that stores a charge based on a signal obtained from an input terminal and an output wiring that integrates outputs of the signal capacitors of a plurality of receiving circuits. In this ultrasonic probe, the electric charges accumulated in the signal capacitors of the plurality of receiving circuits are redistributed by the signal capacitors of the plurality of receiving circuits to integrate the signals obtained from the plurality of input terminals, The charge and discharge history of the charges of the signal capacitor and the parasitic capacitor is reset by periodically setting the charge of the parasitic capacitor of the output wiring to a predetermined value.

本発明のさらに他の一側面は、超音波探触子と本体装置から構成される超音波診断装置である。この装置では、超音波探触子は、複数の超音波振動子と、超音波振動子の其々に対応する、複数のサンプルホールド回路ブロックと、複数のサンプルホールド回路ブロックの出力を入力とするマルチプレクサと、サンプルホールド回路ブロックとマルチプレクサを接続する出力配線と、を備える。そして、マルチプレクサの出力は、後段回路を介して本体装置に入力される。また、サンプルホールド回路ブロックの其々は、超音波振動子の検出信号に基づく電荷を貯える信号キャパシタを備える。また、出力配線を定期的に所定電位に接続するリセットスイッチを備える。 Yet another aspect of the present invention is an ultrasonic diagnostic apparatus including an ultrasonic probe and a main body device. In this device, the ultrasonic probe has a plurality of ultrasonic transducers, a plurality of sample hold circuit blocks corresponding to the respective ultrasonic transducers, and outputs of the plurality of sample hold circuit blocks as inputs. A multiplexer and an output wiring that connects the sample and hold circuit block and the multiplexer are provided. Then, the output of the multiplexer is input to the main body device via the post-stage circuit. In addition, each of the sample hold circuit blocks includes a signal capacitor that stores electric charge based on the detection signal of the ultrasonic transducer. Further, a reset switch for periodically connecting the output wiring to a predetermined potential is provided.

低消費電力で広帯域なアナログ加算回路を実現する。 Realizes a wideband analog adder circuit with low power consumption.

本発明の実施例のアナログ加算回路の構成を示した回路図である。It is a circuit diagram showing the composition of the analog adder circuit of the example of the present invention. 図1のアナログ加算回路の動作を説明するタイミングチャートである。3 is a timing chart illustrating the operation of the analog adder circuit in FIG. 1. 実施例のアナログ加算回路の物理的レイアウト例を示す平面図である。It is a top view which shows the physical layout example of the analog addition circuit of an Example. 電荷履歴リセットの加算回路帯域に与える効果を説明するために、電荷履歴をリセットしない場合の離散時間サンプリングアナログ加算回路の構成を示した回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a discrete-time sampling analog adder circuit in the case where charge history is not reset, in order to explain the effect of charge history reset on the adder circuit band. 図4のアナログ加算回路のステップ入力時の動作を説明するタイミングチャートである。5 is a timing chart for explaining the operation of the analog adder circuit of FIG. 4 at the time of step input. 図4のアナログ加算回路の信号フローと伝達関数を示した回路ブロック図である。5 is a circuit block diagram showing a signal flow and a transfer function of the analog addition circuit of FIG. 4. FIG. 図1のアナログ加算回路のステップ入力時の動作を説明するタイミングチャートである。3 is a timing chart for explaining the operation of the analog adder circuit of FIG. 1 at the time of step input. 図1のアナログ加算回路の信号フローと伝達関数を示した回路ブロック図である。2 is a circuit block diagram showing a signal flow and a transfer function of the analog adder circuit of FIG. 1. FIG. 図1と図4のアナログ加算回路の周波数特性を示したグラフ図である。FIG. 5 is a graph showing frequency characteristics of the analog adder circuits of FIGS. 1 and 4. 本発明の別の実施例として、差動入力、シングルエンド出力のアナログ加算回路の構成を示した回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of an analog adder circuit with a differential input and a single end output as another embodiment of the present invention. 実施例が適用される超音波診断装置のシステム構成例を示したブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a system configuration example of an ultrasonic diagnostic apparatus to which an embodiment is applied. 実施例が適用される超音波探触子内ICの送受信回路の構成例を示したブロック図である。It is a block diagram showing an example of composition of a transmitting and receiving circuit of IC inside an ultrasonic probe to which an example is applied. 比較例の回路図である。It is a circuit diagram of a comparative example.

本実施例において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、サンプルホールド回路を用いて電荷でアナログ信号を加算するアナログ加算回路において、信号電荷を蓄積するキャパシタ、およびサンプルホールド回路の出力に接続される負荷容量の両方の電荷を定期的にリセットすることで電荷履歴の影響を排除し、アナログ加算回路の負荷容量が大きな場合においても広帯域なアナログ加算処理を低消費電力で実現している。 The outline of the representative ones of the inventions disclosed in the embodiments will be briefly described as follows. That is, in an analog adder circuit that adds an analog signal by charge using a sample and hold circuit, periodically reset both the charge of a capacitor that stores the signal charge and the load capacitance that is connected to the output of the sample and hold circuit. Eliminates the influence of charge history, and realizes wideband analog addition processing with low power consumption even when the load capacity of the analog addition circuit is large.

これにより、定常バイアス電流を消費するバッファ回路を用いることなく、スイッチとキャパシタのみで構成されるパッシブな回路のみで広帯域なアナログ加算回路を実現出来る。また、これにより、高い周波数の超音波を扱う受信回路が実現出来、超音波の周波数が高いほど生体内での減衰は増大するものの、エコー画像の空間分解能は向上するため、空間分解能が高い超音波画像診断装置を実現することが出来る。また、アナログ加算回路が搭載されるICの電力を低減することが出来、ICが搭載される超音波探触子の発熱を抑制することが可能となる。 As a result, a wideband analog adder circuit can be realized only by a passive circuit composed of only switches and capacitors without using a buffer circuit that consumes a steady bias current. In addition, this makes it possible to realize a receiving circuit that handles high-frequency ultrasonic waves. Although the higher the frequency of ultrasonic waves, the greater the attenuation in the living body, the higher the spatial resolution of echo images, so the higher the spatial resolution. A sonic image diagnostic apparatus can be realized. Further, it is possible to reduce the power of the IC in which the analog addition circuit is mounted, and it is possible to suppress the heat generation of the ultrasonic probe in which the IC is mounted.

図1に本実施例における離散時間アナログ加算回路の構成を示す。Vin0、Vin1、…、Vin(N−1)のN端子のアナログ電圧入力を受けてVoutに加算された信号を出力する。超音波診断装置の場合には、アナログ電圧入力は複数の超音波振動子のそれぞれから得られる信号であり、図1に示す加算回路により、被検査物の所定箇所から得られる情報を取得することができる。また、図1の加算回路は超音波探触子に内蔵され、例えば、半導体集積回路で構成される。Voutから出力される加算された出力信号は、必要な後段回路を経由して、ケーブルなどを介して装置本体へ送られる。 FIG. 1 shows the configuration of the discrete-time analog adder circuit in this embodiment. Vin0, Vin1,..., Vin(N-1) receives the analog voltage input to the N terminals and outputs a signal added to Vout. In the case of an ultrasonic diagnostic apparatus, an analog voltage input is a signal obtained from each of a plurality of ultrasonic transducers, and the adder circuit shown in FIG. 1 should be used to obtain information obtained from a predetermined portion of the inspection object. You can The adder circuit shown in FIG. 1 is built in the ultrasonic probe and is composed of, for example, a semiconductor integrated circuit. The added output signal output from Vout is sent to the main body of the apparatus via a cable or the like through a necessary rear stage circuit.

N個のサンプルホールド回路ブロック10は同一構成であり、N端子のアナログ電圧入力を其々入力としている。Csは入力信号電圧を電荷として保持するためのキャパシタ(信号キャパシタ)であり、Cpは配線寄生容量(寄生キャパシタ)を想定している。すなわち、後述するように2Dアレイ超音波探触子用のICにおいては、加算出力をアレイ内からアレイ外へと長い配線で布線する必要があり、Cpが付いたVout0、Vout1、Vout2の3本の配線はアレイ内からアレイ外へと布線される配線のために大きな寄生容量Cpが付くと仮定している。アナログマルチプレクサ13はアレイの外に配置され、Voutに接続される後段回路は近接して配置することが可能なため、Voutの負荷は小さく、サンプルホールド回路ブロック10からリセットスイッチ12およびアナログマルチプレクサ13までの距離が長く、この部分の配線寄生容量Cpのみが問題となるものとする。 The N sample-and-hold circuit blocks 10 have the same configuration, and each receives an analog voltage input from the N terminal. Cs is a capacitor (signal capacitor) for holding the input signal voltage as electric charge, and Cp is assumed to be a wiring parasitic capacitance (parasitic capacitor). That is, as will be described later, in an IC for a 2D array ultrasonic probe, it is necessary to wire the addition output from the inside of the array to the outside of the array with a long wiring, and Vp0, Vout1, and Vout2 with Cp It is assumed that the book wiring has a large parasitic capacitance Cp because it is wired from the inside of the array to the outside of the array. Since the analog multiplexer 13 is arranged outside the array, and the subsequent circuit connected to Vout can be arranged closely, the load on Vout is small, and the sample-hold circuit block 10 to the reset switch 12 and the analog multiplexer 13 are connected. Is long, and only the wiring parasitic capacitance Cp in this portion becomes a problem.

この例では、サンプルホールド回路ブロック10には3つのサンプルホールド回路が含まれている。アナログマルチプレクサ13とアナログマルチプレクサ13の後段回路の接続においては、3つのサンプルホールド回路とアナログマルチプレクサ13の間の3本の配線の長さが、アナログマルチプレクサ13と後段回路の間の配線の長さより長く構成している。 In this example, the sample and hold circuit block 10 includes three sample and hold circuits. In the connection between the analog multiplexer 13 and the post-stage circuit of the analog multiplexer 13, the length of the three wires between the three sample-hold circuits and the analog multiplexer 13 is longer than the length of the wire between the analog multiplexer 13 and the post-stage circuit. I am configuring.

制御信号φ0、φ1、φ2により、リセットスイッチ11および12がオンまたはオフに制御される。各超音波振動子毎に配置される3インタリーブのサンプルホールド回路ブロック10は、アレイ内に配置される。電荷履歴をリセットするためのリセットスイッチ11および12については、リセットスイッチ11はCsの電荷をリセットするためにアレイ内に配置される必要があり、リセットスイッチ12は特に制限されないが、配線寄生容量Cp電荷をリセットするスイッチであり、アレイ外に配置されることが望ましい。また、VCMは信号のコモン電位である。 The reset switches 11 and 12 are controlled to be turned on or off by the control signals φ0, φ1 and φ2. The three interleaved sample and hold circuit block 10 arranged for each ultrasonic transducer is arranged in the array. Regarding the reset switches 11 and 12 for resetting the charge history, the reset switch 11 needs to be arranged in the array in order to reset the charge of Cs, and the reset switch 12 is not particularly limited, but the wiring parasitic capacitance Cp A switch that resets the charge and is preferably located outside the array. Also, VCM is the common potential of the signal.

本アナログ加算回路はCsに蓄積された電荷CsVin0、CsVin1、…、CsVin(N−1)をN個のCsで再配分する動作を行うため、仮に配線寄生容量Cpの影響がなくCp=0Fとした場合には、(数1)の出力Voutが得られるため、正確にはN入力を加算するのでなく平均化する回路であるが、加算してさらに1/Nに減衰していると考えればよいので、便宜上加算回路と呼ぶことにする。 Since the analog adder circuit redistributes the charges CsVin0, CsVin1,..., CsVin(N-1) accumulated in Cs by N Cs, there is no influence of the wiring parasitic capacitance Cp and Cp=0F. In that case, since the output Vout of (Equation 1) is obtained, it is a circuit that averages N inputs rather than adding them, but if it is considered that they are added and attenuated to 1/N. Since it is good, it is called an adder circuit for convenience.

Figure 0006734180
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図2に本実施例における加算動作の原理を理解するためのタイミングチャートを示す。Vinは図1のVin0、Vin1、…、Vin(N−1)がすべて同一の波形と仮定したときの電圧入力信号である。同一のN系統のVin信号が平均化されて、理想的にはVinが離散時間サンプリングされた信号がVoutとして出力される。 FIG. 2 shows a timing chart for understanding the principle of the addition operation in this embodiment. Vin is a voltage input signal when Vin0, Vin1,..., Vin(N-1) in FIG. 1 are assumed to have the same waveform. The Vin signals of the same N systems are averaged, and ideally, a signal obtained by sampling Vin in a discrete time is output as Vout.

φ0、φ1、φ2はスイッチの制御信号であり、図示されるようにクロックCLKに同期して3相のパルス信号として生成される。3相信号は、図1中の3インタリーブのサンプルホールド回路ブロック10のサンプル、ホールド、リセット動作に対応している。 φ0, φ1, and φ2 are switch control signals, and are generated as three-phase pulse signals in synchronization with the clock CLK as illustrated. The three-phase signal corresponds to the sample, hold, and reset operations of the sample-hold circuit block 10 for three interleaves in FIG.

たとえば図2において、左から2番目のクロックサイクル(I)にみられるように、φ0がHiレベルで図1中の容量ノードVcs0が入力Vinにトラックしているフェーズでは、Vcs1はCsの電荷をリセットするフェーズにあり、Vcs2はCsに保持されたVinをVout2に出力するフェーズにある。 For example, as shown in the second clock cycle (I) from the left in FIG. 2, in the phase in which φ0 is at the Hi level and the capacitance node Vcs0 in FIG. 1 tracks the input Vin, Vcs1 changes the charge of Cs. In the resetting phase, Vcs2 is in the phase of outputting Vin held in Cs to Vout2.

次のクロックサイクル(II)では図2のように、φ1のみがHiレベルとなるので、Vcs0がホールド、Vcs1がサンプル、Vcs2がリセットのフェーズとなる。このように3インタリーブの動作を繰り返し、図1の長い配線Vout0、Vout1、Vout2にはホールドされた状態のみが3インタリーブで交互に出力される。図1のアナログマルチプレクサ13でVout0,Vout1、Vout2の3つをマルチプレクスしてVoutに加算結果を出力する。 In the next clock cycle (II), as shown in FIG. 2, only φ1 is at the Hi level, so Vcs0 is the hold phase, Vcs1 is the sample phase, and Vcs2 is the reset phase. In this way, the operation of three interleaves is repeated, and only the held state is alternately output to the long wirings Vout0, Vout1, and Vout2 of FIG. 1 by three interleaves. The analog multiplexer 13 of FIG. 1 multiplexes three of Vout0, Vout1, and Vout2 and outputs the addition result to Vout.

図1のVCMは信号のコモンレベルであり、Cs信号電荷のリセット先である。リセットフェーズにおいては、CsにはVCM電圧(コモン電圧)が強制的に印加される。このように信号のコモンレベルにリセットすることにより、入力信号サンプルのフェーズ、すなわち入力信号をサンプルする場合のCsの初期電位は常に信号振幅中心のVCMとなる。サンプル時の静定を0Vから開始、あるいは電源電圧Vddから開始でなく信号振幅中心から開始することで、静定を早くすることができるため、このようにリセット先をコモン電位VCMとするのが望ましい。 VCM in FIG. 1 is a signal common level and is a reset destination of Cs signal charges. In the reset phase, the VCM voltage (common voltage) is forcibly applied to Cs. By resetting to the common level of the signal in this way, the phase of the input signal sampling, that is, the initial potential of Cs when sampling the input signal is always the VCM centered on the signal amplitude. Since the settling at the time of sampling is started from 0 V or starting from the signal amplitude center instead of starting from the power supply voltage Vdd, the settling can be speeded up, and thus the reset destination is set to the common potential VCM. desirable.

以上のサンプル、ホールド、リセットの3インタリーブ動作、さらに信号電荷を蓄えるキャパシタCsをリセットする図1中のリセットスイッチ11、配線寄生容量Cpをリセットするリセットスイッチ12により、CsとCpの両方の電荷履歴をリセットした電荷加算動作がパッシブで実現可能となり、広帯域な離散時間アナログ加算回路を実現できる。 With the above three interleave operations of sample, hold, and reset, the reset switch 11 in FIG. 1 that resets the capacitor Cs that stores signal charges, and the reset switch 12 that resets the wiring parasitic capacitance Cp, charge history of both Cs and Cp The charge addition operation with resetting can be realized passively, and a wideband discrete-time analog addition circuit can be realized.

なお、図2のVcs0、Vcs1、Vcs2波形において、サンプルフェーズで入力信号をトラックした後、ホールドのフェーズで保持電圧が若干シフトした図としている。これは、N×CsとCpで電荷のシェアが起こるために電圧変動が生じることを示している。後述するように、CsとCpは常にサンプルフェーズ前に履歴がリセットされているため、電荷のシェアは常に固定された既知のCp電荷とN×Csで行われるので問題とならない。前サイクルで信号に依存したCp電荷が残留してしまうことが問題になる。 In the waveforms of Vcs0, Vcs1, and Vcs2 in FIG. 2, after the input signal is tracked in the sample phase, the holding voltage is slightly shifted in the hold phase. This indicates that voltage variation occurs due to charge sharing between N×Cs and Cp. As will be described later, since the history of Cs and Cp is always reset before the sample phase, charge sharing is always performed with a fixed known Cp charge and N×Cs, which is not a problem. The problem is that Cp charges depending on the signal remain in the previous cycle.

図3に本実施例のアナログ加算回路の物理的レイアウト例を示す。このような回路は、例えば超音波探触子内に配置される1チップの集積回路として構成することができる。この場合には、RxOUT0〜RxOUT3は、ICの出力端子を構成する。図3のレイアウトでは、超音波振動子毎に配置される1チャネルの送受信回路30がアレイ状に配置されている。また、4×4=16チャネルの受信信号を加算して1本に束ねることを仮定している。ここでは、16チャネル分の送受信回路が一つのサブアレイ300に属するものとし、4個のサブアレイを配置してアレイ310を構成しているが、個数の増減は可能である。送受信回路30は其々、例えばICのバンプを介して超音波振動子と接続される。なお、便宜上本明細書では、出力信号が加算により束ねられるグループであり、物理的にアレイ内に配置される回路(超音波振動子およびマルチプレクサ13は含まない)をサブアレイ300ということにする。 FIG. 3 shows an example of the physical layout of the analog adder circuit of this embodiment. Such a circuit can be configured as, for example, a one-chip integrated circuit arranged in the ultrasonic probe. In this case, RxOUT0 to RxOUT3 form the output terminal of the IC. In the layout of FIG. 3, one-channel transmission/reception circuits 30 arranged for each ultrasonic transducer are arranged in an array. Further, it is assumed that the received signals of 4×4=16 channels are added and bundled into one. Here, it is assumed that the transmission/reception circuits for 16 channels belong to one sub-array 300 and four sub-arrays are arranged to form the array 310, but the number can be increased or decreased. The transmission/reception circuit 30 is connected to the ultrasonic transducer via bumps of the IC, respectively. Note that, for convenience, in this specification, a circuit in which output signals are bundled by addition and physically arranged in the array (excluding the ultrasonic transducer and the multiplexer 13) is referred to as a sub-array 300.

送受信回路30の一つを抜き出して図3上方に示す。1チャネルの送受信回路30内には、サンプルホールド回路ブロック10が配置されており、これは図1のサンプルホールド回路ブロック10に相当する。サンプルホールド回路ブロック10からの3本の出力配線が、加算単位である16チャネルでショートされ、アレイ310の外まで布線される。アレイ310上の布線が長いために、大きな寄生容量が付くことは図1のCpの説明で述べた通りである。 One of the transceiver circuits 30 is extracted and shown in the upper part of FIG. A sample and hold circuit block 10 is arranged in the 1-channel transmission/reception circuit 30, and this corresponds to the sample and hold circuit block 10 in FIG. Three output wirings from the sample hold circuit block 10 are short-circuited by 16 channels which is an addition unit, and wired to the outside of the array 310. As described above with reference to Cp in FIG. 1, a large parasitic capacitance is attached due to the long wiring on the array 310.

各アナログマルチプレクサ13は、1つのサブアレイ300からの3本の出力線を入力とする。これは、図1のアナログマルチプレクサ13に相当する。図示されないが、図1の配線寄生容量リセット用のリセットスイッチ12はアナログマルチプレクサ13の近傍に配置されることが望ましい。アナログマルチプレクサ13の後段には、IC出力をバッファして、超音波探触子と本体装置を接続するケーブルを駆動するためのケーブルバッファ回路33を備える。 Each analog multiplexer 13 receives three output lines from one sub array 300 as an input. This corresponds to the analog multiplexer 13 of FIG. Although not shown, it is desirable that the reset switch 12 for resetting the wiring parasitic capacitance in FIG. 1 is arranged near the analog multiplexer 13. A cable buffer circuit 33 for buffering the IC output and driving a cable connecting the ultrasonic probe and the main body device is provided at the subsequent stage of the analog multiplexer 13.

アナログマルチプレクサ13とケーブルバッファ回路33は、アレイ310の外部において近接して置けるため、アナログマルチプレクサ13の出力に付く寄生容量は大きな問題とはならない。仮にアナログマルチプレクサ13をアレイ内に配置した場合、アナログマルチプレクサ13の出力に付く寄生容量は大きくなってしまうので、加算回路の帯域が劣化する。本実施例においては、信号電荷を蓄積するキャパシタと配線寄生容量の電荷履歴のリセットを3インタリーブ動作で実現し、電荷履歴がリセットされた3本の出力配線をアナログマルチプレクスして1本の出力とするため、本実施例の効果が発揮されるためには図3のように3本の配線をアレイ310の外まで布線しておいて、アレイ外でマルチプレクスすることが望ましい。 Since the analog multiplexer 13 and the cable buffer circuit 33 can be placed close to each other outside the array 310, the parasitic capacitance at the output of the analog multiplexer 13 does not pose a big problem. If the analog multiplexer 13 is arranged in the array, the parasitic capacitance attached to the output of the analog multiplexer 13 becomes large, and the band of the adder circuit deteriorates. In this embodiment, the charge history of the capacitor for accumulating the signal charge and the parasitic capacitance of the wiring is reset by the 3-interleave operation, and the three output wirings with the reset charge history are analog-multiplexed into one output. Therefore, in order to bring out the effect of the present embodiment, it is desirable to wire three wires to the outside of the array 310 and multiplex outside the array as shown in FIG.

また、振動子毎のチャネルを束ねる加算単位であるサブアレイ300の位置によらず、サブアレイ300からアナログマルチプレクサ13までの配線寄生容量が等負荷であることが、各加算回路の特性をそろえてサブアレイ間の特性ばらつきを低減するという目的を鑑みれば望ましい。図3に示すように、サブアレイ300からアナログマルチプレクサ13までの配線長が、アレイ310の外側のサブアレイでも内側のサブアレイでも等長となるように、サンプルホールド回路ブロック10の出力である3本の配線をアレイ310の下端から、図示されないが反対側の上端まで布線すること等で等長とすることができる。 Further, regardless of the position of the sub-array 300, which is the unit of addition for bundling the channels of each transducer, the fact that the wiring parasitic capacitance from the sub-array 300 to the analog multiplexer 13 is an equal load means that the characteristics of each adder circuit are the same and the inter-sub-array This is desirable in view of the purpose of reducing the characteristic variation. As shown in FIG. 3, the three wirings which are the outputs of the sample hold circuit block 10 are arranged so that the wiring length from the sub-array 300 to the analog multiplexer 13 is equal in both the sub-array outside the array 310 and the sub-array inside the array 310. Can be made equal in length by wiring from the lower end of the array 310 to the opposite upper end (not shown).

本実施例における、電荷履歴リセットの加算回路帯域に与える効果を説明するために、図4に電荷履歴をリセットしない場合の離散時間サンプリングアナログ加算回路を、図5にこの動作を示すステップ入力時のタイミングチャートを、図6に図4の回路に相当する伝達関数を、さらに図7に本実施例の図1のステップ入力時のタイミングチャートを、図8に本実施例の図1に相当する伝達関数を示す。 In order to explain the effect of the charge history reset on the adder circuit band in the present embodiment, FIG. 4 shows a discrete time sampling analog adder circuit when the charge history is not reset, and FIG. 6 shows a transfer function corresponding to the circuit of FIG. 4, FIG. 7 shows a timing chart at the time of step input of FIG. 1 of this embodiment, and FIG. 8 shows a transfer function of FIG. 1 of this embodiment. Indicates a function.

図4の比較例において、回路40は振動子毎に配置される送受信回路内の加算回路である。サンプル、ホールドの2インタリーブ動作であり、一方のキャパシタCsに入力信号をサンプルしているフェーズで、もう一方のCsに電荷で蓄積された信号を出力し、この出力は各チャネルで互いにショートされているため、電荷の再配分により加算、正確には平均化動作が実現できる。回路40の出力配線はアレイの外まで布線されるために長く、配線寄生容量Cpが大きいと仮定する。 In the comparative example of FIG. 4, the circuit 40 is an addition circuit in the transmission/reception circuit arranged for each transducer. This is a two-interleave operation of sample and hold, and in the phase in which the input signal is sampled in one capacitor Cs, the signal accumulated by the charge in the other Cs is output, and this output is short-circuited in each channel. Therefore, it is possible to realize addition, more accurately, averaging operation by redistributing charges. It is assumed that the output wiring of the circuit 40 is long because it is wired to the outside of the array and the wiring parasitic capacitance Cp is large.

図5は図4の回路において、各入力に同一のステップ入力を与えたときの動作を示すタイミングチャートである。φ0とφ1により入力信号のサンプルと、キャパシタCsに保持された電圧の出力の2インタリーブ動作が行われる。キャパシタCsのノードVcs0、Vcs1において、例えばVcs0に注目すると、サンプルフェーズであるクロックサイクル(I)ではVc電位はステップ入力の変動Vsを追随して静定する。しかしながらCsに保持された電圧を出力するホールドフェーズのクロックサイクル(II)において、N×CsとCpで電荷のシェアが行われ、Vcs電圧が変動する。次のサンプルフェーズのクロックサイクル(III)ではVcsはVsに追随するが、その次のホールドフェーズ(IV)では、以前のホールドフェーズでCpに蓄積された電荷とVsに対応してCsに蓄積された電荷Cs・Vsの電荷のシェアで決まる電位までVsが変動する。このように、配線寄生容量Cpには、以前のホールドフェーズでの電荷が蓄積されており、N×CsとCpの電荷シェアで決まる電位は常にCp電荷履歴の影響を受けることになる。 FIG. 5 is a timing chart showing the operation when the same step input is applied to each input in the circuit of FIG. With φ0 and φ1, a 2-interleave operation of sampling the input signal and outputting the voltage held in the capacitor Cs is performed. At the nodes Vcs0 and Vcs1 of the capacitor Cs, for example, paying attention to Vcs0, the Vc potential follows the fluctuation Vs of the step input and settles in the clock cycle (I) which is the sample phase. However, in the clock cycle (II) of the hold phase for outputting the voltage held at Cs, the charge is shared by N×Cs and Cp, and the Vcs voltage changes. In the clock cycle (III) of the next sample phase, Vcs follows Vs, but in the next hold phase (IV), the charge accumulated in Cp in the previous hold phase and Cs corresponding to Vs are accumulated. Vs fluctuates to a potential determined by the charge share of the charged Cs·Vs. In this way, the charge in the previous hold phase is accumulated in the wiring parasitic capacitance Cp, and the potential determined by the charge share of N×Cs and Cp is always affected by the Cp charge history.

ステップ入力後の最初のステップ出力のサイクルでは、Cpに電荷が残っていないために、次の(数2)のようになる。 In the cycle of the first step output after the step input, since there is no electric charge remaining in Cp, the following (Equation 2) is obtained.

Figure 0006734180
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しかし、この後はN×CsとCpで電荷のシェアを繰り返しながら図5のVout波形に示すように徐々にVsに漸近していくという動作になる。すなわちCpの電荷履歴の影響を受けて、ステップ入力を与えた場合に出力は理想的なステップ出力とはならず、徐々にVsに漸近していくなまった波形となる。周波数応答としては、アナログ加算回路としての帯域がCp電荷履歴により劣化しているようにみえ、N×CsとCpの関係で帯域が決まる。 However, after that, the operation is such that the charge is repeatedly shared by N×Cs and Cp, and gradually approaches Vs as shown in the Vout waveform of FIG. That is, under the influence of the charge history of Cp, the output does not become an ideal step output when a step input is applied, but becomes a dull waveform that gradually approaches Vs. As the frequency response, the band as the analog adder circuit seems to be deteriorated by the Cp charge history, and the band is determined by the relationship between N×Cs and Cp.

図6に、図4の回路の伝達関数を示す。電荷履歴によるフィードバックパスがあるために、Cpの影響を受けた伝達関数となる。 FIG. 6 shows the transfer function of the circuit of FIG. Since there is a feedback path due to the charge history, the transfer function is affected by Cp.

図7には、リセット動作を追加した本実施例の図1の回路にステップ入力を与えた場合の動作タイミングチャートを示す。Vcs0、Vcs1,Vcs2は図1の信号電荷蓄積キャパシタCsのノードである。サンプルフェーズでステップ入力の最大電位Vsまでトラックした後(例えばクロックサイクル(I)のVcs0)、N×CsとCpで電荷のシェアが行われて電位は低下する(例えばクロックサイクル(II)のVcs0)。しかしながら、CsおよびCpはサンプルホールドを行う前に必ずリセットされており(例えばクロックサイクル(III)のVcs0)、Cp電荷初期状態が決まっているため、N×CsとCpで電荷シェアされた後の電位は必ず(数2)で表される電位となる。 FIG. 7 shows an operation timing chart when a step input is applied to the circuit of FIG. 1 of the present embodiment to which the reset operation is added. Vcs0, Vcs1, and Vcs2 are nodes of the signal charge storage capacitor Cs in FIG. After tracking to the maximum potential Vs of the step input in the sample phase (for example, Vcs0 of clock cycle (I)), the charge is shared by N×Cs and Cp and the potential decreases (for example, Vcs0 of clock cycle (II). ). However, Cs and Cp are always reset before performing the sample hold (for example, Vcs0 of clock cycle (III)), and the initial state of Cp charge is determined. Therefore, after the charge is shared by N×Cs and Cp, The potential is always the potential represented by (Equation 2).

この結果、Cpの電荷履歴の影響なく、図7最下段の波形Voutのように、ステップ入力に対して常にコモン電位VCMから(数2)で表される電位まで毎サイクル静定する出力となり、図5のようなVsに徐々に漸近するなまった波形ではなく、(数2)で表現されるように固定の減衰率で減衰はするもののステップ出力を出力できることになる。 As a result, without any influence of the charge history of Cp, an output that constantly stabilizes every cycle from the common potential VCM to the potential represented by (Equation 2) with respect to the step input as shown by the waveform Vout at the bottom of FIG. Instead of a blunt waveform gradually approaching Vs as shown in FIG. 5, it is possible to output a step output although it attenuates at a fixed attenuation rate as expressed by (Equation 2).

図8に本実施例の構成である図1の回路の伝達関数を示す。CsとCpの電荷履歴をリセットすることにより図6のフィードバックパスが無くなり、以下の(数3)で表される伝達関数となる。N×CsとCpの電荷シェアの影響で(数3)の固定の減衰率をもつ。 FIG. 8 shows the transfer function of the circuit of FIG. 1 which is the configuration of this embodiment. By resetting the charge history of Cs and Cp, the feedback path in FIG. 6 disappears, and the transfer function expressed by the following (Equation 3) is obtained. It has a fixed decay rate of (Equation 3) under the influence of the charge share of N×Cs and Cp.

Figure 0006734180
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図9に、本実施例の図1の回路と、リセット動作を行わない図4の回路の周波数特性を示す。リセットしない場合は図5のタイミングチャートのようにVoutはVsに追随し、0dBの直流利得を実現できる。ただしステップ入力に対する応答のなまりにみられるように、帯域はCpの電荷履歴の影響を受けて劣化する。一方リセット動作を行った場合、図7のタイミングチャートに示されるようにVoutは(数2)で表される電位以上には上昇しないので、直流利得すなわち減衰率は(数3)となる。ただしステップ入力に対してステップ出力の応答が得られるため、帯域はリセットしない場合に対して改善し、実際の帯域はCpの電荷履歴でなく、回路の構成要素であるスイッチのオン抵抗とキャパシタで決まる時定数で律速される。 FIG. 9 shows frequency characteristics of the circuit of FIG. 1 of this embodiment and the circuit of FIG. 4 in which the reset operation is not performed. When not reset, Vout follows Vs as shown in the timing chart of FIG. 5, and a DC gain of 0 dB can be realized. However, the band deteriorates under the influence of the charge history of Cp as seen in the rounding of the response to the step input. On the other hand, when the reset operation is performed, Vout does not rise above the potential represented by (Equation 2) as shown in the timing chart of FIG. 7, so the DC gain, that is, the attenuation rate is (Equation 3). However, since the step output response to the step input is obtained, the band is improved as compared with the case where it is not reset, and the actual band is not the charge history of Cp but the on resistance and the capacitor of the switch which are the constituent elements of the circuit. It is rate-controlled by a fixed time constant.

なお、(数1)〜(数3)中のキャパシタなどの実際の数値については、装置の設計や用途により、種々適用が可能であり制限されるものではない。 It should be noted that the actual numerical values of the capacitors and the like in (Equation 1) to (Equation 3) can be variously applied and are not limited depending on the design and use of the device.

図10には本実施例が適用される、図1と別の実施例を示している。図1はシングルエンド入力、シングルエンド出力のアナログ加算回路であるが、図10の実施例では差動入力、シングルエンド出力の構成としている。 FIG. 10 shows an embodiment different from FIG. 1 to which this embodiment is applied. Although FIG. 1 shows a single-ended input and single-ended output analog adder circuit, the embodiment of FIG. 10 has a differential input and single-ended output configuration.

超音波診断装置では、超音波の生体内伝播における非線形性を利用して、信号の2次高調波を用いてイメージングを行うティッシュハーモニックイメージング(Tissue Harmonic Imaging:THI)が用いられている。信号の2次高調波を検出するためには受信回路の非線形性による2次高調波を低減する必要があり、回路の差動化は2次高調波抑制に効果が高いことは広く知られている。 In the ultrasonic diagnostic apparatus, tissue harmonic imaging (THI) is used in which imaging is performed using the second harmonic of a signal by utilizing the nonlinearity in the in-vivo propagation of ultrasonic waves. In order to detect the second harmonic of the signal, it is necessary to reduce the second harmonic due to the non-linearity of the receiving circuit, and it is widely known that the circuit differential is effective in suppressing the second harmonic. There is.

図10の構成では、差動アナログ信号電圧入力Vinp、Vinn間電圧をキャパシタCsに保持させる。これを、VCM電位をコモン電位としてVout0、Vout1、Vout2に出力してマルチプレクサ103によりマルチプレクスを行う。この構成により、アナログ加算回路の前段に、差動出力の回路を接続できる。差動回路は前述のように2次高調波抑制に効果が高いため、THIに適した受信回路を実現でき、超音波診断装置としての画質向上を図ることができる。 In the configuration of FIG. 10, the voltage between the differential analog signal voltage inputs Vinp and Vinn is held in the capacitor Cs. This is output to Vout0, Vout1, and Vout2 using the VCM potential as a common potential, and the multiplexer 103 performs multiplexing. With this configuration, a differential output circuit can be connected in front of the analog addition circuit. Since the differential circuit is highly effective in suppressing the second harmonic as described above, it is possible to realize a receiving circuit suitable for THI and improve image quality as an ultrasonic diagnostic apparatus.

図11には上記実施例の加算回路が適用される、3次元撮像のための2次元アレイ振動子を持つ超音波探触子とシステム構成を示している。超音波探触子110(いわゆるプローブで、例えば手に持って測定部位に当てるような操作ができるようになっている)内には各振動子111に対して送受信回路30が配置され、受信信号はアナログマルチプレクサ13を経て本体装置114内のAFE(アナログフロントエンド)115に送られる。加算される振動子チャネルのグルーピング単位がサブアレイ300を構成する。 FIG. 11 shows an ultrasonic probe having a two-dimensional array transducer for three-dimensional imaging and a system configuration to which the adding circuit of the above-described embodiment is applied. A transmission/reception circuit 30 is arranged for each transducer 111 in an ultrasonic probe 110 (a so-called probe that can be operated, for example, by holding it in a hand and applying it to a measurement site). Is sent to the AFE (analog front end) 115 in the main body device 114 via the analog multiplexer 13. The grouping unit of transducer channels to be added constitutes the sub-array 300.

既に説明した図1、図3のアナログ加算回路との関係を補足しつつ、装置構成の一例を説明する。送受信回路30はそれぞれ図1と図3に示したサンプルホールド回路ブロック10を備えている。送受信回路30は図3に示したように、アレイ状の配置を持ってIC内に配置されている。3本の配線1100は、IC1101内でサンプルホールド回路ブロック10とアナログマルチプレクサ13を接続する。3本の配線には、図1で示したリセットスイッチ11や12も配置される。この構成により、送受信回路30の出力信号の電荷を3本の配線をショートすることで再分配し、平均を取る動作になる。加算された3本の出力のうち、電圧ホールド以外の期間を隠蔽するためにマルチプレクサ13が挿入され、電圧をホールドしている1本をマルチプレクサで取り出している。 An example of the device configuration will be described while supplementing the relationship with the analog adder circuits of FIGS. 1 and 3 already described. The transmission/reception circuit 30 includes the sample hold circuit block 10 shown in FIGS. 1 and 3, respectively. As shown in FIG. 3, the transmission/reception circuit 30 has an array-like arrangement and is arranged in the IC. The three wires 1100 connect the sample hold circuit block 10 and the analog multiplexer 13 in the IC 1101. The reset switches 11 and 12 shown in FIG. 1 are also arranged on the three wires. With this configuration, the electric charge of the output signal of the transmission/reception circuit 30 is redistributed by short-circuiting the three wires, and the operation is averaged. Of the three added outputs, the multiplexer 13 is inserted in order to conceal the period other than the voltage hold, and one multiplexer holding the voltage is taken out by the multiplexer.

本体装置内のプロセッサ117は超音波探触子内IC1101を制御するIC制御論理回路118に制御信号を送り、IC制御論理回路118はこれに応じて送受信の切換や超音波フォーカスのための遅延の制御を行う。特に制限されないが、送信回路がリニアアンプ方式でなくパルサ方式の場合、波形はデジタル値としてパルサに送られるため、IC制御論理回路118は、パルサが送波する波形データを記憶する波形メモリを含む。 The processor 117 in the main body device sends a control signal to the IC control logic circuit 118 that controls the IC 1101 in the ultrasonic probe, and the IC control logic circuit 118 responds to this by switching transmission/reception or delaying for ultrasonic focusing. Take control. Although not particularly limited, when the transmission circuit is the pulser type instead of the linear amplifier type, the waveform is sent to the pulser as a digital value, so the IC control logic circuit 118 includes a waveform memory that stores the waveform data transmitted by the pulser. ..

図12にはサブアレイ300内の送受信回路30の構成が示されている。1振動子あたりの送受信回路30には、高耐圧MOSで構成され、高圧信号を生成し振動子111を駆動する送信回路122、送信時にオフ状態となり高圧信号から低圧系受信回路を保護し、受信時には微小信号を通過させる送受分離スイッチ123、低圧系の受信低雑音増幅器(Low Noise Amplifier:LNA)124、送信信号を遅延させビームフォーミングを行い、さらには受信信号を遅延させて整相を行う微小遅延回路125が含まれる。微小遅延回路125には、サンプルホールド回路ブロック10が接続される。各微小遅延回路で整相された受信信号は、アナログマルチプレクサ13でマルチプレクスされて本体装置に伝送される。 FIG. 12 shows the configuration of the transmission/reception circuit 30 in the sub array 300. The transmitter/receiver circuit 30 per oscillator is composed of a high voltage MOS, a transmitter circuit 122 that generates a high voltage signal and drives the oscillator 111, and is turned off during transmission to protect the low voltage system reception circuit from the high voltage signal and receive it. A transmission/reception separation switch 123 that sometimes allows a minute signal to pass, a low-voltage receiving low noise amplifier (Low Noise Amplifier: LNA) 124, a transmission signal that is delayed to perform beamforming, and a reception signal that is delayed to perform phasing A delay circuit 125 is included. The sample hold circuit block 10 is connected to the minute delay circuit 125. The received signal that has been phased in each minute delay circuit is multiplexed by the analog multiplexer 13 and transmitted to the main device.

以上説明した実施例では、低消費電力かつ広帯域なアナログ加算回路を提供することができる。とくに、2Dアレイ超音波探触子用のICにおいて、アレイ上の受信回路からアレイ外に長い配線を布線し寄生容量が大きくなった場合においても広帯域な加算処理を実現することができる。 The embodiment described above can provide an analog adder circuit with low power consumption and wide bandwidth. In particular, in an IC for a 2D array ultrasonic probe, a wide band addition process can be realized even when a long wiring is wired from the receiving circuit on the array to the outside of the array to increase the parasitic capacitance.

また、サンプルホールド回路を用いて電荷でアナログ信号を加算するアナログ加算回路において、信号電荷を蓄積するキャパシタ、およびサンプルホールド回路の出力に接続される負荷容量の両方の電荷を定期的にリセットすることで電荷履歴の影響を排除することができる。 Further, in an analog adder circuit that adds an analog signal by charge using a sample hold circuit, periodically reset both the charge of the capacitor that stores the signal charge and the load capacitance that is connected to the output of the sample hold circuit. Can eliminate the influence of charge history.

以上説明した実施例は、超音波診断装置に接続される超音波探触子内のICに搭載することで効果を発揮する。本実施例を用いれば、超音波受信の整相に必要となるアナログ加算回路の広帯域化を低消費電力のまま実現出来る。これにより高い周波数の超音波を扱う受信回路が実現出来、空間分解能が高い超音波画像診断装置を実現することが出来る。また、アナログ加算回路が搭載されるICの電力を低減することが出来、ICが搭載される超音波探触子の発熱を抑制することが可能となる。すなわち本実施例は、広帯域のアナログ加算回路を低消費電力で実現する、ひいては高性能な超音波探触子を低発熱で実現するための技術として効果を発揮する。 The embodiment described above is effective when mounted on the IC in the ultrasonic probe connected to the ultrasonic diagnostic apparatus. By using this embodiment, it is possible to realize a wide band of the analog adder circuit required for phasing of ultrasonic wave reception with low power consumption. As a result, a receiving circuit that handles ultrasonic waves of high frequency can be realized, and an ultrasonic image diagnostic apparatus with high spatial resolution can be realized. Further, it is possible to reduce the power of the IC in which the analog addition circuit is mounted, and it is possible to suppress the heat generation of the ultrasonic probe in which the IC is mounted. That is, the present embodiment is effective as a technique for realizing a wideband analog adder circuit with low power consumption, and thus realizing a high-performance ultrasonic probe with low heat generation.

N 加算される信号本数
Cs 信号電圧保持用キャパシタ
Cp 配線寄生容量
Vin* 電圧入力
Vout* 電圧出力
Vcs* キャパシタ電圧
VCM 信号コモン電位
φ* スイッチオンオフ制御信号
CLK 基準クロック
ADD アナログ加算回路
MUX アナログマルチプレクサ
BUF バッファ
Vs ステップ入力電圧振幅
−1 1クロックサイクル遅延
AFE アナログフロントエンド
IC Integrated Circuit 集積回路
Tx 送信回路
T/R−SW 送受分離スイッチ
Rx 受信回路
LNA Low Noise Amplifier 低雑音増幅器
DLY* アナログ遅延回路
SW* スイッチ
N Number of signals to be added Cs Signal voltage holding capacitor Cp Wiring parasitic capacitance Vin* Voltage input Vout* Voltage output Vcs* Capacitor voltage VCM Signal common potential φ* Switch on/off control signal CLK Reference clock ADD Analog addition circuit MUX Analog multiplexer BUF Buffer Vs step input voltage amplitude Z −1 1 clock cycle delay AFE analog front end IC Integrated Circuit integrated circuit Tx transmission circuit T/R-SW transmission/reception separation switch Rx reception circuit LNA Low Noise Amplifier low noise amplifier DLY* analog delay circuit SW* switch

Claims (15)

複数の入力端子と、
前記複数の入力端子の其々に対応する、複数のサンプルホールド回路ブロックと、
前記複数のサンプルホールド回路ブロックの出力を入力として、一つの出力を生成するマルチプレクサを備え、
前記複数のサンプルホールド回路ブロックの其々は、第1の容量と、第2の容量と、第3の容量と、を備え、
前記第1の容量と前記マルチプレクサを接続する第1の配線と、前記第2の容量と前記マルチプレクサを接続する第2の配線と、前記第3の容量と前記マルチプレクサを接続する第3の配線と、を備え、
前記第1の容量、第2の容量、および第3の容量の其々に対して、
前記入力端子と接続し、前記マルチプレクサと切断する第1の状態、
前記マルチプレクサと接続し、前記入力端子と切断する第2の状態、
所定電位に接続し、前記入力端子およびマルチプレクサと切断する第3の状態、
の3つの状態を排他的に設定するスイッチを備え、
前記第1の容量と前記マルチプレクサの間に配置され、前記第3の状態において、前記第1の配線を前記所定電位に接続するための第1のリセットスイッチと、
前記第2の容量と前記マルチプレクサの間に配置され、前記第3の状態において、前記第2の配線を前記所定電位に接続するための第2のリセットスイッチと、
前記第3の容量と前記マルチプレクサの間に配置され、前記第3の状態において、前記第3の配線を前記所定電位に接続するための第3のリセットスイッチと、
を備えるアナログ加算回路。
Multiple input terminals,
A plurality of sample and hold circuit blocks corresponding to each of the plurality of input terminals,
The output of the plurality of sample and hold circuit blocks are input, and a multiplexer that generates one output is provided,
Each of the plurality of sample and hold circuit blocks includes a first capacitor, a second capacitor, and a third capacitor,
A first wiring connecting the first capacitor and the multiplexer, a second wiring connecting the second capacitor and the multiplexer, and a third wiring connecting the third capacitor and the multiplexer ,,
For each of the first capacity, the second capacity, and the third capacity,
A first state of connecting to the input terminal and disconnecting from the multiplexer;
A second state of connecting with the multiplexer and disconnecting with the input terminal;
A third state of connecting to a predetermined potential and disconnecting from the input terminal and the multiplexer,
Equipped with a switch to exclusively set the three states of
A first reset switch arranged between the first capacitor and the multiplexer, for connecting the first wiring to the predetermined potential in the third state;
A second reset switch arranged between the second capacitor and the multiplexer for connecting the second wiring to the predetermined potential in the third state;
A third reset switch arranged between the third capacitor and the multiplexer for connecting the third wiring to the predetermined potential in the third state;
Analog adder circuit.
前記第1のリセットスイッチは、前記第1の配線の寄生容量の電荷をリセットし、
前記第2のリセットスイッチは、前記第2の配線の寄生容量の電荷をリセットし、
前記第3のリセットスイッチは、前記第3の配線の寄生容量の電荷をリセットする、
請求項1記載のアナログ加算回路。
The first reset switch resets the electric charge of the parasitic capacitance of the first wiring,
The second reset switch resets the electric charge of the parasitic capacitance of the second wiring,
The third reset switch resets the electric charge of the parasitic capacitance of the third wiring,
The analog adder circuit according to claim 1.
前記複数のサンプルホールド回路ブロックは、半導体集積回路装置内にアレイ状に配列されてアレイ領域を形成しており、
前記第1のリセットスイッチ、第2のリセットスイッチ、および、第3のリセットスイッチは、前記アレイ領域外に配置されている、
請求項1記載のアナログ加算回路。
The plurality of sample hold circuit blocks are arranged in an array in a semiconductor integrated circuit device to form an array region,
The first reset switch, the second reset switch, and the third reset switch are arranged outside the array region,
The analog adder circuit according to claim 1.
前記3つの状態を排他的に設定するスイッチは、
前記第1の配線の、前記第1の容量と前記第1のリセットスイッチの間に配置された第1の接続スイッチと、
前記第2の配線の、前記第2の容量と前記第2のリセットスイッチの間に配置された第2の接続スイッチと、
前記第3の配線の、前記第3の容量と前記第3のリセットスイッチの間に配置された第3の接続スイッチと、を含む、
請求項3記載のアナログ加算回路。
The switch for exclusively setting the three states is
A first connection switch disposed on the first wiring between the first capacitance and the first reset switch;
A second connection switch arranged on the second wiring between the second capacitor and the second reset switch;
A third connection switch disposed between the third capacitance and the third reset switch on the third wiring;
The analog adder circuit according to claim 3.
其々が超音波振動子に接続された、複数の入力端子と、
前記複数の入力端子と一対一に対応する、複数の受信回路と、
前記複数の受信回路の其々が備える、前記入力端子から得られる信号に基づく電荷を貯える信号キャパシタと、
前記複数の受信回路の信号キャパシタの出力を統合する出力配線と、を有し、
前記複数の受信回路の信号キャパシタに貯えた電荷を、該複数の受信回路の信号キャパシタで再配分することで、前記複数の入力端子から得られる信号を統合し、
前記信号キャパシタおよび前記出力配線の寄生キャパシタの電荷を定期的に所定値に設定することで、前記信号キャパシタおよび前記寄生キャパシタの電荷の充放電履歴をリセットすることを特徴とする超音波探触子。
A plurality of input terminals, each connected to an ultrasonic transducer,
A plurality of receiving circuits corresponding to the plurality of input terminals one-to-one,
A signal capacitor that stores electric charge based on a signal obtained from the input terminal, which is provided in each of the plurality of receiving circuits,
An output wiring that integrates the outputs of the signal capacitors of the plurality of receiving circuits,
By redistributing the charge stored in the signal capacitors of the plurality of receiving circuits by the signal capacitors of the plurality of receiving circuits, the signals obtained from the plurality of input terminals are integrated,
An ultrasonic probe characterized by resetting charge/discharge history of charges of the signal capacitor and the parasitic capacitor by periodically setting charges of the signal capacitor and the parasitic capacitor of the output wiring to a predetermined value. ..
請求項5において、
前記信号キャパシタおよび前記寄生キャパシタの電荷を定期的に所定値に設定する際に、
前記信号キャパシタおよび前記寄生キャパシタに印加される電圧をアナログ信号のコモン電圧近傍とすることを特徴とする超音波探触子。
In claim 5,
When periodically setting the charge of the signal capacitor and the parasitic capacitor to a predetermined value,
An ultrasonic probe, characterized in that the voltage applied to the signal capacitor and the parasitic capacitor is set in the vicinity of a common voltage of an analog signal.
請求項5において、
前記信号キャパシタに対して、クロックに同期して動作する離散時間サンプリング系を備え、
前記クロックに同期して、信号のサンプル、信号のホールド、前記信号キャパシタおよび前記寄生キャパシタの電荷の充放電履歴のリセット、の3インタリーブ動作を交互に行うことを特徴とする超音波探触子。
In claim 5,
A discrete time sampling system that operates in synchronization with a clock is provided for the signal capacitor,
An ultrasonic probe characterized in that, in synchronization with the clock, three interleave operations of signal sampling, signal holding, and resetting of charge and discharge history of charges of the signal capacitor and the parasitic capacitor are alternately performed.
請求項7において、
前記3インタリーブ動作を交互に行う3つのサンプルホールド回路を有し、
前記3つのサンプルホールド回路の其々は、前記信号キャパシタを備え、
前記3つのサンプルホールド回路の出力をアナログマルチプレクサにより交互に出力することを特徴とする超音波探触子。
In claim 7,
And three sample and hold circuits that alternately perform the three interleave operations,
Each of the three sample and hold circuits comprises the signal capacitor,
An ultrasonic probe characterized in that outputs of the three sample-hold circuits are alternately output by an analog multiplexer.
請求項8において、
前記3つのサンプルホールド回路と、前記アナログマルチプレクサと、前記アナログマルチプレクサの後段回路の接続において、
前記3つのサンプルホールド回路と前記アナログマルチプレクサの間の3本の配線の長さが、前記アナログマルチプレクサと前記後段回路の間の配線の長さより長いことを特徴とする超音波探触子。
In claim 8,
In the connection of the three sample and hold circuits, the analog multiplexer, and the subsequent circuit of the analog multiplexer,
An ultrasonic probe, wherein lengths of three wires between the three sample-hold circuits and the analog multiplexer are longer than lengths of wires between the analog multiplexer and the subsequent circuit.
請求項8において、
前記3つのサンプルホールド回路を一組としたサンプルホールド回路ブロックがアレイ状に並んでおり、
前記サンプルホールド回路ブロックから、アレイの外側に配置された前記アナログマルチプレクサまでの配線長が、前記サンプルホールド回路ブロックの位置に依らず等長であることを特徴とする超音波探触子。
In claim 8,
Sample and hold circuit blocks that are a set of the three sample and hold circuits are arranged in an array,
An ultrasonic probe, wherein the wiring length from the sample hold circuit block to the analog multiplexer arranged outside the array is equal regardless of the position of the sample hold circuit block.
請求項5において、
前記入力端子の其々は、1対の差動入力端子であり、
前記差動入力端子は前記信号キャパシタの2つの電極にスイッチを介して接続されることで、差動信号を前記信号キャパシタに保持することを特徴とする超音波探触子。
In claim 5,
Each of the input terminals is a pair of differential input terminals,
The ultrasonic probe, wherein the differential input terminal is connected to two electrodes of the signal capacitor via a switch to hold a differential signal in the signal capacitor.
超音波探触子と本体装置から構成される超音波診断装置であって、
前記超音波探触子は、
複数の超音波振動子と、
前記超音波振動子の其々に対応する、複数のサンプルホールド回路ブロックと、
前記複数のサンプルホールド回路ブロックの出力を入力とするマルチプレクサと、
前記サンプルホールド回路ブロックと前記マルチプレクサを接続する出力配線と、
を備え、
前記マルチプレクサの出力は、後段回路を介して前記本体装置に入力され、
前記サンプルホールド回路ブロックの其々は、前記超音波振動子の検出信号に基づく電荷を貯える信号キャパシタを備え、
前記出力配線を定期的に所定電位に接続するリセットスイッチを備える、
ことを特徴とする超音波診断装置。
An ultrasonic diagnostic apparatus comprising an ultrasonic probe and a main unit,
The ultrasonic probe is
A plurality of ultrasonic transducers,
A plurality of sample and hold circuit blocks corresponding to each of the ultrasonic transducers;
A multiplexer having as inputs the outputs of the plurality of sample and hold circuit blocks;
An output wiring connecting the sample-hold circuit block and the multiplexer,
Equipped with
The output of the multiplexer is input to the main body device via a post-stage circuit,
Each of the sample and hold circuit blocks includes a signal capacitor that stores a charge based on a detection signal of the ultrasonic transducer,
A reset switch for periodically connecting the output wiring to a predetermined potential,
An ultrasonic diagnostic apparatus characterized by the above.
前記サンプルホールド回路ブロックは、アレイ状に配列され、
前記マルチプレクサは前記アレイ状の配列の外部に配置され、
前記リセットスイッチは、前記アレイ状の配列の外部に配置され、前記出力配線を前記所定電位に接続する寄生キャパシタリセットスイッチであり、
さらに、前記アレイ状の配列の内部に配置され、前記信号キャパシタを前記所定電位に接続する信号キャパシタリセットスイッチを備え、
前記信号キャパシタリセットスイッチと寄生キャパシタリセットスイッチは、同期して動作する、
請求項12記載の超音波診断装置。
The sample and hold circuit blocks are arranged in an array,
The multiplexer is located outside the array of arrays,
The reset switch is a parasitic capacitor reset switch that is arranged outside the array-shaped array and connects the output wiring to the predetermined potential,
Further, a signal capacitor reset switch arranged inside the array-shaped array and connecting the signal capacitor to the predetermined potential is provided.
The signal capacitor reset switch and the parasitic capacitor reset switch operate in synchronization.
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 12.
前記サンプルホールド回路ブロックは、3個一組の前記信号キャパシタを備え、
該3個の信号キャパシタは、
前記超音波振動子からの信号をサンプルする第1の状態、
前記マルチプレクサに信号を出力する第2の状態、
前記所定電位に接続される第3の状態、
の3つの状態を順次排他的に設定される、
請求項13記載の超音波診断装置。
The sample-hold circuit block includes a set of three signal capacitors,
The three signal capacitors are
A first state for sampling the signal from the ultrasonic transducer,
A second state for outputting a signal to the multiplexer,
A third state connected to the predetermined potential,
The following three states are exclusively set sequentially,
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 13.
前記サンプルホールド回路ブロックと前記出力配線は、半導体集積回路内に形成されている、
請求項14記載の超音波診断装置。
The sample hold circuit block and the output wiring are formed in a semiconductor integrated circuit,
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 14.
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