KR101886825B1 - 파워 증폭기 능동 바이어스 회로 및 이를 포함하는 초고주파 의료 초음파 영상 시스템 - Google Patents

파워 증폭기 능동 바이어스 회로 및 이를 포함하는 초고주파 의료 초음파 영상 시스템 Download PDF

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Abstract

능동 바이어스 회로는 입력단으로 입력 교류전압을 입력받아 소정의 전압이득만큼 증폭시킨 후 출력단으로 출력전압을 출력하는 파워 증폭부 및 상기 파워 증폭부의 입력단으로 소정의 바이어스 전압을 인가하는 바이어스부를 포함하며, 상기 바이어스부는, 일단으로 바이어스 입력전압을 입력받고 타단이 제1 노드(N1)에 접속되는 제1 저항(R1); 상기 제1 노드(N1)와 MOS 트랜지스터(Q1)의 소스단(SOURCE) 사이에 접속되는 제2 저항(R2); 상기 제1 노드(N1)와 상기 MOS 트랜지스터(Q1)의 게이트단(GATE) 사이에 접속되는 다이오드(D); 상기 MOS 트랜지스터(Q1)의 게이트단과 접지전압단(VSS) 사이에 접속되는 캐패시터(C); 및 상기 MOS 트랜지스터(Q1)의 드레인단(DRAIN)과 상기 파워 증폭부의 입력단 사이에 접속되는 인덕터(L);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

파워 증폭기 능동 바이어스 회로 및 이를 포함하는 초고주파 의료 초음파 영상 시스템{Power Amplifier Active Bias Circuit AND Very High Frequency Medical Ultrasound Imaging Systems}
본 발명은 바이어스 회로에 관한 것으로서, 더 상세하게는 파워 증폭기 능동 바이어스 회로 및 이를 포함하는 초고주파 의료 초음파 영상 시스템에 관한 것이다.
초고주파 의료 초음파 영상 시스템(Very High Frequency Medical Ultrasound Imaging Systems)은 20kHz 이상의 초음파 신호를 초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer)를 이용하여 인체 및 동물 내부에 투과하여 확산, 반사, 흡수, 산란을 통해 나타나는 구조적인 영상을 제공하는 영상진단 의료기기이다. 즉, 초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer)는 높은 주파수의 초음파 진동을 발신하고 수신하는 기능을 하는 디바이스로 정의될 수 있다.
도 1은 초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer)의 예시도이다.
도 1의 제1 도면(11)은 단일 탐촉자(Single Transducer)이고, 제2 도면(12)은 배열 탐촉자(Array Transducer)이다.
초고주파 의료 초음파 영상 시스템(Very High Frequency Medical Ultrasound Imaging Systems)은 단일 탐촉자(Single Transducer) 또는 배열 탐촉자(Array Transducer)를 이용하여 시스템을 구성하며,
심혈관 질환, 피부 및 소동물 실험의 영상을 확인하기 위한 용도로 최근에 주목을 받고 있다.
초고주파 의료 초음파 영상 시스템(Very High Frequency Medical Ultrasound Imaging Systems)에서 초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer)는 고전압을 전달받아 초음파를 출력하고, 반사되어 되돌아오는 초음파를 수신한 후 전기신호로 변환한다.
따라서 초고주파 의료 초음파 영상 시스템(Very High Frequency Medical Ultrasound Imaging Systems)은, 초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer)에 고전압을 공급하기 위한 파워 증폭기를 구비한다.
초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer)에 고전압을 공급하기 위한 종래의 파워 증폭기는, 입력 파워가 변할 때, 파워 증폭기의 전압 이득의 변화가 불안정하게 발생하였다.
즉, 파워 증폭기는 트랜지스터와 다이오드 등으로 구성되는 비선형적인 회로이므로, 주파수 하모닉(Harmonic) 성분들이 발생하며 이로 인해 신호의 왜곡이 발생한다.
즉, 초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer)에 고전압을 공급하기 위한 종래의 파워 증폭기는, 전압 이득이 불안정하게 변동하여, 영상의 품질을 하락시키는 원인으로 작용하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 파워 증폭기의 입력단에 바이어스 전압을 공급함으로서, 전압 이득을 일정하게 유지하도록 작용하는 파워 증폭기 능동 바이어스 회로 및 이를 포함하는 초고주파 의료 초음파 영상 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력단으로 입력 교류전압을 입력받아 소정의 전압이득만큼 증폭시킨 후 출력단으로 출력전압을 출력하는 파워 증폭부; 및 상기 파워 증폭부의 입력단으로 소정의 바이어스 전압을 인가하는 바이어스부;를 포함하는 능동 바이어스 회로가 제공된다.
또한, 상기 바이어스부는, 일단으로 바이어스 입력전압을 입력받고 타단이 제1 노드(N1)에 접속되는 제1 저항(R1); 상기 제1 노드(N1)와 MOS 트랜지스터(Q1)의 소스단(SOURCE) 사이에 접속되는 제2 저항(R2); 상기 제1 노드(N1)와 상기 MOS 트랜지스터(Q1)의 게이트단(GATE) 사이에 접속되는 다이오드(D); 상기 MOS 트랜지스터(Q1)의 게이트단과 접지전압단(VSS) 사이에 접속되는 캐패시터(C); 및 상기 MOS 트랜지스터(Q1)의 드레인단(DRAIN)과 상기 파워 증폭부의 입력단 사이에 접속되는 인덕터(L);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 바이어스 회로를 구비한 파워 트랜스미터; 상기 파워 트랜스미터의 출력전압을 초음파 탐촉자로 전달하는 익스팬더; 상기 익스팬더로부터 전달되는 상기 출력전압을 이용하여 초음파를 출력하며, 반사되는 초음파를 수신하는 상기 초음파 탐촉자; 상기 초음파 탐촉자에서 수신한 초음파를 전기적인 신호로 증폭하는 리시버; 상기 리시버에서 증폭된 전기적인 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터; 및 상기 디지털 신호를 영상신호로 변환하여 표시하는 초음파 영상 표시부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 의료 초음파 영상 시스템이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따른 능동 바이어스 회로는 파워 증폭기의 전압 이득을 일정하게 유지하도록 작용한다. 따라서 능동 바이어스 회로를 포함하는 초고주파 의료 초음파 영상 시스템은, 초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer)에 안정적인 전압을 공급함으로써 고품질의 초음파 영상을 확보할 수 있다.
도 1은 초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer)의 예시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 의료 초음파 영상 시스템의 구성도
도 3은 도 2의 초고주파 의료 초음파 영상 시스템에 적용된 파워 트랜스미터의 구성도
도 4는 능동 바이어스 회로의 파워 증폭부의 구성도
도 5는 종래의 파워 증폭부와, 본 발명의 실시예에 따른 파워 증폭부의 전압이득을 비교한 그래프
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 의료 초음파 영상 시스템(1)의 구성도이다.
본 실시예에 따른 초고주파 의료 초음파 영상 시스템(1)은 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있다.
도 2를 참조하면, 초고주파 의료 초음파 영상 시스템(1)은 파워 트랜스미터(100)와, 익스팬더(200)와, 초음파 탐촉자(300)와, 리시버(400)와, 아날로그 디지털 컨버터(500)와, 초음파 영상 표시부(600)를 포함하여 구성된다. 여기에서 리시버(400)는 리미터(410)와, 프리 앰플리파이어(420)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 초고주파 의료 초음파 영상 시스템(1)의 세부구성과 주요동작을 살펴보면 다음과 같다.
파워 트랜스미터(100)는 능동 바이어스 회로가 구비되어 있다. 따라서 파워 트랜스미터(100)에서 출력되는 증폭된 출력전압의 전압이득은 변동폭이 매우 적어서 매우 안정적으로 공급된다.
즉, 파워 트랜스미터(100)에는 비선형 특성을 가지는 MOS 트랜지스터 등으로 구성되는 파워 증폭부가 구비되어 있는데, 증폭 기능을 수행하는 MOS 트랜지스터의 게이트 입력단에 바이어스 전압이 인가되므로, 입력 파워가 증가하더라도 출력전압의 전압이득은 비교적 일정하게 유지된다. 즉, 바이어스 전압이 파워 증폭부의 비선형적인 성분을 줄여주어, 종래보다 선형적인 파워 증폭부의 증폭동작을 달성할 수 있다.
익스팬더(200)는 파워 트랜스미터(100)의 출력전압을 초음파 탐촉자(300)로 전달한다. 익스팬더(200)는 양방향 다이오드로 설계될 수 있다.
익스팬더(200)는 파워 트랜스미터(100)와 초음파 탐촉자(300) 사이에 접속되며, 출력전압의 노이즈를 감소시키는 역할을 수행하면서, 출력전압의 손실을 최소화시킨 상태로 전달하는 기능을 수행한다.
초음파 탐촉자(300)는 익스팬더(200)로부터 전달되는 출력전압을 이용하여 초음파를 출력하며, 반사되는 초음파를 수신한다.
즉, 초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer, 300)는 고전압(출력전압)을 전달받아 초음파를 출력하고, 목표물(Target)에서 반사되어 되돌아오는 초음파를 수신한 후 전기신호로 변환한다.
리시버(400)는 초음파 탐촉자(300)에서 수신한 초음파를 전기적인 신호로 증폭한다.
본 실시예에서 리시버(400)는 리미터(410)와, 프리 앰플리파이어(420)를 포함하여 구성된다.
리미터(410)는 초음파 탐촉자(300)에서 사용되는 고전압의 출력전압이 프리 앰플리파이어(420)로 전달되는 것을 차단하여, 프리 앰플리파이어(420)를 보호하는 역할을 수행한다.
프리 앰플리파이어(420)는 초음파 탐촉자(300)로부터 수신된 전기신호를 증폭한 후, 아날로그 디지털 컨버터(500)로 전달하며,
아날로그 디지털 컨버터(500)는 리시버(400)에서 증폭된 전기적인 신호를 디지털 신호로 변환한다.
초음파 영상 표시부(600)는 아날로그 디지털 컨버터(500)에서 생성된 디지털 신호를 영상신호로 변환하여 표시한다. 초음파 영상 표시부(600)는 일반적인 컴퓨터 및 디스플레이 장치로 구성될 수 있으며, 초음파 탐촉자(300) 및 파워 트랜스미터(100)의 전체적인 동작을 제어하는 메인 제어회로를 포함하여 구성될 수도 있다.
참고적으로 아날로그 디지털 컨버터(500)와, 초음파 영상 표시부(600) 사이에 FPGA(field programmable gate array)가 배치되어, 프로그래밍된 알고리듬을 토대로 디지털 신호를 변조하여 초음파 영상 표시부(600)로 전달하도록 구성될 수도 있을 것이다.
도 3은 도 2의 초고주파 의료 초음파 영상 시스템에 적용된 파워 트랜스미터(100)의 구성도이다.
본 실시예에 따른 파워 트랜스미터(100)는 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있으며, 파워 트랜스미터(100) 중에서 가장 핵심요소인 능동 바이어스 회로가 도시되어 있다. 따라서 이하에서는 파워 트랜스미터(100)를 능동 바이어스 회로(100)로 정의하고 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 능동 바이어스 회로(100)는 바이어스부(110)와, 파워 증폭부(120)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 능동 바이어스 회로(100)의 세부구성과 주요동작을 살펴보면 다음과 같다.
파워 증폭부(120)는 입력단으로 입력 교류전압(INPUT)을 입력받아 소정의 전압이득만큼 증폭시킨 후 출력단으로 출력전압(OUTPUT)을 출력한다. 파워 증폭부(120)는 비선형적인 특성을 갖는 MOS 트랜지스터를 포함하는 클래스 A (CLASS A) 타입 증폭회로로 구성될 수 있다.
바이어스부(110)는 파워 증폭부(120)의 입력단으로 소정의 바이어스 전압을 인가한다. 즉, 바이어스부(110)는 증폭 기능을 수행하는 파워 증폭부(120)의 MOS 트랜지스터의 게이트 입력단에 바이어스 전압을 인가하므로, 입력 파워가 증가하더라도 파워 증폭부(120)의 출력전압(OUTPUT)의 전압이득은 비교적 일정하게 유지된다. 즉, 바이어스 전압이 파워 증폭부(120)의 비선형적인 성분을 줄여주어, 종래보다 선형적인 파워 증폭부(120)의 증폭동작을 달성할 수 있다.
바이어스부(110)는 제1 저항(R1)과, 제2 저항(R2)과, 다이오드(D)와, MOS 트랜지스터(Q1)와, 캐패시터(C)와, 인덕터(L)를 포함하여 구성된다.
즉, 제1 저항(R1)은 일단으로 바이어스 입력전압(Bias)을 입력받고 타단이 제1 노드(N1)에 접속된다.
제2 저항(R2)은 제1 노드(N1)와 MOS 트랜지스터(Q1)의 소스단(SOURCE) 사이에 접속된다.
다이오드(D)는 제1 노드(N1)와 MOS 트랜지스터(Q1)의 게이트단(GATE) 사이에 접속된다.
캐패시터(C)는 MOS 트랜지스터(Q1)의 게이트단과 접지전압단(VSS) 사이에 접속된다.
인덕터(L)는 MOS 트랜지스터(Q1)의 드레인단(DRAIN)과 파워 증폭부(120)의 입력단 사이에 접속된다.
바이어스부(110)는 다이오드(D)와 캐패시터(C)를 통해 MOS 트랜지스터(Q1)의 소스단(SOURCE)과 게이트단(GATE) 사이에 전압차이를 발생시켜서, 드레인단(DRAIN)을 통해 바이어스 전압을 출력한다.
드레인단(DRAIN)과 파워 증폭부(120)의 입력단 사이에는 인덕터(L)가 접속되어 있는데, 인덕터(L)는 파워 증폭부(120)의 입력단에 입력되는 교류전압이 바이어스부(110)로 전달되는 것을 차단하기 위해 배치된다.
MOS 트랜지스터(Q1)의 드레인단(DRAIN)에서 출력되는 바이어스 전압은, 바이어스 입력전압(Bias)보다 조금 강하된 값을 가지며, 바이어스 전압이 파워 증폭부(120)의 비선형적인 성분을 줄여주어, 종래보다 선형적인 파워 증폭부(120)의 증폭동작을 달성할 수 있다.
즉, 바이어스부(110)는 전계효과 트랜지스터를 사용하여 파워 증폭부(120)의 입력단에 일정한 바이어스 전압을 인가하여 전압 이득을 안정화시키고, 파워 증폭부(120)의 특성과 반대인 특성을 가지도록 설계되어 능동 바이어스 회로의 선형성을 증가시킬 수 있다.
도 4는 능동 바이어스 회로의 파워 증폭부(120)의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 파워 증폭부(120)는 비선형적인 특성을 갖는 MOS 트랜지스터를 포함하는 클래스 A (CLASS A) 타입 증폭회로로 구성되는데,
도 3에 도시된 바와 같이, 파워 증폭부(120)의 MOS 트랜지스터(Q)의 게이트단으로 바이어스 전압이 인가되므로, 파워 증폭부(120)의 비선형적인 성분이 감소하여 종래보다 선형적인 파워 증폭부(120)의 증폭동작을 달성할 수 있다.
도 5는 종래의 파워 증폭부와, 본 발명의 실시예에 따른 파워 증폭부의 전압이득을 비교한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 종래의 파워 증폭부는 입력파워가 증가함에 따라 전압 이득의 변화가 불규칙적으로 매우 크게 변동되는 것을 확인할 수 있다.
이와 달리 본 발명의 실시예에 따른 파워 증폭부(120)는 바이어스부(110)에서 생성된 바이어스 전압을 입력단에 인가받으므로, 입력파워가 증가하더라도 전압 이득의 변화량이 비교적 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 능동 바이어스 회로는 파워 증폭기의 전압 이득을 일정하게 유지하도록 작용한다. 따라서 능동 바이어스 회로를 포함하는 초고주파 의료 초음파 영상 시스템은, 초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer)에 안정적인 전압을 공급함으로써 고품질의 초음파 영상을 확보할 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 능동 바이어스 회로
110 : 바이어스부
120 : 파워 증폭부
200 : 익스팬더
300 : 초음파 탐촉자
400 : 리시버
410 : 리미터
420 : 프리 앰플리파이어
500 : 아날로그 디지털 컨버터
600 : 초음파 영상 표시부

Claims (3)

  1. 입력단으로 입력 교류전압을 입력받아 소정의 전압이득만큼 증폭시킨 후 출력단으로 출력전압을 출력하는 파워 증폭부; 및
    상기 파워 증폭부의 입력단으로 소정의 바이어스 전압을 인가하는 바이어스부;를 포함하고,
    상기 바이어스부는, 일단으로 바이어스 입력전압을 입력받고 타단이 제1 노드(N1)에 접속되는 제1 저항(R1); 상기 제1 노드(N1)와 MOS 트랜지스터(Q1)의 소스단(SOURCE) 사이에 접속되는 제2 저항(R2); 상기 제1 노드(N1)와 상기 MOS 트랜지스터(Q1)의 게이트단(GATE) 사이에 접속되는 다이오드(D); 상기 MOS 트랜지스터(Q1)의 게이트단과 접지전압단(VSS) 사이에 접속되는 캐패시터(C); 및 상기 MOS 트랜지스터(Q1)의 드레인단(DRAIN)과 상기 파워 증폭부의 입력단 사이에 접속되는 인덕터(L);를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 바이어스 회로.
  2. 삭제
  3. 제1항의 능동 바이어스 회로를 구비한 파워 트랜스미터;
    상기 파워 트랜스미터의 출력전압을 초음파 탐촉자로 전달하는 익스팬더;
    상기 익스팬더로부터 전달되는 상기 출력전압을 이용하여 초음파를 출력하며, 반사되는 초음파를 수신하는 상기 초음파 탐촉자;
    상기 초음파 탐촉자에서 수신한 초음파를 전기적인 신호로 증폭하는 리시버;
    상기 리시버에서 증폭된 전기적인 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터; 및
    상기 디지털 신호를 영상신호로 변환하여 표시하는 초음파 영상 표시부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 의료 초음파 영상 시스템.
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