KR20030017520A - 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치를 제어하는회로 및 방법과 그와 같은 회로가 설치된 초음파 검사 장치 - Google Patents

동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치를 제어하는회로 및 방법과 그와 같은 회로가 설치된 초음파 검사 장치 Download PDF

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Abstract

스위치를 제어하는 회로 및 방법이 제공된다. 특히, 본 발명의 회로 및 방법은 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치를 제어하는 레벨 시프터를 제공한다. 레벨 시프터는 일반적으로 트랜지스터들, 입력 단자들, 전압원, 높은 네거티브 전압원 및 다이오드를 포함한다. 특히, 레벨 시프터의 구성은 스위치가 전류/신호없이 ON으로 유지되는 것을 허용하고, 레벨 시프터의 트랜지스터들의 손실을 방지하고, 개선된 직선성(linearity)을 위해 스위치 트랜지스터들에 일정한 게이트-소스 전압을 제공한다. 회로는 초음파 검사 장치에 접속된 스캔헤드에서 유리하게 이용된다.

Description

동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치를 제어하는 회로 및 방법과 그와 같은 회로가 설치된 초음파 검사 장치{Circuit and method for controlling a dynamic, bi-directional high voltage analog switch and ultrasound examination apparatus equipped with such a circuit}
초음파 촬상 응용들의 분야에서, 스위치들은 종종 동축 케이블들의 수를 감소시키도록 스캔헤드에서 활용된다. 스위치들 및 기초가 되는 전자 디바이스들이 최적의 성능을 갖기 위해서, 다양한 인자들이 고려되어야 한다. 예를 들어, 각 스위치 트랜지스터의 게이트-소스 전압은 스위치가 도전시에 높은 직선성(linearity)을 갖기 위해 일정하게 되는 것이 중요하다. 이것은 영상 품질에 해로운 신호 왜곡의 최소화를 보장한다.
지금까지 스위치를 제어하는 다양한 시스템들을 구현하기 위한 많은 시도가 있었다. 두개의 그와 같은 예들이 Janutka의 미국 특허 제 4,5000,802 호와 Weir의미국특허 제 4,595,847 호에 예시되어 있다. 그러나, 어떠한 기존의 스위치 시스템도 동적이지 않으며, 스위치 상태(즉, ON 또는 OFF)에 독립적인 제로 DC 바이어스 전류를 허용하지 않는다.
상세하게는, 기존의 기술들중 어느 것도 스위치내의 전압이 손실되는 것을 방지하면서 스위치가 스위치 트랜지스터들의 게이트들상의 전하에 의해 유지되는 것을 허용하지 않는다(즉, 전류는 스위치를 유지하는데 요구되지 않으며, 단지 그것을 초기에 켜는데 요구된다).
부가하면, 전자 디바이스들이 계속 크기가 축소됨에 따라, 더 작은 전자 부품들을 생산할 필요성이 증가한다. 그러나, 어떤 기존 제품도 더 작은 양(예를 들어, 50 %)의 실리콘 영역을 점유하면서 높은 전압들(예를 들어, 200 볼트)에 도달할 수 있는 스위치를 제공하지 않는다. 또한, 어떤 기존 제품도 초음파 전자제품들에 적합한 구성에서 500 볼트에 도달할 수 있는 스위치를 제공할 수 없다. 아직까지, 기존 기술들중 어느것도 더 낮은 전압의 포지티브 전원들(예를 들어, 5 볼트 및/또는 12 볼트)을 요구하는 스위치의 동작을 제어하는 시스템을 제공하지 않는다. 대조적으로, 기존의 제어 시스템들은 통상적으로 스위치를 통과하는 전압(예를 들어, +100 볼트)과 비례하는 전압들을 요구한다.
전술된 내용을 살펴볼 때,
1) 스위치는 초음파 응용들에 적합한 실리콘 영역을 점유하면서 더 높은 전압들(예를 들어, 500 볼트)에 도달할 수 있고,
2) 스위치는 실리콘의 더 적은 영역(예를 들어, 50 %)을 점유하면서 이용가능한 전압들(예를 들어, 200 볼트)에 도달할 수 있는, 스위칭 회로 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
또한, 동적이고, 스위치가 ON 또는 OFF인지에 독립적인 제로 DC 바이어스 전류를 허용하는, 회로 및 방법에 대한 필요성이 존재한다. 이것은 스위치 트랜지스터들의 게이트들상의 전하에 의해 스위치가 ON으로 유지되게 허용할 것이고, 한번 충전된 트랜지스터들로부터의 전력 손실을 방지할 것이다.
스위치의 임의의 비-직선성이 감소되도록 스위치 트랜지스터들상의 게이트-소스 전압이 일정하게 유지되게 허용하는 회로 및 방법에 대한 다른 필요성이 존재한다.
본 발명은 일반적으로 스위치를 제어하는 회로 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치를 제어하는 레벨 시프터에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 그와 같은 회로 및 스위치가 설치되고 초음파 검사 장치에 접속된, 스캔헤드(scanhead)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 회로도.
도 2는 본 발명의 스위치가 ON일 때의 시뮬레이션 결과들의 그래프도.
도 3은 본 발명의 스위치가 OFF일 때의 시뮬레이션 결과들의 그래프도.
도 4는 본 발명의 스위치가 ON일 때의 오실로스코프 트레이스들 (oscilloscope traces)의 그래프도.
도 5는 본 발명의 스위치가 OFF일 때의 오실로스코프 트레이스들의 그래프도.
도 6은 본 발명에 따른 방법 흐름도.
본 발명은, 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치를 제어하는 회로 및 방법을 제공함으로써 기존 시스템들의 결점들을 극복한다. 특히, 본 발명의 회로 및 방법은, 스위치와, 스위치를 제어하는 레벨 시프터(level shifter)를 포함한다. 레벨 시프터는 일반적으로 전압원, 높은 네거티브 전압원, 입력 단자들, 트랜지스터들 및 다이오드를 포함한다. 집합적으로, 본 회로 및 방법은, 무엇보다도, (1) 스위치 상태에 독립적인 제로 DC 바이어스 전류를 허용하는 동적 회로와, (2) 일정한 게이트-소스 전압과, (3) 점유된 실리콘 표면 영역을 감소시키면서 증가된 스위치 전압들 및 (4) 회로를 구동하는 더 낮은 전압의 전원들을 제공한다.
본 발명의 제 1 측면에 따라, 스위치를 제어하는 회로가 제공된다. 회로는, (1) 레벨 시프터로서, (a) 스위치 라인에 연결된 제 1 레벨 트랜지스터와, (b) 제1 레벨 트랜지스터와 스위치 라인 사이에 위치된 다이오드와, (c) 스위치 라인에 접속된 전류 미러에 연결된 제 2 레벨 트랜지스터를 포함하는, 상기 레벨 시프터와, (2) 상기 스위치 라인에 연결되고, 상기 레벨 시프터에 의해 제어되는 스위치를 포함한다.
본 발명의 제 2 측면에 따라, 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치를 제어하는 회로가 제공된다. 회로는, (1) 레벨 시프터로서, (a) 스위치 라인에 연결된 제 1 레벨 트랜지스터와, (b) 제 1 레벨 트랜지스터에 연결된 제 1 입력 단자와, (c) 제 1 레벨 트랜지스터와 스위치 라인사이에 연결된 다이오드와, (d) 스위치 라인에 접속된 전류 미러에 연결된 제 2 레벨 트랜지스터와, (e) 제 2 레벨 트랜지스터에 연결된 제 2 입력 단자를 포함하는, 상기 레벨 시프터와, (2) 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치로서, (a) 제 1 스위치 트랜지스터와, (b) 제 1 스위치 트랜지스터에 연결된 스위치 입력 단자와, (c) 제 1 스위치 트랜지스터에 연결된 제 2 스위치 트랜지스터와, (d) 제 2 스위치 트랜지스터에 연결된 스위치 출력 단자와, (e) 제 1 및 제 2 스위치 트랜지스터들 사이에 연결된 제너 다이오드를 포함하는, 상기 고전압 아날로그 스위치를 포함한다.
본 발명의 제 3 측면에 따라, 제너 다이오드와 복수의 스위치 트랜지스터들을 갖는 쌍방향 스위치를 레벨 시프터로 제어하는 방법이 제공된다. 본 방법은, (1) 제 1 레벨 트랜지스터에 연결되는, 레벨 시프터의 제 1 입력 단자를 약 0 볼트로 설정하는 단계와, (2) 제 2 레벨 트랜지스터에 연결되는, 레벨 시프터의 제 2 입력 단자를 약 12 볼트로 설정하는 단계와, (3) 제어 신호를 전압원으로부터 쌍방향 스위치로 레벨 시프터의 다이오드와 제 1 레벨 트랜지스터를 통해 통과시키는 단계와, (4) 제너 다이오드와 스위치 트랜지스터들을 제어 신호로 충전시키는 단계와, (5) 제너 다이오드가 스위치 트랜지스터들의 임계 전압을 초과할 때 스위치 입력으로부터 스위치 출력으로 스위치 신호를 통과시키는 단계와, (6) 스위치 트랜지스터들의 게이트 전위가 미리 결정된 전위에 도달할 때 제어 신호를 중단시키는 단계를 포함한다.
그러므로, 본 발명은 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치를 제어하는 회로 및 방법을 제공한다. 본 발명은 상기에 서술된 기존의 시스템들과 연관된 문제들을 감소시킨다.
본 발명의 회로는 초음파 검사 장치에 접속된 스캔헤드내의 스위치를 제어하는데 유리하게 적용될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들과 장점들은 첨부된 도면들과 연결하여 취해진 본 발명의 다양한 측면들의 다음의 상세한 서술로부터 더 용이하게 이해될 것이다.
본 발명의 도면들은 반드시 스케일링된 것은 아니라는 점이 유의되어야 한다. 도면들은 단지 개략적인 표현들이며, 본 발명의 특정 파라미터들을 묘사하도록 의도된 것은 아니다. 도면들은 본 발명의 단지 통상적인 실시예들을 서술하도록 의도되었으며, 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 여겨져서는 안된다. 도면들에서, 같은 번호들은 같은 요소들을 나타낸다.
명료하게 할 목적으로, 서술은 다음의 섹션들을 가질 것이다.
Ⅰ.회로 구성
Ⅱ.회로 동작
Ⅲ.실험 결과들
Ⅳ.초음파 검사 장치
Ⅰ.회로 구성
도 1을 이제 참조하면, 스위치 라인(36)에 의해 접속된 레벨 시프터(12)와 스위치(14)를 갖는 회로(10)가 도시되어 있다. 레벨 시프터(12)는 양호하게 레벨 트랜지스터들(16, 18, 20 및 22)과, 다이오드(24)와, 입력 단자들(26 및 28)과, 제너 다이오드(30)와, 전압원(32)과, 높은 네거티브 전압원(34)을 포함한다. 집합적으로, 트랜지스터들(20, 22)과 제너 다이오드(30)는 (하기의 다른 상세한 설명에서술된 바와 같이) 스위치 라인(36)에 연결된 전류 미러(23)를 포함한다. 레벨 트랜지스터들(16 및 18)은 양호하게 PDMOS 래터럴 고전압 트랜지스터들이고, 레벨 트랜지스터(20)는 양호하게 NDMOS 래터럴 고전압 트랜지스터이고, 레벨 트랜지스터(22)는 양호하게 저전압 NDMOS 트랜지스터이다. 다이오드(24)는 고전압 다이오드이다. 제너 다이오드(30)는 트랜지스터(22)의 접지-소스 및 드레인-소스 전압들을 14볼트이하로 유지하기 위한 보호 디바이스(protection device))이고, 양호하게 약 12 볼트의 제너 전위/전압을 갖는다. 입력 단자(28)는 ON 단자로서 지정되고, 트랜지스터(18) 및 다이오드(24)를 통해 전압원(32)으로부터의 제어 신호(즉, 전류)의 흐름을 제어한다. 유사하게, 입력 단자 OFF(26)는, 트랜지스터들(16 및 22)을 통한 전압원(32)으로부터의 제어 신호의 흐름과, 트랜지스터(20)를 통한 높은 네거티브 전압원(34)으로부터의 신호의 흐름을 제어한다. 높은 네거티브 전압원(34)은 동작중에 스위치(14)가 통과시키는 최대 네거티브 전압들을 제공한다. 본 실시예의 설명들하에서, 이러한 전압은 -250 볼트만큼 낮아질 수 있다. 다이오드(24)는 제어 신호가 트랜지스터(18)로부터 스위치(14)로 흐르는 것을 보장하며, 그 반대는 성립하지 않는다. 이것은, 하기에 더 서술되는 바와 같이, 스위치(14)로부터의 전력의 손실을 방지한다. 회로(10)의 구성은 전압원(32)이 낮은 전압(예를 들어, 12 볼트)의 전력 공급원이 되는 것을 허용한다. 이전의 시스템들에서, 스위치(14)를 제어하는데 이용되는 전압원(32)은 12 볼트보다 실질적으로 더 높을 것이 요구되었다. 그와 같은 요구조건은 회로에 비용을 부가한다.
스위치(14)는, (양호하게는 소스끼리 연결된) 스위치 트랜지스터들(38 및40)과, 제너 다이오드(42)를 포함하는, 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치이다. 스위치 트랜지스터들(38, 40)은 양호하게는 NDMOS 래터럴 고전압 트랜지스터들이고, 제너 다이오드(42)는 양호하게는 약 12 볼트의 제너 전위/전압을 갖는다. 스위치(14)는 전류(즉, 신호 흐름)가 ON으로 유지되기를 요구하지 않으므로 동적이고, 오히려 전류는 스위치(14)를 초기에 턴 온하는데만 요구된다. 또한, 스위치(14)는 쌍방향이므로, 스위치(14)를 통한 신호는 스위치 단자 A(44)로부터 스위치 단자 B(46)로 흐를 수 있고 또는 반대로 흐를 수도 있다. 따라서, 스위치 단자(44 또는 46)는 입력 단자 또는 출력 단자일 수 있다. 부가하면, 스위치(14)는 약 +250 볼트 내지 -250 볼트의 전압들을 통과시킬 수 있으므로 고전압으로 간주된다. 비록 스위치(14)와 레벨 시프터(12)가 특정 구성요소들로 도시되지만, 다른 변경들이 존재할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 스위치(14)는 부가적인 스위치 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 또한, 비록 스위치(14)는 양호하게는 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치이지만, 다른 타입들의 스위치들이 본 발명의 서술들에 따라 제어될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 스위치(14)는, 동적이고, 고전압이고, 및/또는 쌍방향이지 않을 수 있다.
Ⅱ.회로 동작
상기에 서술된 회로(10)는 다음의 방식으로 기능할 것이다. 스위치를 낮은 임피던스 모드(즉, ON)에 위치시키기 위해, 입력 단자 ON(28)이 0 볼트로 설정되고, 한편 입력 단자 OFF(26)는 12 볼트로 설정된다. 제어 신호(즉, 전류)는, 전압원(32)으로부터 레벨 트랜지스터(18)와 다이오드(24)를 통과할 것이고, 스위치 라인(36)을 통과하여 스위치(14)로 가서, 스위치 트랜지스터들(28 및 40)의 기생 용량들(즉, 게이트들(37 및 41))뿐 아니라 제너 다이오드(42)의 기생 용량들도 "충전"시키기 시작할 것이다. 이러한 것이 발생됨에 따라, OFF 입력 단자(26)를 12 볼트로 설정하는 것은 제어 신호가 전압원(32)으로부터 레벨 트랜지스터들(16, 20. 및 22)을 통해 흐르는 것을 방지한다. 또한, 레벨 트랜지스터(20)의 게이트(21)에서의 전압은 그 임계 전압(예를 들어, Vt = 2.5 볼트)으로 설정된다.
일단 제너 다이오드(42) 전위가 스위치 트랜지스터들(38 및 40)의 임계 전압(예를 들어, Vt = 2.5 볼트)을 초과하면, 스위치 입력 단자 A(44)로부터의 신호는 스위치 트랜지스터들(38 및 40)을 통해 스위치 출력 단자 B(46)로 흐르도록 허용된다(또는 스위치(14)가 쌍방향이므로 그 반대도 성립한다). 따라서, 스위치 트랜지스터들(38 및 40)의 소스들(39 및 43)뿐 아니라 스위치 출력 단자 B(46)도 스위치 입력 단자 A(44)에서의 전위로 상승할 것이다. 소스들(39 및 43)이 스위치 입력 단자 A(44)에서의 전위에 도달할 때, 레벨 트랜지스터(18) 및 다이오드(24)를 통한 전류는 스위치 트랜지스터들(38 및 40)의 게이트들(37 및 41)과 제너 다이오드(42)를 약 12 볼트(예를 들어, 제너 전위)로 충전시킬 것이다. 일단, 게이트들(37 및 41)이 이러한 전압에 도달하면, 레벨 트랜지스터(18)의 드레인-소스 전위는 0 볼트와 같고, 제어 신호는 그곳을 통해 흐르는 것을 중단할 것이다. 따라서, 어떤 전류도 회로(10)내의 어디로도 흐르지 않으며, 그에 의해 전력 소비를 0으로 감소시킨다. 이 시점에서, 스위치(14)는 낮은 임피던스 모드에 있으며 어떤 다른 전류도 이러한 모드를 유지하는데 요구되지 않는다.
그다음에, 포지티브 전압 스위치 신호가 스위치 입력 단자 A(44)에 인가된다면, 소스들(39 및 43)과 게이트들(37 및 41)뿐 아니라 스위치 출력 단자 B(46)도 스위치 입력 단자 A(44)를 뒤따를 것이다. 상세하게는, 스위치 입력 단자 A(44)로부터의 스위치 신호는 스위치 트랜지스터들(38 및 40)을 통해 스위치 출력 단자 B(46)로 흐를 것이다. 또한, 다이오드(24)는 역방향 바이어싱되므로, 스위치 트랜지스터들(39 및 43)의 기생 게이트 용량들은 그들의 전하(즉, 12 볼트)를 유지할 것이어서, 직선성이 유지된다(즉, 스위치(14)는 동적이다). 스위치 입력 단자 A(44)에 인가될 수 있는 최대 포지티브 전압은 다이오드(24)가 유지할 수 있는 최대 전압과 동일하다.
네거티브 전압 스위치 신호가 스위치 입력 단자 A(44)에 인가된다면, 소스들(39 및 43)과 게이트들(37 및 41)뿐 아니라 스위치 출력 단자 B(46)가 유사하게 스위치 입력 단자 A(44)를 뒤따를 것이다. 그러나, 이 경우에, 제어 신호는 전압원(32)으로부터 레벨 트랜지스터(18)와, 다이오드(24)와, 제너 다이오드(42)를 통해 흐를 것이다. 제너 다이오드(42)는 제너 전위(즉, 약 12 볼트)에서 스위치 트랜지스터들(38 및 40)의 게이트-소스 전위를 유지할 것이다. 따라서, 포지티브 전압이 스위치 입력 단자 A(44)에 인가될 때와 유사하게, 스위치 트랜지스터들(38 및 40)의 게이트-소스 전위는 일정하게 유지된다(즉, 이 경우에 12볼트). 그 다음에, 회로(10)내의 임의의 전류는 스위치 단자 A(44) 또는 스위치 단자 B(46)를 통해 흘러나갈 수 있다.
스위치(14)를 높은 임피던스 모드(즉, OFF)에 위치시키기 위해, 입력 단자ON(28)가 12 볼트로 설정되고 입력 단자 OFF(26)가 0 볼트로 설정된다. 그다음에, 제어 신호는 전압원(32)으로부터 레벨 트랜지스터들(16 및 22)을 통해 흐를 것이다. 레벨 트랜지스터(20)의 게이트(21)는 레벨 트랜지스터(22)에 연결되므로, 높은 네거티브 전압이 높은 네거티브 전압원(34)으로부터 스위치(14)로 레벨 트랜지스터 (20)와 스위치 라인(36)을 통해 통과할 것이다. 그러나, 입력 단자 ON(28)이 12 볼트로 설정되므로, 어떤 신호도 그곳을 통해 흐르지 않을 것이다. 레벨 트랜지스터(20)를 통하는 높은 네거티브 전압이 스위치 트랜지스터들(38 및 40)의 기생 게이트 용량들을 방전시킬 것이다. 스위치 트랜지스터들(38 및 40)의 게이트-소스 전위가 스위치 트랜지스터들(38 및 40)의 임계 전압(예를 들어, Vt=2.5 볼트)과 동일할 때, 스위치(14)는 높은 임피던스 모드(즉, OFF)에 있게 된다. 높은 네거티브 전압은 레벨 트랜지스터(20)와 제너 다이오드(42)를 통해 스위치 트랜지스터들(38 및 40)의 기생 용량들을 방전시키는 것을 계속할 것이다. 소스들(39 및 43)과 게이트들(37 및 41)에서의 전위가 약 -250 볼트의 높은 네거티브 전압(Vnn)에 도달할 때, 제어 신호는 레벨 트랜지스터(20)를 통해 흐르는 것을 중단할 것이다. 이러한 모드에서, 스위치(14)는 스위치 단자들 A(44) 및 B(46)에서 신호들을 차단할 수 있다. 이 목적을 위해, 스위치 단자들 A(44) 또는 B(46)에 인가될 수 있는 최대의 포지티브 전압은 전압 스위치 트랜지스터들(38 및 40)이 유지할 수 있는 최대의 드레인-소스에 의존한다. 반대로, 스위치 단자들 A(44) 또는 B(46)에 인가될 수 있는 최대의 전압은 Vnn(-250 볼트)과 동일하다.
스위치(14)가 높은 임피던스 모드에 있고, 수신중에 초음파 응용들에서 통상적인, 약 1 볼트 피크 이하의 전압이 스위치 단자 A(44) 또는 B(46)에 나타나는 경우에, 입력 단자 OFF(26)와 입력 단자 ON(28) 모두는 12볼트로 설정될 수 있다. 이 시점에서, 제어 신호는 레벨 트랜지스터들(16 및 22)을 통해 흐르는 것을 중단할 것이고, 레벨 트랜지스터(20)의 게이트 전위가 내려갈 것이어서, 레벨 트랜지스터 (20)를 높은 임피던스에 위치시킨다. 이제 스위치 트랜지스터들(38 및 40)의 기생 용량들을 방전시킬 어떠한 경로도 없으므로, 그것들은 높은 임피던스 모드에서 유지될 것이다. 또한, 회로내의 어디로도 흐르는 신호(즉, 전류)는 없을 것이므로, 전력 소비는 0으로 감소된다.
상기에 표시된 바와 같이, 비록 스위치 단자들 A(44)와 B(46)가 입력과 출력으로서 각각 서술되었지만, 단자들은 반전될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 상세하게는, 스위치 단자 B(46)는 입력이 될 수 있고, 한편 스위치 단자 A(44)는 출력이 될 수 있다. 또한, 레벨 시프터(12)를 통해 통과된 제어 신호들은 약 12 볼트이다. 그러나, 다른 전압들이 레벨 트랜지스터들(16 및 18)의 크기에 의존하여 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
Ⅲ. 실험 결과들
도 2를 이제 참조하면, 스위치 ON인 시뮬레이션 결과들의 그래프(50)가 도시된다. 특히, 그래프(50)는 전압 대 시간에 의한 과도 응답(transient response)의 두개의 플롯들(plots)(60 및 70)을 도시한다. 플롯(60)은 회로의 스위치 입력 단자에서의 과도 응답을 도시하고, 한편 플롯(70)은 스위치 출력 단자에서의 과도 응답을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 스위치가 ON일 때, 스위치 입력 단자에서의 과도 응답은 스위치 출력 단자에서의 과도 응답과 대략 동일하다. 이것은 스위치 트랜지스터들의 일정한 게이트-소스 전압에 의해 제공되며, 이전의 시스템들에서 부족한 것이었다.
도 3은 스위치 OFF인 시뮬레이션 결과들의 그래프(80)를 도시한다. 상기와 유사하게, 그래프(80)는 전압 대 시간에 의해 회로의 과도 응답을 도시하는 두개의 플롯들(90 및 100)을 포함한다. 플롯(90)은 스위치 입력 단자에서의 과도 응답을 도시하고, 한편 플롯(100)은 스위치 출력 단자에서의 과도 응답을 도시한다. 도시된 바와 같이, 스위치가 OFF일 때, 상기에 서술된 높은 임피던스 모드는 스위치 신호가 입력에서 스위치의 출력 단자로 통과하는 것을 방지한다.
도 4는 스위치가 ON일 때의 오실로스코프 트레이스들(oscilloscope traces)의 그래프(110)를 도시한다. 상기의 그래프들과 유사하게, 그래프(110)는 전압 대 시간에 의해서 두개의 플롯들(120 및 130)을 도시한다. 플롯(120)은 스위치의 입력 단자에서의 전압을 도시하고, 한편 플롯(130)은 스위치의 출력 단자에서의 전압을 도시한다. 본 발명의 회로의 구성(즉, 레벨 시프터와 스위치에 대한 그 제어)으로 인해, 스위치 입력 단자와 스위치 출력 단자에서의 스코프 트레이스는 거의 동일하다.
도 5를 참조하면, 이것은 스위치가 OFF일 때의 경우가 아니라는 것을 알 수 있다. 상세하게는, 도 5는 스위치가 OFF일 때의 오실로스코프 트레이스들의 그래프(140)를 도시한다. 두개의 플롯들(150 및 160)을 관찰할 때, 스위치 출력 단자(160)에서의 전압은 스위치 입력 단자(150)에서의 전압에 비해 상대적으로 평탄하다는 것을 알 수 있으며, 이것은 스위치의 높은 임피던스 모드가 스위치 신호를 차단하는 것을 표시한다. 이것은 스위치가 도 5에 도시된 바와 같이 OFF일 때 바라게 된다.
도 6을 이제 참조하면, 방법(200)의 흐름도가 도시된다. 방법의 제 1 단계(202)는 레벨 시프터의 제 1 입력 단자를 약 0 볼트로 설정하는 것이고, 여기서 제 1 입력 단자는 제 1 레벨 트랜지스터에 연결된다. 제 2 단계(204)는 레벨 시프터의 제 2 입력 단자를 약 12 볼트로 설정하는 것이고, 여기서 제 2 입력 단자는 제 2 레벨 트랜지스터에 연결된다. 방법(200)의 제 3 단계(206)는 제어 신호를 전압원으로부터 쌍방향 스위치로 레벨 시프터의 다이오드와 제 1 레벨 트랜지스터를 통해 통과시키는 것이다. 제 4 단계(208)는 제너 다이오드와 스위치 트랜지스터들을 제어 신호로 충전하는 것이다. 제 5 단계(210)는 제너 다이오드가 스위치 트랜지스터들의 임계 전압을 초과할 때 스위치 입력으로부터 스위치 출력으로 스위치 신호를 통과시키는 것이다. 방법(200)의 제 6 단계(212)는 스위치 트랜지스터들의 게이트 전위가 미리 결정된 전위에 도달할 때 제어 신호를 중단시키는 것이다.
본 발명의 양호한 실시예들의 상기 서술은 예시 및 서술의 목적으로 제시되었다. 이것은 총망라한 것이거나 본 발명을 개시된 상세한 형태로 한정하도록 의도되지 않으며, 명백하게, 많은 수정들 및 변형들이 가능하다. 그 분야에 숙련된 자에게 분명할 수 있는 그와 같은 수정들 및 변형들은 첨부된 청구항들에 정의된 본 발명의 범위내에 포함되는 것으로 의도된다.
Ⅳ. 초음파 검사 장치
초음파 진단 촬상 시스템들은 신체내의 생리 현상을 완전히 비침입적 방식으로 촬상 및 측정할 수 있다. 초음파들은 피부의 표면으로부터 신체로 투과되며 신체내의 조직과 세포들로부터 반사된다. 반사된 에코들은 스캔헤드의 초음파 트랜스듀서에 의해 수신되고, 혈액 흐름의 측정 또는 조직의 영상을 생성하도록 처리된다. 그에의해, 진단은 환자의 신체로의 개재없이 가능하다. 스캔헤드에는 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치가 설치된다. 이러한 스위치는 상기에 서술된 회로에 의해 유리하게 제어된다.
본 발명의 회로는, 초음파 검사 장치의 스캔헤드에서 필요한 것과 같은, 동적이고 고전압인 아날로그 스위치를 제어하는데 가장 적합하다. 초음파 검사 절차중에, 방출 단계(emission phase)는 고전압을 요구하고, 한편 수신 단계는, 매우 민감한 증폭기에 인가될, 에코들의 작은 진동들에 의해 발생되는 매우 낮은 신호들을 다루므로, 제어된 스위치는 방출 단계로부터 수신 단계로 스위칭하는데 필요하다. 본 발명의 회로는 방출 트랜스듀서 소자들의 발동(actuation)으로부터 수신 트랜스듀서 소자들의 발동으로 스위칭하는데 유리하게 이용된다. 본 발명의 회로는 또한 스위치가 도전중에 높은 직선성을 갖도록 각각의 스위치 트랜지스터의 게이트-소스 전압이 일정하게 되는 것을 또한 보장한다. 이것은 신호 왜곡의 최소화를 발생시키고, 신호 왜곡의 최소화는 초음파 장치의 영상 품질을 개선한다. 이러한 회로는 또한, 스캔헤드의 크기를 최소화하기 위해, 전기 부품들에 의해 점유되는 공간을 최소화하는 것을 허용한다. 본 발명의 회로는 또한, 스캔헤드내의 케이블들에 의해 점유되는 공간을 최소화함으로써 스캔헤드의 크기를 더 최소화하는것을 허용한다. 수신 채널들의 수는 트랜스듀서 소자들의 수보다 훨씬 적을 수 있다. 수신 채널들의 수와 동일한 케이블들의 수를 이용함으로써, 케이블들의 수는 최소화된다.
본 발명은 또한, 그와 같은 회로에 의해 제어되는 동적이고 고전압인 아날로그 스위치가 설치된 스캔헤드를 갖는 초음파 검사 장치를 제공한다.

Claims (18)

  1. 스위치를 제어하는 회로로서,
    레벨 시프터(level shifter) － 여기서, 레벨 시프터는,
    스위치 라인에 연결된 제 1 레벨 트랜지스터와,
    상기 제 1 레벨 트랜지스터와 상기 스위치 라인사이에 위치된 다이오드와,
    상기 스위치 라인에 접속된 전류 미러에 연결된 제 2 레벨 트랜지스터를 포함함 － 및,
    상기 스위치 라인에 연결되고, 상기 레벨 시프터에 의해 제어되는 스위치를 포함하는, 스위치 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 레벨 트랜지스터들은 PDMOS 래터럴 고전압 트랜지스터들(PDMOS lateral high voltage transistors)인, 스위치 제어 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 미러는 제 3 및 제 4 레벨 트랜지스터와 제너 다이오드를 포함하고, 상기 제 3 레벨 트랜지스터는 저전압 NDMOS 트랜지스터이고, 상기 제 4 레벨 트랜지스터는 NDMOS 래터럴 고전압 트랜지스터인, 스위치 제어 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는, 제 1 스위치 트랜지스터, 제 2 스위치 트랜지스터, 제너 다이오드, 스위치 입력 단자 및 스위치 출력 단자를 포함하는, 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치인, 스위치 제어 회로.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레벨 시프터는,
    - 상기 제 1 레벨 트랜지스터에 연결된 제 1 입력 단자와,
    - 상기 제 2 레벨 트랜지스터에 연결된 제 2 입력 단자를 더 포함하는, 스위치 제어 회로.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레벨 시프터는,
    - 상기 제 1 및 제 2 레벨 트랜지스터들에 제어 신호를 제공하는 전압원과,
    - 상기 전류 미러와 상기 스위치에 높은 네거티브 전압을 제공하는 높은 네거티브 전압원을 더 포함하는, 스위치 제어 회로.
  7. 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치를 제어하기 위한, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 회로로서,
    레벨 시프터 － 여기서, 레벨 시프터는,
    스위치 라인에 연결된 제 1 레벨 트랜지스터와,
    상기 제 1 레벨 트랜지스터에 연결된 제 1 입력 단자와,
    상기 제 1 레벨 트랜지스터와 상기 스위치 라인사이에 연결된 다이오드와,
    상기 스위치 라인에 접속된 전류 미러에 연결된 제 2 레벨 트랜지스터와,
    상기 제 2 레벨 트랜지스터에 연결된 제 2 입력 단자를 포함함 －; 및
    동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치 － 여기서, 아날로그 스위치는,
    제 1 스위치 트랜지스터와,
    상기 제 1 스위치 트랜지스터에 연결된 스위치 입력 단자와,
    상기 제 1 스위치 트랜지스터에 연결된 제 2 스위치 트랜지스터와,
    상기 제 2 스위치 트랜지스터에 연결된 스위치 출력 단자와,
    상기 제 1 및 제 2 스위치 트랜지스터들 사이에 연결된 제너 다이오드를 포함함 － 를 포함하는, 회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 레벨 트랜지스터들은 PDMOS 래터럴 고전압 트랜지스터들인, 회로.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 스위치 트랜지스터들은 NDMOS 래터럴 고전압 트랜지스터들인, 회로.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 미러는, 제 3 레벨 트랜지스터, 제 4 레벨 트랜지스터 및 제 2 제너 다이오드를 포함하고, 상기 제 3 레벨 트랜지스터는 저전압 NDMOS 트랜지스터이고, 상기 제 4 레벨 트랜지스터는 NDMOS 래터럴 고전압 트랜지스터인, 회로.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레벨 시프터는,
    - 상기 제 1 및 제 2 레벨 트랜지스터들에 제어 신호를 제공하는 전압원과,
    - 상기 전류 미러와 상기 스위치에 높은 네거티브 전압을 제공하는 높은 네거티브 전압원을 더 포함하는, 회로.
  12. 제너 다이오드와 복수의 스위치 트랜지스터들을 갖는 쌍방향 스위치를 레벨 시프터로 제어하는 방법으로서,
    - 제 1 레벨 트랜지스터에 연결된, 상기 레벨 시프터의 제 1 입력 단자를 약 0 볼트로 설정하는 단계와,
    - 제 2 레벨 트랜지스터에 연결된, 상기 레벨 시프터의 제 2 입력 단자를 약 12 볼트로 설정하는 단계와,
    - 제어 신호를 전압원으로부터 상기 쌍방향 스위치로 상기 레벨 시프터의 다이오드와 상기 제 1 레벨 트랜지스터를 통해 통과시키는 단계와,
    - 상기 제너 다이오드와 상기 스위치 트랜지스터들을 상기 제어 신호로 충전시키는 단계와,
    - 상기 제너 다이오드가 상기 스위치 트랜지스터들의 임계 전압을 초과할 때 스위치 입력으로부터 스위치 출력으로 스위치 신호를 통과시키는 단계와,
    - 상기 스위치 트랜지스터들의 게이트 전위가 미리 결정된 전위에 도달할 때 상기 제어 신호를 중단시키는 단계를 포함하는, 쌍방향 스위치 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 스위치 트랜지스터들의 게이트-소스 전압은 일정한, 쌍방향 스위치 제어 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    - 상기 제 1 입력 단자를 약 12 볼트로 설정하는 단계와,
    - 상기 제 2 입력 단자를 약 0 볼트로 설정하는 단계와,
    - 상기 레벨 시프터로부터 상기 스위치로 높은 네거티브 전압을 통과시키는 단계를 더 포함하는, 쌍방향 스위치 제어 방법.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 신호를 통과시키는 상기 단계는 상기 레벨 시프터로부터 상기 스위치 트랜지스터들과 상기 제너 다이오드로 제어 신호를 통과시키는 단계를 포함하는,쌍방향 스위치 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    저전압 스위치 신호가 상기 스위치 입력에 인가될 때, 입력 단자들 모두를 약 12 볼트로 설정하는 단계를 더 포함하는, 쌍방향 스위치 제어 방법.
  17. 신체 조직의 표면으로부터 상기 신체로 초음파들을 투과시키고, 상기 신체내의 조직과 세포들로부터 반사된 에코들을 수신하는 초음파 트랜스듀서를 가진, 초음파 검사 장치용 스캔헤드(scanhead)로서,
    제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 회로에 의해 제어되는, 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치를 포함하는, 초음파 검사 장치용 스캔헤드.
  18. 신체 내의 생리 현상을 촬상 또는 측정하는 초음파 검사 장치로서,
    상기 신체 조직의 표면으로부터 상기 신체로 초음파들을 투과시키고, 상기 신체내의 조직과 세포들로부터 반사된 에코들을 수신하는 초음파 트랜스듀서를 가진 스캔헤드를 포함하고, 상기 신체의 생리 현상에 관련된 측정 또는 상기 조직 및 세포들의 영상들을 생성하도록 상기 스캔헤드의 초음파 트랜스듀서에 의해 수신되는 상기 반사된 에코들을 처리하는 수단을 포함하고, 상기 스캔헤드에는, 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 회로에 의해 제어되는, 동적이고 쌍방향인 고전압 아날로그 스위치가 설치된, 초음파 검사 장치.
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