TW201724748A - 最佳化ｃｍｏｓ類比開關 - Google Patents

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Abstract

本文揭示一種用於使用於一超音波彈性影像(ultrasound elastography)探針中之改良式類比開關。該改良式類比開關相較於先前技術之類比開關造成較少的散熱。

Description

最佳化CMOS類比開關 優先權主張
本專利申請案主張於2015年10月8日申請、且題為「最佳化CMOS類比開關(An Optimized CMOS Analog Switch)」的中國專利申請案第201510644537.6之優先權，該案係以引用方式全文併入本文中。
發明領域
本文揭示一種用於一超音波彈性影像(ultrasound elastography)裝置中之改良式類比開關。該改良式類比開關相較於先前技術之類比開關造成較少的散熱。
超音波成像系統近期的發展包括剪切波(shear wave)彈性影像的使用。圖1描繪先前技術之超音波彈性影像裝置100，其包含轉換器105。轉換器105使用聲輻射力(acoustic radiation force)來引發一「推動」脈波(「push」pulse)150於軟組織110中，此造成剪切波140。軟組織110包含硬性病變120(其可能為腫瘤或其他醫學異常)，其包括或係關注點130的鄰近區域。該組織之硬度係基於所造成 之剪切波行進穿過該組織的速度來運算。當偵測脈波160與一通過之剪切波140互動時，該通過之剪切波140於一特定時間顯露該波之位置，允許計算該剪切波140之速度。此數值係與該關注點區域內之該組織的硬度相關。藉由使用許多近似同步之推動脈波150，以及藉由使用一進階超快速成像技術來追蹤剪切波140，該系統每秒可產生一該組織之硬度(楊氏模數)二維量化圖。
圖2描繪先前技術超音波彈性影像裝置100之某些電氣態樣。超音波彈性影像裝置100包含一例示性高電壓傳輸路徑及一例示性低電壓接收路徑，該例示性高電壓傳輸路徑包含放大器210及二極體對211，該例示性低電壓接收路徑包含耦合至高電壓隔離電路254之放大器250，高電壓隔離電路254包含電阻252及電阻253以及二極體橋251。超音波彈性影像裝置100進一步包含探針選擇繼電器221、探針選擇繼電器222、探針選擇繼電器223、及探針選擇繼電器224、以及探針231、探針232、探針233、及探針234。經顯示，探針231連接至多工器270，多工器270包含類比開關241、類比開關243、類比開關245、及類比開關247，其等各別連接至轉換器242、轉換器244、轉換器246、及轉換器248。應理解，相同的結構組態(多工器270及轉換器242、轉換器244、轉換器246、及轉換器248)亦用於探針232、探針233、及探針234。圖1中的轉換器105係代表轉換器242、轉換器244、轉換器246、及轉換器248。
參照圖1及圖2，聲推動脈波150之振動頻率係在50-500Hz範圍中。為測量剪切波140的速度，各偵測脈波170可持續達300 ms。為偵測一剪切波140，裝置100中的類比開關241、類比開關243、類比開關245、及類比開關247需要驅動高壓轉換器242、高壓轉換器244、高壓轉換器246、及高壓轉換器248(以轉換器105表示)達約300ms。
先前技術類比開關241、先前技術類比開關243、先前技術類比開關245、及先前技術類比開關247各需要兩個並聯工作的高電壓開關，以避免可能損壞電路的過多散熱。然而，並聯連接的兩個開關亦使寄生電容加倍而影響影像品質。
多工器270中幾乎所有先前技術類比開關241、先前技術類比開關243、先前技術類比開關245、及先前技術類比開關247都使用T-開關300，如圖3所示。在超音波成像之應用中，使用T-開關300將導通電阻限制在大約16歐姆，以達到小於15pF寄生電容、高於60dB(未隔離)。
圖3顯示習用T-開關300之結構的簡圖，其用於高電壓多工器270中之類比開關241、類比開關243、類比開關245、及類比開關247。T-開關300包含與NMOS電晶體320串聯的NMOS電晶體310，具有分流NMOS電晶體330以達到60dB之未隔離。NMOS電晶體310、NMOS電晶體320、及NMOS電晶體330各包含一厚的閘極氧化物層，該厚的閘極氧化物層允許正高閘極電壓及負高閘極電壓兩者之擺動，代價是導通電阻會產生過多的熱。一厚的閘極氧化物層一般在5000至10000埃的範圍之間。
該等裝置之高電壓能力進一步惡化導通電阻/寄生電容 的取捨。多種電源電壓之固定閘極偏壓使得正信號的導通電阻遠大於負信號的導通電阻，並引起二次諧波失真。
圖4顯示例示性NMOS電晶體400，其代表NMOS電晶體310、NMOS電晶體320、及NMOS電晶體330。NMOS電晶體400實際上包含NMOS電晶體410及二極體420，其係因為汲極與NMOS電晶體410之本體之結合之故。汲極與閘極兩者皆可在高達200V操作。
NMOS電晶體400之汲極/本體二極體結構使該高電壓裝置基本上係一整流器，即使其經斷開。因此，NMOS電晶體410之本體需經拉下至最負電壓，例如，在斷開狀態下之-100V(VNN)，就如圖4所示。分流NMOS電晶體330端接至-100V。該第二串聯裝置(例如NMOS電晶體320)將該轉換器自該-100V端接隔離。若該轉換器可端接至-100V，此裝置並非必需，但壓電式轉換器的情況通常並非如此。
當處在高電場時，壓電裝置展現非線性行為。此強烈非線性材料行為係藉由於次晶體層級之局部極化切換(即，極化方向的改變)所引發。一旦該壓電材料以非線性模式操作，該材料可能已經損壞。因此，以一高電壓端接一壓電轉換器對該壓電材料係破壞性的。此行為顯示於圖5中的圖表500及圖表510。圖表500及圖表510顯示壓電材料回應於電場之改變之極化之改變。
該申請人先前發明之一種改良式T-開關顯示於圖6。T-開關600包含蝶形電晶體對615(包含NMOS電晶體610及NMOS電晶體620)、其與蝶形電晶體對635(包含NMOS電晶體630及NMOS電晶體640)串聯、及分流蝶形電晶體對655(包含NMOS電晶體650及NMOS 電晶體660)，如所示。NMOS電晶體610、NMOS電晶體620、NMOS電晶體630、NMOS電晶體640、NMOS電晶體650、及NMOS電晶體660各包含一薄的閘極氧化物層。一薄的閘極氧化物層一般在100埃至200埃的範圍之間。比起T-開關300，T-開關600使用一較低的閘極電壓且具有一較高的互導。蝶形電晶體對615及蝶形電晶體對635一起，可在導通電阻/電容比率與一單一200V汲極、200V閘極電晶體相比擬。然而，T-開關600會經歷實質的散熱。
所需要的是一種改良式類比開關，其造成比先前技術T-開關300及T-開關600更少的散熱。
較佳的實施例係一種高電壓CMOS開關電路拓樸，其將導通電阻減少至4至8歐姆，其相較於先前技術改善了2至4倍，而不增加寄生電容。該電路拓樸可直接實施，且適於建造(例如)一4：1超音波多工器(例如多工器270)，該超音波多工器可處理±100V之類比信號。此電路之電源供應係±6V且控制輸入係0與+5V之電壓位準，相容於標準CMOS電路。該電路在驅動超音波彈性影像探針之高電壓轉換器中特別實用。
100‧‧‧超音波彈性影像裝置
105、242、244、246、248‧‧‧轉換器
110‧‧‧軟組織
120‧‧‧硬性病變
130‧‧‧關注點
140‧‧‧剪切波
150‧‧‧推動脈波
160、170‧‧‧偵測脈波
210‧‧‧放大器
211‧‧‧二極體對
221、222、223、224‧‧‧探針選擇繼電器
231、232、233、234‧‧‧探針
241、243、245、247、700‧‧‧類比開關
250‧‧‧放大器
251‧‧‧二極體橋
252、253‧‧‧電阻
254‧‧‧高電壓隔離電路
270‧‧‧多工器
300、600‧‧‧T-開關
310、320、330、400、410、610、620、630、640、650、660、710、720、730、740‧‧‧NMOS電晶體
420‧‧‧二極體
500、510‧‧‧圖表
615、635、705‧‧‧蝶形電晶體對
655、725‧‧‧分流蝶形電晶體對
圖1描繪一先前技術之超音波彈性影像探針。
圖2描繪該先前技術之超音波彈性影像探針之電氣態樣。
圖3描繪一先前技術之類比T-開關。
圖4描繪圖3之用於先前技術之類比T-開關中電晶體的結構。
圖5描繪先前技術之壓電轉換器之某些物理特性。
圖6描繪另一先前技術之類比T-開關。
圖7描繪一改良式類比開關之實施例。
圖7描繪本發明之實施例。類比開關700係T-開關600之修改版，其中該等串聯蝶形電晶體對之一者已經移除。類比開關700包含蝶形電晶體對705(包含NMOS電晶體710及NMOS電晶體720)及分流蝶形電晶體對725(包含NMOS電晶體730及NMOS電晶體740)，類比開關700執行一分流功能。NMOS電晶體710、NMOS電晶體720、NMOS電晶體730、及、NMOS電晶體740各包含一薄的閘極氧化物層。一薄的閘極氧化物層一般在100至200埃的範圍之間。在此組態中，蝶形電晶體對705可被視為一導電構件，以將一高壓電源連接至一收發器，而分流蝶形電晶體對725可被視為一分流構件，以將電流從該導電構件之一終端分流至接地。
類比開關700的導通電阻大約係先前技術之T-開關600之導通電阻的一半，而類比開關700的寄生電容相較於先前技術之T-開關600之寄生電容亦大幅減少。
類比開關700的拓樸不受先前技術之T-開關300之壓電材料的非線性問題影響，因為蝶形電晶體對725允許端接至接地，而非如先前技術T-開關300中至-100V。
下列相較於先前技術之T-開關300及先前技術之T-開關600之改良係以類比開關700達成：
(1)可傳送大於±100V的電壓，但僅使用大約±6V的電力供應。
(2)輸入與標準5V CMOS電路相容。
(3)多至峰至峰200V的類比信號能力，其峰值類比信號電流>3A。
(4)信號獨立導通電阻低於8歐姆。
(5)寄生電容減少至10pF。
(6)無未隔離之疑慮，因為未經選取轉換器已終止(terminated)。
總而言之，提出一種使用100V薄閘極氧化物NMOS電晶體之高電壓類比開關700。其係藉由自一先前技術之T-開關600移除一串聯裝置並將未經選取轉換器直接分流至接地修改而來。使用此拓樸之電路在超音波成像、剪切波彈性影像、及甚至高強度焦點超音波中具有廣泛的可能應用，其中需要高功率超音波傳輸。舉例而言，類比開關700適合用於一4：1超音波多工器中，例如超音波彈性影像裝置100中之多工器270。
雖然本發明已連同實施例並參照附圖完整說明，應注意多種改變及修改對所屬技術領域中具有通常知識者將為顯而易見。此類改變及修改應理解為包括在本發明之範疇內，如隨附之申請專利範圍所界定。
100‧‧‧超音波彈性影像裝置
105‧‧‧轉換器
110‧‧‧軟組織
120‧‧‧硬性病變
130‧‧‧關注點
140‧‧‧剪切波
150‧‧‧推動脈波
160‧‧‧偵測脈波

Claims (12)

  1. 一種類比開關，其包含：一第一蝶形電路，其包含一第一薄閘極氧化物NMOS電晶體，其與一第二薄閘極氧化物NMOS電晶體串聯，該第一蝶形電路包含一第一終端及一第二終端，該第二終端耦合至一高電壓電源；一第二蝶形電路，其包含一第三薄閘極氧化物NMOS電晶體，其與一第四薄閘極氧化物NMOS電晶體串聯，該第二蝶形電路包含一第三終端及一第四終端，該第三終端耦合至該第二終端，該第四終端耦合至接地。
  2. 如請求項1之開關，其中該開關之導通電阻小於8歐姆。
  3. 如請求項1之開關，其中該開關之寄生電容小於10微微法拉。
  4. 如請求項1之開關，其中該高電壓電源包含大於200伏特之一峰至峰振幅。
  5. 如請求項1之開關，其中該第一蝶形電路需要在介於-6伏特與+6伏特之間之一範圍中之電源供應電壓。
  6. 如請求項5之開關，其中該第二蝶形電路需要在介於-6伏特與+6伏特之間之一範圍中之電源供應電壓。
  7. 一種類比開關，其包含：一導電構件，用於將一高電壓電源連接至一收發器；以及一分流構件，用於將電流從該導電構件之一終端分流至接地。
  8. 如請求項7之開關，其中該開關之導通電阻小於8歐姆。
  9. 如請求項7之開關，其中該開關之寄生電容小於10微微法拉。
  10. 如請求項7之開關，其中該高電壓電源包含大於200伏特之一峰至峰振幅。
  11. 如請求項7之開關，其中該導電構件需要在介於-6伏特與+6伏特之間之一範圍中之電源供應電壓。
  12. 如請求項11之開關，其中該分流構件需要在介於-6伏特與+6伏特之間之一範圍中之電源供應電壓。
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