TW201906312A - 用於超音波裝置之多級跨阻抗放大器 - Google Patents

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Abstract

一種包括一多級跨阻抗放大器(TIA)之超音波電路係被描述。該TIA係耦接至一超音波換能器，以放大藉由該超音波換能器響應於接收一超音波信號所產生的一電性信號。該TIA可包含多個級，其中的至少兩個級係運作在不同的供應電壓下。接在該TIA之後的可以是進一步的處理電路，其係被配置以濾波、放大、以及數位化藉由該TIA所產生的信號。

Description

用於超音波裝置之多級跨阻抗放大器
本申請案係有關於具有一用於放大接收到的超音波信號的放大器之超音波裝置。
相關申請案之交互參照
此申請案係根據第35號美國法典第119條(e)項主張2017年6月20日申請、代理人文件編號B1348.70046US00並且名稱為"用於超音波裝置之多級跨阻抗放大器(TIA)"的美國臨時申請案序號62/522,597的益處，該美國臨時申請案茲在此以其整體納入作為參考。
超音波探針通常包含一或多個超音波感測器，其係感測超音波信號並且產生對應的電性信號。該些電性信號係在類比或數位領域中加以處理。有時，超音波影像係從該些經處理的電性信號來加以產生的。
根據本申請案的一特點，一種超音波設備係被提出，其係包括一超音波感測器、以及一多級跨阻抗放大器(TIA)，其係耦接至該超音波感測器並且被配置以接收及放大來自該超音波感測器的一輸出信號。該多級TIA可包含操作在不同的供應電壓下的級，此可以降低在至少某些情況中的功率消耗。
根據本申請案的一特點，一種超音波設備係被提出，其係包括一超音波換能器、以及一多級跨阻抗放大器(TIA)，該多級TIA係具有一耦接至該超音波換能器的輸入端子。該多級TIA係被配置以接收及放大來自該超音波換能器的一類比電性信號。該多級TIA係包括一被配置以接收一第一供應電壓的第一級、以及一被配置以接收一不同於該第一供應電壓的第二供應電壓的第二級。
根據本申請案的一特點，一種在一晶片上的超音波之裝置係被提出，其係包括一基板、複數個被整合在該基板上的超音波換能器、以及類比處理電路，該類比處理電路係被整合在該基板上並且耦接至該複數個超音波換能器。該類比處理電路係包括一多級跨阻抗放大器，其係耦接至該複數個超音波換能器中的一超音波換能器。該多級TIA係包括多個被配置以接收不同的供應電壓的級。
根據本申請案的一特點，一種操作一超音波電路之方法係被提出，其係包括利用一多級跨阻抗放大器的一第一級來接收及放大藉由一超音波換能器所輸出的一電性信號，該多級TIA的該第一級係操作在一第一供應電壓值，並且利用該多級TIA的一操作在一不同於該第一供應電壓值的第二供應電壓值的第二級來放大該第一級的一輸出信號。
本申請案的特點係有關用於一超音波裝置的放大電路。一超音波裝置可包含一或多個超音波換能器，其係被配置以接收超音波信號並且產生電性輸出信號。因此，該些超音波換能器可以操作為超音波感測器。該超音波裝置可包含一或多個用於放大該些電性輸出信號的放大器。在某些實施例中，該(些)放大器可以是多級放大器，其係具有運作在不同的供應電壓位準下的級。以此種方式，一較低的供應電壓位準可被使用於該些級中的至少一個，因此使得較低的功率操作變得容易。在某些實施例中，該多級放大器的第一級可以運作在一低於一後續的級的供應電壓下。該後續的級可以提供該放大器的一所要的輸出增益。
根據本申請案的一特點，一種操作一超音波電路之方法係被提出，其係包括利用一超音波換能器來產生一電性信號、以及利用一多級TIA來放大該電性信號。該多級TIA可包含一第一級，其係被配置以運作在一低於一後續的級的供應電壓位準下，並且因此可以提供電力的節省。
上述的特點及實施例、以及額外的特點及實施例係在以下進一步加以描述。這些特點及/或實施例可以個別地、全部一起、或是用兩個或多個的任意組合來加以利用，因為本申請案在此方面並未受到限制。
圖1係描繪根據本申請案之一非限制性的實施例的一用於處理接收到的超音波信號的電路。該電路100係包含N個超音波換能器102a…102n，其中N是一整數。該些超音波換能器在某些實施例中是感測器，其係產生代表接收到的超音波信號的電性信號。該些超音波換能器在某些實施例中亦可以發送超音波信號。該些超音波換能器在某些實施例中可以是電容式微加工超音波換能器(CMUT)。該些超音波換能器在某些實施例中可以是壓電式微加工超音波換能器(PMUT)。替代的類型的超音波換能器在其它實施例中亦可被利用。
該電路100進一步包括N個電路通道104a…104n。該些電路通道可以對應於一個別的超音波換能器102a…102n。例如，可以有八個超音波換能器102a…102n以及八個對應的電路通道104a…104n。在某些實施例中，超音波換能器102a…102n的數量可以是大於電路通道的數量。
該些電路通道104a…104n可包含發送電路、接收電路、或是兩者。該發送電路可包含耦接至個別的脈衝產生器108a…108n的發送解碼器106a…106n。該些脈衝產生器108a…108n可以控制該個別的超音波換能器102a…102n來發射超音波信號。
該些電路通道104a…104n的接收電路可以接收從個別的超音波換能器102a…102n輸出的(類比)電性信號。在該舉例說明的例子中，每一個電路通道104a…104n係包含一個別的接收電路110a…110n以及一放大器112a…112n。該接收電路110a…110n可被控制以啟動/停止一電性信號從一給定的超音波換能器102a…102n的讀出。適當的接收電路110a…110n的一個例子是開關。換言之，在一實施例中，該些接收電路是可控制的開關，其係在發送模式期間被切換以從該接收電路斷開連接該些超音波換能器，並且在接收模式期間將該些超音波換能器連接至該接收電路。開關的替代方案亦可被採用以執行相同的功能。
該些放大器112a…112n在某些實施例中可以是多級TIA，其係輸出被放大的類比信號。如同將會進一步在以下描述的，在某些實施例中是一或多個的(並且在某些實施例中是所有的)放大器112a-112n可包含一第一級，該第一級係操作在一低於一後續的級的供應電壓位準下。相較於替代的放大器設計的使用，具有多個供應電壓的多級TIA的使用可以使得該電路100的低功率操作變得容易。
該電路100進一步包括一平均電路114，其在此亦被稱為一加總器或是一加總放大器。在某些實施例中，該平均電路114是一緩衝器或一放大器。該平均電路114可以接收來自該些放大器112a…112n中的一或多個的輸出信號，並且可以提供一平均的輸出信號。該平均的輸出信號可以部分是藉由相加或是相減來自該各種的放大器112a…112n的信號來加以形成。該平均電路114可包含一可變的回授電阻。該可變的回授電阻的值可以根據該平均電路接收信號所來自的放大器112a…112n的數量來動態地加以調整。在某些實施例中，該可變電阻可包含N個電阻設定。換言之，該可變電阻可以具有對應於電路通道104a…104n的數量之數量的電阻設定。因此，該平均輸出信號亦可以部分藉由所選的電阻至在該平均電路114的輸入處所接收到的組合的信號的施加來加以形成。
該平均電路114係耦接至一自動歸零的區塊116，在此亦被稱為一"DC區塊"。該自動歸零的區塊116可以過濾由該平均電路114所提供的平均的信號，並且因此在至少某些實施例中可被視為一濾波器。
該自動歸零的區塊116係耦接至一可程式化的增益放大器118，其係包含一衰減器120以及一固定增益放大器122。該可程式化的增益放大器118可以執行時間增益補償(TGC)，並且因此可以替代地被稱為一TGC級或是電路。在執行TGC中，該可程式化的增益放大器118可以增加在一超音波信號藉由一超音波換能器的接收期間所提供的放大，因此補償該信號隨著時間過去而發生的自然的衰減。
該可程式化的增益放大器118係經由ADC驅動器124而耦接至一ADC 126。在該舉例說明的例子中，該些ADC驅動器124係包含一第一ADC驅動器125a以及一第二ADC驅動器125b。該ADC 126係數位化來自該平均電路114的信號。
儘管圖1是描繪一些構件為一超音波裝置的一電路的部分，但應該體認到的是在此所述的各種特點並不限於所描繪的確切的構件或是構件的配置。例如，本申請案的特點係有關於該些放大器112a…112n，因而在電路100中被描繪為在那些放大器的下游的構件在某些實施例中是選配的。
圖1的構件可以是位在單一基板上、或是在不同的基板上。例如，如同所繪的，該些超音波換能器102a…102n可以是在一第一基板128a上，並且其餘所描繪的構件可以是在一第二基板128b上。該第一及/或第二基板可以是半導體基板，例如是矽基板。在一替代實施例中，圖1的構件可以是在單一基板上。例如，該些超音波換能器102a…102n以及所舉例說明的電路可以是單石地整合在相同的晶粒(例如，一半導體晶粒，例如是矽)上。此種整合可以藉由利用CMUT為該些超音波換能器而變得容易。
根據一實施例，圖1的構件係構成一超音波探針的部分。該超音波探針可以是手持式的。在某些實施例中，圖1的構件係構成一被配置以被病患戴上的超音波貼片的部分、或是一將被病患吞入的超音波藥丸的部分。
如先前所述，本申請案的特點係提出一種用於一超音波裝置的多級TIA，其中該多級TIA的至少兩個級係運作在不同的供應電壓下。本發明人已經體認到一多級TIA的級可能會不同地影響雜訊效能、線性、以及增益。例如，電性最接近該超音波換能器的第一級可能會主宰該TIA的雜訊效能，而該TIA的接續的(或是"後續的"或"下游的")級可能會在線性上具有一較大的影響。再者，利用該第一級可達成的雜訊的縮減可以是至少部分依據用在該第一級的電流量而定，其中較大的電流係產生較大的雜訊降低。然而，由於較大的電流消耗亦對應於較大的功率消耗，因此本發明人已經體認到將一多級TIA的該第一級操作在一較低的供應電壓下可能是所期望的，以降低該級的功率消耗。同時，在該TIA的線性上具有一較大的影響的該TIA的之後的級可被操作在一較高的供應電壓位準下。相較於一其中該多級TIA的所有的級都運作在相同的供應電壓位準下的情節，藉由對於該多級TIA利用不同的供應電壓位準，功率消耗可被降低。閉迴路增益可以主要是藉由該回授電阻控制的，只要該TIA的開迴路增益頻寬(單位增益頻寬)是充分足夠的即可。
圖2是描繪根據本申請案之一非限制性的實施例的一種具有運作在不同的供應電壓位準的級之多級TIA的一非限制性的例子。該舉例說明的TIA可以代表圖1的TIA 112a…112n的一非限制實施方式。
如圖所示，在此非限制性的例子中的多級TIA 200係包含一第一級202以及一第二級204。該第一級202可以具有一輸入端子206，其係被配置以接收一超音波換能器的一輸出信號。例如，該輸入端子206可以直接耦接至一超音波換能器、或是透過一或多個額外的構件(例如一接收開關)來耦接的。
該第一級202的輸出可以耦接至該第二級204的輸入，並且該TIA 200的一輸出信號可以在該第二級204的輸出端子208加以提供。
圖2的多級TIA 200可以進一步包括一回授阻抗210。該回授阻抗在某些實施例中可以藉由一電阻器、電容器、或是阻抗元件的組合來加以形成。該回授阻抗可以具有任何適當的值，以提供該TIA的一目標增益。
如圖所示，該第一級202以及第二級204可以具有個別的供應電壓Vdd1及Vdd2。該些供應電壓Vdd1及Vdd2可以是不同的，其中在至少某些實施例中，Vdd2係大於Vdd1。如上所述，該TIA的該第一級(亦即，級202)在該TIA的雜訊效能上可以具有一比該第二級204更大的影響，而該第二級204在該TIA的線性上可以具有一更大的影響。因此，將該第一級202操作在一較低的供應電壓Vdd1下可以不會負面地影響該TIA的線性，但是對於一給定的雜訊效能位準而言，可以容許該第一級202以及因此該TIA 200能夠消耗較低的功率。
如同從圖2應該體認到的，本申請案的特點係提出一種用於一超音波裝置的多級TIA，其中該多級TIA的一上游級係操作在一比該多級TIA的一下游級更低的供應電壓下。本申請案的特點係提出一種用於一超音波裝置的多級TIA，其中該多級TIA的該第一級係操作在一比該多級TIA的一後續的級(例如，最後一級)更低的供應電壓下。
圖3是描繪圖2的多級TIA 200的一實施方式的一非限制性的例子。圖3的多級TIA 300係包括一輸入端子302、一包括一電流源I1及一電晶體304的第一級、一包括一放大器306(例如，一運算放大器)及電容器C1及C2的第二級、以及一回授電阻器308。
如圖所示，該多級TIA 300的該第一級可以接收一第一供應電壓Vdd1，而該第二級可以接收一第二供應電壓Vdd2。在至少某些實施例中，Vdd1可以是小於Vdd2，並且在某些實施例中是遠小於Vdd2。例如，Vdd1可以是小於Vdd2的值的四分之三、小於Vdd2的一半、小於Vdd2的四分之一、介於Vdd2的25%到90%之間、或是任何其它適當的值。
該多級TIA 300的第二級可以是在控制該TIA的線性中的主控因數。在至少某些實施例中，對於該TIA而言，提供一高度線性可能是所期望的。該電壓Vdd2可被選擇以至少部分提供一所要的程度的線性。
至此已經敘述此申請案的技術的數個特點及實施例，所體認到的是各種的改變、修改、以及改良都將會被該項技術中具有通常技能者輕易地思及。此種改變、修改、以及改良係欲在本申請案中所述技術的精神及範疇之內。因此，將理解到的是先前的實施例只是藉由舉例來加以提出而已，並且在所附的申請專利範圍及其等同者的範疇之內，本發明的實施例可以與明確所述者不同地加以實施。
如先前所述，某些特點可以被體現為一或多種方法。被執行作為該(些)方法的部分的動作可以用任何適當的方式來加以排序。於是，其中動作係以一不同於所描繪的順序來加以執行的實施例可加以建構，其可包含同時執行某些動作，即使該些動作在舉例說明的實施例中是被展示為依序的動作。
如同在此所界定及使用的所有定義都應該被理解為優於字典的定義、在被納入作為參考的文件中的定義、及/或所定義的術語之普通的意義。
如同在此的說明書中以及在申請專利範圍中所用的措辭"及/或"應該被理解為表示該些因此聯合的元件的"任一或是兩者"，亦即元件在某些情形中是結合地存在，而在其它情形中則是分離地存在。
如同在此的說明書中以及在申請專利範圍中所用的，關於一或多個元件的一表列的措辭"至少一個"應該被理解為表示至少一選自該表列的元件中的任一個或多個元件之元件，但是不一定包含明確地被表列在該表列的元件內的每一個元件的至少一個，而且並不排除在該表列的元件中之元件的任意組合。
如同在此所用的，除非另有指出，否則用在一數字的背景的術語"介於…之間"係為含括性的。例如，除非另有指出，否則"介於A與B之間"係包含A及B。
在該申請專利範圍中、以及在以上的說明書中，例如是"包括"、"包含"、"載有"、"具有"、"內含"、"涉及"、"保有"、"由…所構成"與類似者的所有連接的措辭欲被理解為開放式的，亦即表示包含但不限於。只有該些連接的措辭"由…所組成"以及"實質由…所組成"分別應該是封閉式或半封閉式的連接的措辭。
100‧‧‧電路
102a…102n‧‧‧超音波換能器
104a…104n‧‧‧電路通道
106a…106n‧‧‧發送解碼器
108a…108n‧‧‧脈衝產生器
110a…110n‧‧‧接收電路
112a…112n‧‧‧放大器
114‧‧‧平均電路
116‧‧‧自動歸零的區塊
118‧‧‧可程式化的增益放大器
120‧‧‧衰減器
122‧‧‧固定增益放大器
124‧‧‧ADC驅動器
125a‧‧‧第一ADC驅動器
125b‧‧‧第二ADC驅動器
126‧‧‧ADC
128a‧‧‧第一基板
128b‧‧‧第二基板
200‧‧‧多級TIA
202‧‧‧第一級
204‧‧‧第二級
206‧‧‧輸入端子
208‧‧‧輸出端子
210‧‧‧回授阻抗
300‧‧‧多級TIA
302‧‧‧輸入端子
304‧‧‧電晶體
306‧‧‧放大器
308‧‧‧回授電阻器
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧電容器
I1‧‧‧電流源
本申請案的各種特點及實施例將會參考以下的圖來加以描述。應該體認到的是，該些圖並不一定按照比例繪製。出現在多個圖中的項目係在它們出現的所有圖中都藉由相同的元件符號來加以指示。 圖1是根據本申請案之一非限制性的實施例的一超音波裝置的方塊圖，其係包含一用於放大一超音波信號的放大器。 圖2是描繪根據本申請案之一非限制性的實施例的圖1的放大器的一方塊圖表示，其係描繪兩個具有不同的供應電壓的級。 圖3是描繪根據本申請案之一非限制性的實施例的圖2的多級放大器的一非限制性的範例實施方式。

Claims (15)

  1. 一種超音波設備，其係包括： 一超音波換能器；以及 一多級跨阻抗放大器(TIA)，其係具有一耦接至該超音波換能器的輸入端子，並且被配置以接收及放大來自該超音波換能器的一類比電性信號，該多級TIA係包括一被配置以接收一第一供應電壓的第一級、以及一被配置以接收一不同於該第一供應電壓的第二供應電壓的第二級。
  2. 如請求項1所述之超音波設備，其中該第二供應電壓係大於該第一供應電壓。
  3. 如請求項1所述之超音波設備，其中該超音波換能器以及該多級TIA係被整合在一相同的基板上。
  4. 如請求項1所述之超音波設備，其進一步包括一耦接該多級TIA與該超音波換能器的開關。
  5. 如請求項1所述之超音波設備，其進一步包括一耦接該第二級與該第一級的回授阻抗。
  6. 一種在晶片上的超音波之裝置，其係包括： 一基板； 複數個超音波換能器，其係被整合在該基板上；以及 類比處理電路，其係被整合在該基板上並且耦接至該複數個超音波換能器，該類比處理電路係包括一耦接至該複數個超音波換能器中的一超音波換能器的多級跨阻抗放大器，該多級TIA係包括多個被配置以接收不同的供應電壓的級。
  7. 如請求項6所述之晶片上的超音波之裝置，其中該多級TIA的該多個級係包含一上游級以及一下游級，該上游級係被配置以運作在一比該下游級更低的供應電壓下。
  8. 如請求項6所述之晶片上的超音波之裝置，其中該多級TIA的該多個級係包含一第一級以及一最後一級，該最後一級係耦接至一比該第一級更大的供應電壓。
  9. 如請求項6所述之晶片上的超音波之裝置，其進一步包括耦接至該多級TIA的濾波以及時間增益補償的電路。
  10. 如請求項6所述之晶片上的超音波之裝置，其進一步包括一平均電路，其係具有一耦接至該晶片上的超音波裝置的多個TIA的輸出的輸入。
  11. 一種操作超音波電路之方法，其係包括： 利用一多級跨阻抗放大器的一第一級來接收及放大藉由一超音波換能器所輸出的一電性信號，該多級TIA的該第一級係操作在一第一供應電壓值；以及 利用該多級TIA的一操作在一不同於該第一供應電壓值的第二供應電壓值的第二級來放大該第一級的一輸出信號。
  12. 如請求項11所述之方法，其中該第二供應電壓係大於該第一供應電壓。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該第一供應電壓係小於該第二供應電壓的一半。
  14. 如請求項11所述之方法，其進一步包括從該第二級提供一回授信號至該第一級。
  15. 如請求項11所述之方法，其進一步濾波以及時間增益補償該多級TIA的一輸出信號。
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