WO2017124440A1 - 超声成像的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种超声成像的装置，该装置包括第一芯片(202)和第二芯片(206)，第一芯片(202)接收超声信号并生成表示超声信号的数字信号，该超声信号是模拟信号；第二芯片(206)处理来自第一芯片(202)的数字信号用于超声成像。该装置能够减少超声成像装置的功耗。还公开了相应的超声成像的方法。

Description

超声成像的装置和方法 技术领域
本公开的实施例总体涉及数字成像技术，并且更具体而言，涉及用于超声成像的方法和设备。
背景技术
频率在2万赫兹以上的机械振动波称为超声波(ultrasonic wave)，简称超声(ultrasound)。超声成像例如是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。医用高频超声波由超声诊断仪上的压电换能器产生，这种换能器又称为探头，能将电能转换为超声能，从而发射超声波。同时，它也能接受返回的超声波并把它转换成电信号。该电信号经过处理后被用于超声成像。超声诊断设备不似CT或MRI设备那样昂贵，可获得器官的任意断面图像，还可观察运动器官的活动情况、成像快、诊断及时、无痛苦与危险、属于非损伤性检查。因此，这种设备在临床上应用已普及，是医学影像学中的重要组成部分。
现有的超声成像设备存在一些制约因素限制超声成像的应用领域的拓宽。例如，现有的超声成像设备体积和重量相对较大，功耗较高，不利于便携使用。
发明内容
总体而言，本公开的示例实施例提供用于超声成像的装置和方法。
根据本公开的第一方面，提供一种用于超声成像的装置，包括：第一芯片，可操作为：接收超声信号，所述超声信号是模拟信号；以及生成表示所述超声信号的数字信号；以及第二芯片，可操作为处理来自所述第一芯片的所述数字信号以用于超声成像。
在一些实施例中，所述第一芯片被堆叠在所述第二芯片上以形成三维堆叠芯片封装。
在一些实施例中，所述第二芯片包括使用专用集成电路工艺制作的数字信号处理器。
在一些实施例中，所述第一芯片包括多个信号通道，每个所述信号通道包括：低噪声放大器，可操作为通过放大所述超声信号生成第一放大信号；可变增益放大器，可操作为通过放大所述第一放大信号生成第二放大信号；以及模数转换器，可操作为将所述第二放大信号转换成所述数字信号。
在一些实施例中，所述低噪声放大器包括差分电流复用低噪声放大电路，所述差分电流复用低噪声放大电路包括：第一支路，包括串联的P型金属氧化物半导体晶体管和N型金属氧化物半导体晶体管；第二支路，包括串联的P型金属氧化物半导体晶体管和N型金属氧化物半导体晶体管；以及其中所述P型金属氧化物半导体晶体管和所述N型金属氧化物半导体晶体管的栅极均与输入电容器耦合以接收差分输入信号，以及所述P型金属氧化物半导体晶体管和所述N型金属氧化物半导体晶体管的漏极输出所述第一放大信号。
在一些实施例中，所述模数转换器包括：第一级转换器，可操作为根据所述第二放大信号生成经转换的第一数字信号和经放大的第一余量模拟信号；基于压控振荡器的第二级模数转换器，可操作为根据所述第一余量模拟信号生成第二数字信号；以及数字校准电路，可操作为根据所述第一数字信号和所述第二数字信号生成经校准的所述数字信号。
在一些实施例中，所述第一级转换器包括：闪烁型模数转换器，可操作为根据所述第二放大信号和第一参考信号生成所述第一数字信号；数模转换器，可操作为根据所述第一数字信号和所述第一参考信号生成第一模拟信号；加减法器，可操作为根据所述第二放大信号和所述第一模拟信号生成余量信号；以及余量放大器，可操作为根据所述余量信号生成所述第一余量模拟信号。
在一些实施例中，所述余量放大器包括基于电荷泵的电压倍增电路，所述电压倍增电路可操作为：在第一阶段期间存储成对的所述余量信号；以及在第二阶段期间将所述成对的所述余量信号组合地输出为所述第一余量模拟信号。
在一些实施例中，所述第二级模数转换器包括：采样保持电路，可操作为对所述第一余量模拟信号进行采样和保持以生成采样电压信号；电压到电流转换电路，可操作为将所述采样电压信号转换为采样电流信号；流控振荡器，可操作为根据所述采样电流信号生成振荡信号；双向计数器，可操作为根据所述振荡信号进行计数；以及加减法器，可操作为根据来自所述双向计数器的计数结果计算所述数字信号。
根据本公开的第二方面，提供一种便携式超声波检测设备，包括：超声波换能器，可操作为通过检测生成超声信号；根据上述项所述的装置，可操作为根据所述超声信号生成用于超声成像的数字信号；以及显示装置，可操作为根据所述数字信号进行成像。
根据本公开的第三方面，提供一种用于超声成像的方法，包括：利用第一芯片接收超声信号，所述超声信号是模拟信号；利用所述第一芯片生成表示所述超声信号的数字信号；利用不同于所述第一芯片的第二芯片处理来自所述第一芯片所述数字数字信号以用于超声成像。
根据本公开的第四方面，提供一种用于便携式超声波检测设备的成像方法，包括：利用超声波换能器生成超声信号；利用根据上述项所述的装置以根据所述超声信号生成用于超声成像的数字信号；以及根据所述数字信号进行成像。
根据本公开的第五方面，提供一种用于生产超声成像装置的方法，包括：提供根据上述项所述的装置中包含的部件。
可以理解，本部分并不旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，亦非旨在用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
通过在所附附图中的本公开的一些实施例的更为详细的描述，本公开的以上和其它的优势、特征和目标将变得更为明显，其中：
图1是其中可以实施本公开的一些实施例的环境的简化框图；
图2是示出了根据本公开的一个实施例的用于超声成像的装置的芯片堆叠的立体图；
图3是示出了根据本公开的一个实施例的用于超声成像的装置的框图；
图4是示出了图3中的低噪声放大器的一个示例的电路图；
图5是示出了图3中的模数转换器的一个示例的框图；
图6是示出了图5中的模数转换器的一个示例的详细框图；
图7是示出了图6中所示的余量放大器的一个示例的电路图；
图8是示出了图6中所示的第二级模数转换器的一个示例的框图；以及
图9是示出了根据本公开的一些实施例的方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考一些示例实施例描述本公开的原理。可以理解，这些实施例仅出于说明并且帮助本领域的技术人员理解和实施例本公开的目的而描述，而非建议对本公开的范围的任何限制。在此描述的本公开的内容可以以下文描述的方式之外的各种方式实施。
如本文中所述，术语“包括”及其各种变体可以被理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”。术语“基于”可以被理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”可以被理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”可以被理解为“至少一个其它实施例”。术语“逻辑”指代诸如用于是时候某些功能的电路装置之类的模块。此外，在本公开的文中，术语“信号流”和“数据流”可以出于方便讨论的目的而交换使用。在下文中包括其它的明显和 暗示的定义。
现有的超声成像设备中的超声信号采集处理装置是超声成像系统中的重要组成部分。超声信号采集处理装置包含多个信号接收通道，超声信号依次通过每个接收通道中的换能器、低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、模拟-数字转换器(ADC)、数字波束成形器、数字信号处理(DSP)等电路，输出给显示处理器来实现成像。典型的超声成像系统通常包含32至256个信号接收通道。由于接收通道的数量较多，用分立元件构建这样的超声系统需要大量的单元电路(例如低噪声放大器、可变增益放大器、模数转换器等)，使得整个超声设备体积庞大且价格昂贵，并且产生相当大的功耗。
此外，现有的超声成像设备中的超声信号采集处理芯片通常被实现为包括至少三个芯片(即，增益放大芯片、模拟数字转换芯片和数字信号处理芯片)。增益放大芯片和模拟数字转换芯片均为多用途的通用芯片，而数字信号处理芯片通常使用现场可编程门阵列(FPGA)实现。FPGA具有通用性好、便于开发的优势。此外，现有的超声成像设备中的上述三个芯片也通常设置在同一个基板上的同一平面中，并且通过电接线连接。这样的配置优势在于配置灵活，但是功耗较大。
例如，在一种现有的64通道超声探测器中，模拟前端的每一通道消耗的功率为75毫瓦(mW)，其中LNA和VCA消耗20mW，ADC消耗55mW。对于64个信道而言，整个模拟前端一共消耗功率4.8W。数字信号处理模块中的Xilinx的FPGA消耗功率1.5W。整个方案一共至少消耗功率6.3W。这样的功耗使该方案只适合于电网供电的基站式系统，而不适合便携式的超声探测器。
为了解决目前存在的上述以及其他潜在问题，本公开的一些实施例涉及用于超声成像的装置和方法。在本公开的实施例中，用于超声成像的装置例如在接收到由超声换能器所发送的超声模拟信号之后，装置中的模拟前端芯片对该超声模拟信号进行放大和模数转换，以得到用于超声成像的数字信号。该数字信号继而被传输至被 数字信号处理芯片以进行数字信号处理。最终得到适于在诸如液晶显示器之类的显示装置上显示的图像数据。本公开的实施例通过划分芯片功能、将经划分的功能集成在两个不同芯片中、以及重新设计电路结构，极大地降低超声设备的功耗，并且使得根据本公开的一些实施例的用于超声成像的装置可以适用于便携式超声成像设备。
图1示出了其中可以实施本公开的一些实施例的环境的简化框图。环境100包括超声换能器102、主机104和显示器106。主机104包括用于超声成像的装置和其它一些外围部件。超声换能器102例如可以用于发射超声波来扫描人体，接收回声信号并且将其转换为表示超声信号的模拟电学信号。该模拟电学信号被传输至主机104中的用于超声成像的装置。用于超声成像的装置继而对该模拟电学信号进行处理，例如对其进行放大、滤波、数模转换、数字信号处理(DSP)等，以获得适于在显示器106上显示的图像数据。显示器106例如是液晶显示器(LCD)，其可以在接收到图像数据后显示例如人体组织的图像。
虽然在图1中示出超声换能器102、主机104和显示器106为分离的部件，但是可以理解这些部件可以被集成在一个设备中。图1中所示的配置仅是示例，而非旨在对本公开的范围的限制。可以将这三个部件可选地进行分离和组合而不脱离本公开的范围。
图2示出了根据本公开的一个实施例的用于超声成像的装置的芯片堆叠200的立体图。芯片堆叠200例如可以被包括在图1所示的主机102中，以用于将来自超声换能器102的模拟形式的超声信号进行例如放大、转换和处理。在此示例中，芯片堆叠200被实现为三维(3D)芯片堆叠的形式，其包括第一芯片(模拟前端芯片)202，第二芯片(数字信号处理芯片)206，和封装基板210。封装基板210用于支撑第二芯片206。在封装基板210上具有多个电连接端子(图2中示出为两排端子，可以使用其它布置)。在第二芯片206上具有相应的多个电连接端子208以用于在第二芯片206与外围电 路装置或显示器之间传输信号。第一芯片202通过多个铜柱微凸起(Copper Pillar Micro Bump)或相似技术以实现与第二芯片206的垂直集成。两个芯片之间的大通量高速数据通过微突起(Micro Bump)传输，以大量降低信道电容和功耗。数字信号处理芯片通过引线(Wire Bonding)与封装基板210电连接。该芯片堆叠200随后被封装在单一的装置以供超声成像设备使用。
在上述实施例中，三维封装技术可以极大降低两个芯片之间的信号传输通道的寄生电容，从而有效降低大量高速数据在两个芯片之间传输的功耗。此外，采用三维封装技术可以大量减小整体解决方案的封装面积，从而减小终端产品，例如降低便携式超声探测器的重量和体积。在实现中，基板上的晶片上芯片(Chip on Wafer on Substrate，CoWoS)封装技术以及F2F倒装堆叠(FlipStack)CSP封装技术等技术均可用来将多个芯片垂直集成在一起以降低互连电容以及封装面积。虽然图2示出了基板210-第二芯片206-第一芯片202的一种三维堆叠方式，但是可以使用其它三维堆叠方式。相比于上述的现有超声成像设备，根据本公开的实施例通过将电路重新设计、芯片定制集成和三维堆叠可以极大地降低超声设备的功耗。
参见图3，图3示出了根据本公开的一个实施例的用于超声成像的装置的框图。该装置可以是图1中的主机104中的一部分，并且与图2所示的装置对应。该装置包括第一芯片202和第二芯片206。第一芯片202包括多个通道300，每个通道300包括低噪声放大器(LNA)302、可变增益放大器(VGA)304和模数转换器(ADC)306。低噪声放大器302接收来自超声换能器的微弱超声脉冲反馈电信号，并且将其放大并且将其传输至可变增益放大器304。可变增益放大器304例如是可编程可变增益放大器(PGA)或电压调控可变增益放大器(VCA)。在经过可变增益放大器304进一步放大之后，模拟信号被传输至模数转换器306，经由模数转化器转化成数字信号，供第二芯片206做进一步后期处理。数字信号处理芯片由大量的DSP模块组成，对经模拟前端放大并数字化的超声脉冲反馈信号 进行滤波，均衡和降噪等后期处理，并将处理结果发送到超声探测器的操作系统(OS)和用户界面(UI)供仪器使用者分析判断。
超声换能器接收到的超声脉冲反馈信号强度一般微弱到只有毫伏(mV)量级。如果放大到后续的模数转换器的理想输入电压水平(约为100mV量级)，则放大电路需要提供至少40dB的增益。在一个实施例中，可以在模拟前端芯片的输入端布置低噪声放大电路，以便保证放大电路在放大期望信号的过程中不至于同时引入与放大太多的电路噪声。以此方式，可以避免对模数转换器输入端的信噪比的不利影响。该低噪声放大电路一方面要对输入有用信号提供足够增益，以压制后续电路的噪声，另一方面要保证自己引入尽量少的噪声。为实现上述两方面的设计要求，低噪声放大器的输入器件提供较大的跨导(gm)，这可能导致较大功耗。在现有的常规差分输入低噪声放大电路设计中，通常使用单端电流设计。单端电流设计中仅一个输入器件(例如N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS))提供跨导。
参见图4，图4示出了图3中的低噪声放大器的一个示例的电路图。如图4所示，电流复用差分输入低噪声放大电路302包括两个支路，每个支路连接在Vdd和电流源410之间。第一支路包括串联的P型金属氧化物半导体晶体管(PMOS)402和N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS)404。第二支路包括串联的PMOS 408和NMOS406。PMOS和NMOS的栅极均与输入电容器耦合以接收差分输入信号，以及PMOS和NMOS的漏极输出所述第一放大信号。在图4所示的实施例中，通过单端电流同时对两个输入器件(NMOS和PMOS)提供跨导，显著降低LNA的功耗。
通过电流复用，该电路实现了在消耗同样电流的情况下，提供了两倍于常规电路的跨导。换言之，采用电流复用的低噪声放大电路，在满足和常规低噪声放大电路同样的噪声性能基础上，能降低一半的电路功耗。由于超声探测器通常需要大量的信号通道(如64个信号通道)，每一通道都需要一个低噪声放大电路，因此减少低 噪声放大电路一半的功耗，将显著减小整个超声探测器的功耗。
如上所述，现有的超声探测器实现方案都采用流水线型模数转换器(Pipeline ADC)来完成模拟信号到数字信号的转换。因此，现有的超声成像设备中的模数转换器在进行模数转换时消耗了较多的功耗，例如每个通道的ADC消耗了50mW。对于64个通道的设备而言，这将一共消耗3.2W。该功率消耗对于以电池供电的便携式超声成像设备显然不能接受。此外，超声探测器的信号采样频率一般在20兆赫兹(MHz)到60MHz之间，模数转换的精度要求达到12比特甚至14比特。这样的高采样频率决定了积分型模数转换器(Integrating ADC)，逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)和积分差分型模数转换器(Sigma-Delta ADC)无法满足超声探测器模数转换的速度要求。此外，闪烁型模数转换器(Flash ADC)虽然能够满足采用频率的要求，但是却无法实现大于8比特或以上精度的设计。
为解决上述问题，本发明的实施例提供一种新型的模数转换器，以满足例如便携式超声成像的设备所需。参见图5，图5示出了图3中的模数转换器的一个示例的框图。图5中的模数转换器306是一种工作在电压域与时域的混合结构模数转换器，其包括第一级转换器502、基于压控振荡器的第二级模数转换器504和数字校准电路506。第一级转换器502工作在电压域并且可操作为根据来自可变增益放大器304的第二放大信号生成经转换的第一数字信号和经放大的第一余量模拟信号，其中第一数字信号为表示超声信号的数字比特中的较高位的若干比特，例如前5比特。第二级模数转换器504例如是工作在时域的基于压控振荡器的模数转换器，其可操作为根据第一余量模拟信号生成第二数字信号，其中第二数字信号为表示超声信号的数字比特中的较低位的比特，例如后9比特。可以理解，上述数字比特(5比特和9比特)仅是用于示例而非旨在进行限制，可以使用其它数字比特组合。数字校准电路506可操作为根据第一数字信号和第二数字信号生成经校准的数字信号Dout。
通过使用图5所示的这种双级转换器的配置结构，可以灵活配 置第一级转换器和第二级模数转换器。例如，第二级模数转换器可以使用基于压控振荡器(VCO)的模数转换器。基于压控振荡器的模数转换器可以实现对小信号的高动态范围模数转换。相比于常规电压模式的模数转换器，基于压控振荡器的模数转换器可以消耗更少的功率。这个优点在小尺寸生产工艺(例如65nm生产工艺)中更为显著。
此外，压控振荡器要求的输入电压水平比常规电压模式模数转换器要小很多，使得第一级模数转换的余量不需要经过很大的增益就可以被压控振荡器直接转换。这使得可以降低第一级转换器的要求，例如可以采用功耗更小的运算放大器(Opamp)实现。此外，由于压控振荡器处理的是小输入信号，两级转换器之间不需要留有余量，只要保证对压控振荡器计数的计数器有足够的计数范围，就能对第一级的错误进行校准与更正。这可以进一步降低对第一级转换器的要求。
参见图6，图6示出了图5中的模数转换器的一个示例的更为具体的框图。图6中的ADC包括第一级转换器(以虚线框示出)502、第二级模数转换器504和数字校准电路506。与图5中的框图类似，第一级转换器502输出前5位的数字比特给数字校准电路506，并且第二级模数转换器输出后9位的数字比特给数字校准电路506。数字校准电路506对这两部分的数字比特进行校准和组合，并且输出具有特定位数(例如，13位)的比特组合Dout，而多余的一个比特被用着数字校准的余量。
在图6中，第一级转换器502包括闪烁型模数转换器606、数模转换器608、加减法器604和余量放大器602。闪烁型模数转换器606可操作为根据第二放大信号Vin和第一参考信号Vref生成第一数字信号(如上所述的前5位的数字比特)。如已知的，闪烁型模数转换器不适于大于8比特的转换。然而，这种器件的速度快，并且且电路结构简单，因此可以充当第一级转换。这是因为，在根据本公开实施例的两级转换中，第一级转换通常仅需输出前几位较少的比特 (例如，5比特)。
数模转换器608可操作为根据第一数字信号和第一参考信号Vref生成第一模拟信号。加减法器604继而根据第二放大信号Vin和第一模拟信号计算用于生成后9位数字比特的余量信号。余量信号随后被余量放大器602进行放大以生成第一余量模拟信号。第二级模数转换器504例如是基于压控振荡器的第二级模数转换器，其对于余量信号和输入电压要求较低，如上文所述。例如参见图6，第二级模数转换器504根据第一余量模拟信号和第二参考信号Vref/8来生成后9位的数字比特。如上所述，由于第二级模数转换器使用基于压控振荡器的方案，并且对于输入电压要求较低，因此可以显著降低功率消耗。
如上所述，压控振荡器要求的输入电压水平比常规电压模式模数转换器要小很多，使得第一级模数转换的余量不需要经过很大的增益就可以被压控振荡器直接转换。因此，在本公开的一个实施例中，可以使用一种电压倍增电路来放大余量信号。图7示出了图6中所示的余量放大器的一个示例的电路图。在此实施例中，电压倍增电路602是一个开关电容电路，其通过不同相位开关的通断来实现信号的处理。在图7中，Vin_cm例如为AC的地。在第一相位阶段期间，所有被标注为F1的开关闭合，所有被标注为F2的开关打开，将Vin+和Vin-分别存储于4个采样电容器上。在第二相位阶段期间，所有被标注为F1的开关打开，所有被标注为F2的开关闭合，使Vout-电压变为(Vin--Vin+)，而Vout+电压变为(Vin+-Vin-)，最终差分输出信号为2*(Vin+-Vin-)，实现了对输入差分信号的倍增。图7中所示的电压倍增电路具有结构简单和功耗小的优势，并且经增益放大的余量信号适于作为压控振荡器的输入。
图8是示出了图6中所示的第二级模数转换器的一个示例的框图。第二级模数转换器504包括采样保持电路802，电压到电流转换电路804，流控振荡器806，双向计数器808和加减法器(以虚线框示出)810，其中电压到电流转换电路804和流控振荡器806构成上 文描述的压控振荡器。
采样保持电路802接收来自余量放大器602的第一余量模拟信号，并且根据开关信号fs的控制对第一余量模拟信号采样并且保持在采样电容器上，以生成差分采样电压信号。差分采样电压信号随后被输入至电压到电流转换电路804。电压到电流转换电路804为源极负反馈(Source degenerated)的差分输入电路，其包括耦合至电流源的两个支路，每个支路包括串联的NMOS晶体管和电阻器。NMOS晶体管的栅极耦合至采样保持电路802以接收差分采样电压信号。NMOS的漏极直接或间接地耦合至电压到电流转换器的电流输出端以向流控振荡器806提供采样电流信号。
电流调控振荡器(CCO)806根据采样电流信号生成振荡信号。振荡信号的振荡频率正比于所输入的控制电流，使得两个电流调控振荡器的频率差正比于差分输入的电流信号，并且还正比于差分输入的电压信号。双向计数器808根据振荡信号进行计数。两个电流调控振荡器的振荡频率分别被两个双向计数器记录下来。加减法器810随后根据来自双向计数器808的计数结果计算数字信号。
更具体而言，加减法器810将表示差分输入的电压信号的计数相减，以生成正比于两个电流调控振荡器频率差的计数结果，该计数结果即为正比于输入差分电压的第二数字信号。该数字信号随后由数字校准电路506校准，并且与第一数字信号组合以生成数字信号。该数字信号随后由第二芯片206中的DSP处理以生成供显示器显示的图像数据。
图9示出了根据本公开的一些实施例的方法的流程图。方法900可以例如由图2和图3的装置实施。在步骤902中，利用第一芯片202接收超声信号。第一芯片202上具有与外部部件连接的端子以接收来自超声换能器的表示超声信号的模拟电信号。
在步骤904中，利用所述第一芯片202生成表示超声信号的数字信号。如上所述，第一芯片202中具有多个通道300，每个通道包括LNA 302、VGA 304和ADC 306以用于将表示超声信号的模拟电 信号进行低噪声放大、可变增益放大和模数转换，从而生成表示超声信号的数字信号。通过重新设计的LNA 302和ADC 306，可以极大地降低超声信号放大和转换过程中的功率消耗，使得该方法可以适用于便携式超声设备。
在步骤906中，利用不同于第一芯片202的第二芯片206处理来自第一芯片的数字数字信号以用于超声成像。在本公开的示例中，使用专用集成电路(ASIC)技术制造的第二芯片包括数字信号处理(DSP)单元。相比于传统的超声探测器解决方案多使用现场可编程门阵列(FPGA)芯片来实现超声探测所需要的数字信号处理功能，使用ASIC技术制造的第二芯片可以获得更加优化的电路功耗和面积，并降低芯片的生产成本。第二芯片206对经模拟前端放大并数字化的超声脉冲反馈信号进行滤波，均衡和降噪等后期处理，并将处理结果发送到超声探测器的操作系统(OS)和用户界面(UI)供仪器使用者分析判断。
总体而言，本公开的实施例涉及用于超声成像的装置和方法。该装置和方法因其功耗低、体积小，因此尤其适于便携式超声成像装置。相比于常规的超声成像的装置和方法，本公开的实施例通过将超声设备中部件的功能分解，将其重新设计并且集成在两个单独的芯片中，继而通过3D封装技术集成在一个封装内，以实现功耗和面积的最优化。此外，本公开的实施例通过重新设计模拟前端芯片中的电路，尤其是低噪声放大器和模数转换器，极大地降低了模拟前端所消耗的功率，使得根据本公开的实施例的用于超声成像的装置可以应用至便携式超声成像设备。
虽然本公开的设备被描述为包括单独的部件，但是可以理解这些部件中的至少一部分可以在一些实施例中被整体实施。虽然本公开的各种方面被示出和描述为框图、流程图或使用其它一些绘图表示，但是可以理解本文描述的框、设备、系统、技术或方法可以以非限制性的方式以硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其它计算设备或其一些组合实施。
此外，虽然操作以特定顺序描述，但是这不应被理解为要求这类操作以所示的顺序执行或是以顺序序列执行，或是要求所有所示的操作被执行以实现期望结果。在一些情形下，多任务或并行处理可以是有利的。类似地，虽然若干具体实现方式的细节在上面的讨论中被包含，但是这些不应被解释为对本公开的范围的任何限制，而是特征的描述仅是针对具体实施例。在分离的一些实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合地执行。相反对，在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中分离地实施或是以任何合适的子组合的方式实施。
虽然本公开以具体结构特征和/或方法动作来描述，但是可以理解在所附权利要求书中限定的本公开并不必然限于上述具体特征或动作。而是，上述具体特征和动作仅公开为实施权利要求的示例形式。

Claims (21)

  1. 一种用于超声成像的装置，包括：
    第一芯片，可操作为：
    接收超声信号，所述超声信号是模拟信号；以及
    生成表示所述超声信号的数字信号；以及
    第二芯片，可操作为处理来自所述第一芯片的所述数字信号以用于超声成像。
  2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述第一芯片被堆叠在所述第二芯片上以形成三维堆叠芯片封装。
  3. 根据权利要求1所述的装置，其中所述第二芯片包括使用专用集成电路工艺制作的数字信号处理器。
  4. 根据权利要求1所述的装置，其中所述第一芯片包括多个信号通道，每个所述信号通道包括：
    低噪声放大器，可操作为通过放大所述超声信号生成第一放大信号；
    可变增益放大器，可操作为通过放大所述第一放大信号生成第二放大信号；以及
    模数转换器，可操作为将所述第二放大信号转换成所述数字信号。
  5. 根据权利要求4所述的装置，其中所述低噪声放大器包括差分电流复用低噪声放大电路，所述差分电流复用低噪声放大电路包括：
    第一支路，包括串联的P型金属氧化物半导体晶体管和N型金属氧化物半导体晶体管；
    第二支路，包括串联的P型金属氧化物半导体晶体管和N型金属氧化物半导体晶体管；以及
    所述P型金属氧化物半导体晶体管和所述N型金属氧化物半导体晶体管的栅极均与输入电容器耦合以接收差分输入信号，以及所 述P型金属氧化物半导体晶体管和所述N型金属氧化物半导体晶体管的漏极输出所述第一放大信号。
  6. 根据权利要求4所述的装置，其中所述模数转换器包括：
    第一级转换器，可操作为根据所述第二放大信号生成经转换的第一数字信号和经放大的第一余量模拟信号；
    基于压控振荡器的第二级模数转换器，可操作为根据所述第一余量模拟信号生成第二数字信号；以及
    数字校准电路，可操作为根据所述第一数字信号和所述第二数字信号生成经校准的所述数字信号。
  7. 根据权利要求6所述的装置，其中所述第一级转换器包括：
    闪烁型模数转换器，可操作为根据所述第二放大信号和第一参考信号生成所述第一数字信号；
    数模转换器，可操作为根据所述第一数字信号和所述第一参考信号生成第一模拟信号；
    加减法器，可操作为根据所述第二放大信号和所述第一模拟信号生成余量信号；以及
    余量放大器，可操作为根据所述余量信号生成所述第一余量模拟信号。
  8. 根据权利要求7所述的装置，其中所述余量放大器包括基于电荷泵的电压倍增电路，所述电压倍增电路可操作为：
    在第一阶段期间存储成对的所述余量信号；以及
    在第二阶段期间将所述成对的所述余量信号组合地输出为所述第一余量模拟信号。
  9. 根据权利要求6所述的装置，其中所述第二级模数转换器包括：
    采样保持电路，可操作为对所述第一余量模拟信号进行采样和保持以生成采样电压信号；
    电压到电流转换电路，可操作为将所述采样电压信号转换为采样电流信号；
    流控振荡器，可操作为根据所述采样电流信号生成振荡信号；
    双向计数器，可操作为根据所述振荡信号进行计数；以及
    加减法器，可操作为根据来自所述双向计数器的计数结果计算所述第二数字信号。
  10. 一种便携式超声波检测设备，包括：
    超声波换能器，可操作为通过检测生成超声信号；
    根据权利要求1-9中任一项所述的装置，可操作为根据所述超声信号生成用于超声成像的数字信号；以及
    显示装置，可操作为根据所述数字信号进行成像。
  11. 一种用于超声成像的方法，包括：
    利用第一芯片接收超声信号，所述超声信号是模拟信号；
    利用所述第一芯片生成表示所述超声信号的数字信号；
    利用不同于所述第一芯片的第二芯片处理来自所述第一芯片的所述数字数字信号以用于超声成像。
  12. 根据权利要求11所述的方法，所述第一芯片被堆叠在所述第二芯片上以形成三维堆叠芯片封装。
  13. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第二芯片包括使用专用集成电路工艺制作的数字信号处理器。
  14. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第一芯片包括多个信号通道，每个所述信号通道包括低噪声放大器、可变增益放大器和模数转换器，利用所述第一芯片生成表示所述超声信号的数字信号包括：
    利用低噪声放大器放大所述超声信号生成第一放大信号；
    利用可变增益放大器放大所述第一放大信号生成第二放大信号；以及
    利用模数转换器将所述第二放大信号转换成所述数字信号。
  15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述低噪声放大器包括差分电流复用低噪声放大电路，所述差分电流复用低噪声放大电路包括第一支路和第二支路，所述第一支路包括串联的P型金属氧化 物半导体晶体管和N型金属氧化物半导体晶体管，所述第二支路包括串联的P型金属氧化物半导体晶体管和N型金属氧化物半导体晶体管；
    生成所述第一放大信号包括：
    利用所述P型金属氧化物半导体晶体管和所述N型金属氧化物半导体晶体管的栅极接收差分输入信号，以及
    利用所述P型金属氧化物半导体晶体管和所述N型金属氧化物半导体晶体管的漏极输出所述第一放大信号。
  16. 根据权利要求14所述的方法，其中所述模数转换器包括第一级转换器、基于压控振荡器的第二级模数转换器和数字校准电路；
    将所述第二放大信号转换成所述数字信号包括：
    利用所述第一级转换器根据所述第二放大信号生成经转换的第一数字信号和经放大的第一余量模拟信号；
    利用所述第二级模数转换器根据所述第一余量模拟信号生成第二数字信号；以及
    利用所述数字校准电路根据所述第一数字信号和所述第二数字信号生成经校准的所述数字信号。
  17. 根据权利要求16所述的方法，其中所述第一级转换器包括闪烁型模数转换器、数模转换器、加减法器和余量放大器，
    生成所述第一数字信号包括：
    利用所述闪烁型模数转换器根据所述第二放大信号和第一参考信号生成所述第一数字信号；
    生成所述第一余量模拟信号包括：
    利用所述数模转换器根据所述第一数字信号和所述第一参考信号生成第一模拟信号；
    利用所述加减法器根据所述第二放大信号和所述第一模拟信号生成余量信号；以及
    利用所述余量放大器根据所述余量信号生成所述第一余量模拟信号。
  18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述余量放大器包括基于电荷泵的电压倍增电路，生成所述第一余量模拟信号包括：
    利用所述电压倍增电路在第一阶段期间存储成对的所述余量信号；以及
    利用所述电压倍增电路在第二阶段期间将所述成对的所述余量信号组合地输出为所述第一余量模拟信号。
  19. 根据权利要求16所述的方法，其中所述第二级模数转换器包括采样保持电路、电压到电流转换电路、流控振荡器、双向计数器和加减法器，生成所述第二数字信号包括：
    利用所述采样保持电路对所述第一余量模拟信号进行采样和保持以生成采样电压信号；
    利用所述电压到电流转换电路将所述采样电压信号转换为采样电流信号；
    利用流控振荡器根据所述采样电流信号生成振荡信号；
    利用双向计数器根据所述振荡信号进行计数；以及
    利用加减法器根据来自所述双向计数器的计数结果计算所述第二数字信号。
  20. 一种用于便携式超声波检测设备的成像方法，包括：
    通过超声波换能生成超声信号；
    利用根据权利要求1-9中任一项所述的装置，基于所述超声信号生成用于超声成像的数字信号；以及
    根据所述数字信号进行成像。
  21. 一种用于生产超声成像装置的方法，包括：提供根据权利要求1-9中任一项所述的装置中包含的部件。
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