TW201906314A - 用於超音波裝置之單端跨阻抗放大器 - Google Patents

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Abstract

一種包括單端跨阻抗放大器(TIA)的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一藉由該超音波換能器響應於接收一超音波信號所產生的電性信號。接在該TIA之後的是進一步處理的電路，該電路係被配置以濾波、放大以及數位化藉由該TIA所產生的該信號。

Description

用於超音波裝置之單端跨阻抗放大器
本申請案係有關於超音波裝置，其係具有一用於放大接收到的超音波信號的放大器。
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B1348.70047US00並且名稱為"用於超音波裝置之單端跨阻抗放大器(TIA)"的美國臨時專利申請案序號62/522,606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單端跨阻抗放大器(TIA)，該單端TIA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。
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單端跨阻抗放大器(TIA)，該單端TIA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。
根據本申請案的一特點，一種超音波電路係被提出，其係包括一超音波換能器、以及複數個耦接至該超音波換能器的一輸出的類比處理級。該複數個類比處理級係包含一類比處理級，其係被配置以呈現一比該複數個類比處理級的其它類比處理級更大的電壓擺幅。
根據本申請案的一特點，一種超音波電路係被提出，其係包括一超音波換能器、一具有一耦接至該超音波換能器的輸入端子的放大器、以及一時間增益補償(TGC)電路。該放大器係電耦接在該超音波換能器與該TGC電路之間。該放大器係被配置以呈現一第一電壓擺幅，並且該TGC電路係被配置以呈現一大於該第一電壓擺幅的第二電壓擺幅。
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)放大器可以是單端跨阻抗放大器(TIA)。
根據本申請案的一特點，類比處理級(或者是在此被稱為"區塊"或是"構件")可以接在一超音波裝置的單端TIA之後。該些類比處理級可以執行各種的類比處理功能，例如是濾波藉由該單端TIA所產生的一電性信號。在某些實施例中，該TIA以及該些類比處理級中的除了一級以外的所有級係具有一第一電壓擺幅，並且一代表最後一個類比處理級的時間增益補償級係具有一大於該第一電壓擺幅的第二電壓擺幅。此種配置可以使得單端TIA在該信號鏈中的使用變得容易，相較於一種差動或是虛擬差動的TIA被實施，其因此可以提供較低功率的操作。再者，該信號處理鏈的功率因為消耗較低的功率而可被降低，以維持通過該信號鏈的線性。
根據本申請案的一特點，一種超音波電路係被提出，其係包括一超音波換能器、一多級類比處理電路、以及一類比至數位轉換器(ADC)。在某些實施例中，該多級類比處理電路係包含複數個操作在一第一電壓擺幅的處理級以及一操作在一較大的電壓擺幅的時間增益補償(TGC)級。操作在該第一電壓擺幅的該複數個的處理級可包含一單端TIA。
根據本申請案的一特點，一種處理超音波信號之方法係被提出。該方法係包括利用一超音波換能器來產生一電性信號，以及利用一單端TIA來放大該電性信號。在某些實施例中，多個單端TIA係被設置，並且進一步處理係包括平均由多個單端TIA所提供的該些信號、以及濾波該平均的信號。放大來自該超音波換能器的該電性信號、以及平均及濾波來自該單端TIA的信號可以利用提供一第一電壓擺幅的構件來加以執行。在某些實施例中，該方法進一步包括在該些在平均及濾波之後，而在利用一ADC來轉換該些類比信號為數位信號之前的信號上執行時間增益補償(TGC)。該TGC可以利用一TGC級來加以執行，該TGC級係提供一第二電壓擺幅是大於由前面的類比級所提供的電壓擺幅。
根據本申請案的一特點，一種電路係被設置以用於處理超音波信號。該電路可包含一響應於接收一超音波信號來產生類比電性信號的超音波換能器、用以處理(例如，放大、濾波及補償)該些類比信號的類比處理電路、以及一用以轉換該些類比電性信號成為數位信號的ADC。一用於該ADC的ADC驅動器在至少某些實施例中可包含一超級源極隨耦器。
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是描繪根據本申請案之一非限制性的實施例的一種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單端TIA，其係輸出經放大的類比信號。如同將會進一步在以下描述的，在某些實施例中，一或多個(並且在某些實施例中是所有的)放大器112a-112n可包含一共源極子電路以及一源極隨耦器。相較於替代的放大器設計的使用，單端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是一緩衝器或是一放大器。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用於一超音波裝置的單端TIA。圖2是更加詳細地描繪圖1的放大器112a的一非限制性的例子，其係描繪一單端的配置。相同的配置可被使用於圖1的其它TIA 112n。
該放大器112a係包含一耦接至該接收電路110a的輸入端子202，該接收電路110a在此非限制性的實施例中係被描繪為一開關。因此，該輸入端子202係耦接至該超音波換能器102a，以接收藉由該超音波換能器所輸出的電性信號。
該放大器112a進一步包括一共源極子電路204(在此單純被稱為一"共源極")、源極隨耦器206、回授阻抗214、以及輸出端子208。該共源極204於是包含在一電源軌Vdd與接地(GND)之間的一PMOS電晶體210以及NMOS電晶體212。該PMOS電晶體210係代表一電流源的一非限制性的例子，其中其閘極係被一適當的偏壓電壓Vbias來加以偏壓。其它形式的電流源可以替代地加以實施。該NMOS電晶體212的閘極可以對應於該輸入端子202，其係被配置以接收藉由該超音波換能器102a輸出的電性信號。該源極隨耦器206係包含一電阻器207以及NMOS電晶體209，該NMOS電晶體209的閘極係耦接至該共源極204的NMOS電晶體212的汲極。在該舉例說明的非限制性的實施例中，該電阻器207係被使用，但是其它形式的電流源亦可以替代地加以實施。
該放大器112a亦包含一可程式化的回授阻抗214，其在此非限制性的例子中係被展示為一電阻器。在某些實施例中，該回授阻抗可包括一電阻器並聯一電容器，其中的一或兩者可以是可變的。該回授阻抗係決定該跨阻抗放大器的跨阻抗增益，使得該輸入電流信號可被轉換成為一具有變化的振幅的輸出電壓。該回授阻抗214可以在操作之前先被程式化，並且在操作期間維持靜態的。因此，該回授阻抗在至少某些實施例中可被視為一可程式化的靜態回授阻抗。
從單端TIA在一像是圖1中所描繪的超音波信號鏈中的使用所實現的功率節省的量可能是顯著的。例如，在該電路100中，該些放大器112a…112n可能會消耗一相當大量的功率。在某些實施例中，該些放大器112a…112n可能會消耗比該電路100的任何其它構件更大的功率。於是，降低該些放大器112a…112n的功率消耗可以在該電路100的功率上提供一顯著的縮減。對於單一TIA而言，單端TIA的使用可以降低該TIA級的功率消耗一半或是更多。因此，相較於不是單端的TIA設計，將此種功率節省乘上N個TIA可能是顯著的。
儘管圖2是描繪根據本申請案的各種特點的一種單端TIA的一個例子，但應該體認到的是替代的實施方式是可能的。例如，儘管圖2是描繪NMOS及PMOS電晶體的使用，但是不同的電晶體技術亦可被使用(例如，雙載子接面電晶體技術)。再者，儘管圖2是描繪一NMOS共源極以及NMOS源極隨耦器，但是一PMOS共源極以及PMOS源極隨耦器可以替代地加以實施。再者，與一共源極接著是一源極隨耦器不同的電路配置亦可被使用。圖5-7係描繪各種非限制性的替代的配置。
圖5是描繪一單端TIA的一非限制性的例子，其係在一共源極輸入級與一源極隨耦器之間具有交流(AC)耦合。該TIA 500係連接至該超音波換能器102a，並且包含電晶體502、504、506、508、510及512、開關SW1、SW2、SW3及SW4、電容器C1、以及可變回授阻抗514。
該TIA 500係包含一共源極輸入級。該共源極輸入級係包括電晶體502、504、506及508。電晶體504及506係以疊接(cascode)來加以配置，並且分別接收串級偏壓信號VcasN 及VcasP 。電晶體508是一被配置以接收一偏壓電壓Vbias1 的偏壓電晶體。
該TIA 500進一步包括一藉由電晶體510來加以表示的源極隨耦器。一偏壓電晶體512係耦接至該源極隨耦器，並且接收偏壓電壓Vbias2 。
該TIA 500係包含在該共源極輸入級以及該源極隨耦器之間的AC耦合。該AC耦合係由耦接至該電容器C1的相反的板的開關SW2及SW3所提供的。在某些實施例中，該些開關SW1、SW2、SW3及SW4係被操作如下。該開關SW1可以是一接收開關，其係在一接收事件的持續期間閉合的，並且在該超音波裝置操作在一發送模式中時開路的。在一接收事件的開始之前，SW2及SW4是導通的，以預充電或是重置橫跨電容器C1的電壓。在該接收期間，並且在至少某些實施例中是在涵蓋用以接收在所有的目標成像深度處的持續期間的整個接收期間，SW2及SW4是關斷的，而且SW3是導通的，並且電容器C1係靜態地保持來自該預充電階段的電荷。該電容器C1在此期間是浮接的，並且橫跨該電容器C1的電壓在此期間係使得Vx=Vdd/2。
該可變回授阻抗514可以具有與稍早所述的可變回授阻抗214相同的類型、或是任何其它適當的回授阻抗。
該TIA 500可以提供各種的益處。例如，該源極隨耦器的閘極節點(在電晶體510的閘極處的節點)並不限制該TIA的擺幅。該電容器C1係容許該源極隨耦器的閘極節點能夠擺動到超過Vdd。TIA 500亦可以比其它雙級的運算放大器設計呈現較小的雜訊。
圖6是描繪在圖5的單端TIA 500上的一變化，其係缺少該AC耦合電容器C1。圖6的TIA 600係包括圖5的共源極輸入級以及源極隨耦器，但是缺少該電容器C1，因而替代地包含一電流洩流的電路(在此亦被稱為一"洩流電路")，其係包含電晶體606及608，其可被視為電流洩流的電晶體。一回授電路604係被設置以控制該洩流電路。如同所展示的，該回授電路604係接收Vx以及Vdd/2作為輸入，並且提供控制信號VP 及VN 至該洩流電路以控制電晶體606及608。在所描繪的配置中，該電壓Vx可以是實質中心位在Vdd/2。從圖6應該體認到本申請案的一實施例係提供一種包含一信號接收電路鏈的超音波裝置，該信號接收電路鏈係包括一單端TIA，其係具有一藉由一洩流電路來耦接至一源極隨耦器的共源極輸入級。再者，儘管圖6是描繪一包含兩個電流洩流的電晶體的洩流電路，但是一替代方案係只有使用一個此種電晶體606或是608。當只有一正或是負側的電流洩流的電晶體被設置時，該回授電路604可以被簡化以只提供VP 或是VN 中之一。
圖7是描繪如同可被用在一超音波裝置的一單端TIA的另一非限制性的例子。在圖7的例子中，該單端TIA 700係呈現電晶體502的背閘極控制。該TIA 700並不使用一AC耦合電容器或是一洩流電路。該TIA 700係包含TIA 500及600的共源極輸入級以及源極隨耦器。該輸入共源極NMOS電晶體502的背閘極控制係被設置。
電晶體502的背閘極電壓可以藉由一正的可程式化的電壓而被控制，以實質將該背閘極電壓Vback維持在一介於該些電源供應軌之間的正電壓，但是不超過一大於0V的二極體導通電壓。該TIA 700亦包含一回授電路702，其係被配置以接收Vx以及Vdd/2，並且提供該電壓Vback。該背閘極回授控制電路702的結構係依據正被提供的是正或負的背閘極控制而定。當該TIA 700被配置以提供正的背閘極電壓時，Vback在某些實施例中可被維持實質高於0V。對比之下，當該TIA 700被配置以提供負的背閘極電壓時，該電路可包含一負電源供應器以提供該負電壓、或是該回授電路702可包含一充電泵以使得維持Vback低於0V變得容易。在此種情況中，任何適當的充電泵都可被實施。在某些實施例中，一選配的浮接的電容器可被納入以提供一電壓至該背閘極，並且在此種實施例中，該回授電路702在該接收期間可以是斷連的，其中該背閘極電壓Vback係由該浮接的電容器所提供的。
從圖7應該體認到本申請案的一實施例係提供一種包含一信號接收電路鏈之超音波裝置，該信號接收電路鏈係包括一單端TIA，其係具有該TIA的一輸入電晶體的背閘極電壓控制。
在某些實施例中，一種超音波裝置的一信號接收電路鏈可包含一單端TIA，接著是例如一差動放大器的差動電路、平均電路、濾波器、或是其它電路。在此種情況中，該單端TIA可以和一複製電路組合，該複製電路係被配置以產生一用於該信號接收電路鏈的下游級的虛擬差動的輸入信號。在至少某些此種實施例中，該複製電路可以是與該個別的單端TIA實質相同的，但是其係缺少一可變回授阻抗514，並且被配置以產生一直流(DC)輸出信號。以此種方式，該TIA可以產生一對應於該超音波換能器的一輸出的可變的輸出信號，並且該複製電路可以產生一DC輸出，其中那些兩個輸出係形成在該信號接收電路鏈中的下游差動電路的虛擬差動的輸入信號。一例外是具有一洩流電路的電路配置，針對於其的複製電路仍然包括和該單端TIA相同的可變回授阻抗。
根據本申請案的一特點，一超音波信號接收鏈係包含複數個類比信號處理級，其中該些級中的至少兩個係不同於它們所提供的電壓擺幅。在某些實施例中，在一ADC之前的級係提供一與上游(或前面的)類比處理級不同的電壓擺幅。在某些實施例中，在該ADC之前的級係提供一比上游(或前面的)級更大的電壓擺幅。以此種方式，該信號鏈的功率可以藉由在該類比信號至一數位信號的轉換之前，從最後一級提供一所要的輸出電壓擺幅而被降低。
圖3是描繪一包含單端TIA以及複數個接在該TIA之後的類比信號處理級的超音波信號接收電路鏈，並且可以代表圖1的對應的信號處理級的一個一般化的版本。該舉例說明的超音波信號接收電路鏈係包含八個TIA 312、一平均電路314、一DC阻擋(或濾波器)級316、一時間增益補償級318、以及一ADC驅動器及ADC級320。儘管八個TIA 312係被展示，但是任何適當的數量都可被納入。
在圖3的非限制性的例子中，該些舉例說明的類比信號處理級係提供該些舉例說明的電壓擺幅。尤其，該些TIA 312、平均電路314、以及DC阻擋級316係分別提供一個V1的輸出電壓擺幅，即如同藉由垂直指出的雙端的箭頭所指出者。對照之下，該TGC級318係提供一個V2的輸出電壓擺幅。在至少某些實施例中，V2可以是大於V1。例如，V2可以是大於V1的1.5到5倍之間，其係包含在該範圍內的任意值及範圍。作為一非限制性的例子，V1可以是介於0.2伏特到0.7伏特之間(例如，0.5伏特)，而V2可以是大於V1的1.5到5倍之間(例如，兩倍、三倍、或是四倍)。
將該些TIA 312、平均電路314、以及DC阻擋級316操作在較低的電壓擺幅V1可以降低由那些級所消耗的功率。低擺幅的運算放大器(op-amp)通常消耗比具有較大的擺幅的運算放大器更低的功率。用於該信號鏈所要的輸出電壓擺幅可以對應於V2，並且因此可以是由該TGC級318所提供的，該TGC級318在至少某些實施例中是緊接在該ADC驅動器以及ADC之前的類比信號處理級。因此，在某些實施例中，該類比信號處理鏈的最後一級以外的所有級都具有一比最後一級更低的輸出電壓擺幅，此係容許在具有該較低的輸出電壓擺幅的級中有功率的節省。
在某些實施例中，提供一較大的電壓擺幅V2給該TGC級318可以容許從該些TIA 312提供較低的增益，並且因此節省該些TIA 312的功率。例如，該些TIA的增益在某些實施例中可以是小於100dB，並且該TGC的增益在某些實施例中可以是介於5dB到30dB之間。其它的增益亦可被實施，因為那些所列出的是非限制性的例子。
儘管圖3是描繪多個級提供一輸出電壓擺幅V1，但是替代實施例係提供其中在該TGC級前面的級係具有非一致的輸出電壓擺幅。例如，該些TIA 312、平均電路314、以及DC阻擋級316可以提供與彼此不同的電壓擺幅，但是在至少某些實施例中可以都提供一比該TGC級318更低的輸出電壓擺幅。因此，在某些實施例中，在一時間增益補償級前面的至少一類比處理級係提供一比該TGC級更低的輸出電壓擺幅。
根據本申請案的一特點，一超音波信號接收電路鏈係包含一ADC以及一ADC驅動器，並且該ADC驅動器係包含一超級源極隨耦器。圖4是描繪根據本申請案之一非限制性的實施例的一ADC驅動器，其係具有一摺疊的疊接超級源極隨耦器的配置。除了其它可能的實施方式以外，該ADC驅動器400可被使用作為在圖1及3的電路中的ADC驅動器。
該ADC驅動器400係包含一輸入端子402，其係被配置以接收一輸入信號，例如是藉由一TGC級(例如是圖3的TGC級318)所產生的輸出。該輸入端子402可以對應於NMOS電晶體404的閘極(或是控制端子)。該ADC驅動器400的輸出可以是從電晶體404的源極取出的。電晶體404係耦接至電晶體406。
該ADC驅動器400進一步包括電流源I1 及I2 、電阻器R、電容器C、以及電晶體408。該電阻器R以及電容器C可以提供補償，以確保用於該迴路的充分的相位邊限，因而可以具有任何用於如此做的適當的值。該疊接可以利用一電壓VB 來加以偏壓。該舉例說明的ADC驅動器結構可以藉由利用回授來提供一相當低的輸出阻抗，而該摺疊的疊接結構可以容許有高的輸出電壓擺幅。以此種方式，和一源極隨耦器相關的相同的輸出電阻可以在一相當小的偏壓電流下加以達成，同時維持輸出的電壓擺幅。於是，相較於其它的配置，該ADC驅動器可以消耗相當小的功率。
在至少某些實施例中，利用一超級源極隨耦器作為該ADC驅動器係有助於大為降低該ADC驅動器的功率。一超級源極隨耦器係藉由負回授來降低該輸出阻抗，而不是藉由增加該電流，但是如此做是以支援一較小的擺幅作為代價的。根據在此所述的實施例的摺疊的疊接超級源極隨耦器係呈現一超級源極隨耦器的就降低達成一給定的輸出阻抗所需的功率消耗而論的優點，但是相較於一不具有摺疊的串級結構的超級源極隨耦器，其亦容許有一較大的擺幅。
圖4的ADC驅動器可被利用於各種類型的ADC。舉例而言，該舉例說明的ADC驅動器可被利用於一連續漸進暫存器(SAR)ADC。該舉例說明的ADC驅動器與一SAR ADC的組合可以提供和高的輸出電壓擺幅相結合的低功率的操作。
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
202‧‧‧輸入端子
204‧‧‧共源極子電路
206‧‧‧源極隨耦器
207‧‧‧電阻器
208‧‧‧輸出端子
209‧‧‧NMOS電晶體
210‧‧‧PMOS電晶體
212‧‧‧NMOS電晶體
214‧‧‧回授阻抗
312‧‧‧TIA
314‧‧‧平均電路
316‧‧‧DC阻擋(濾波器)級
318‧‧‧時間增益補償級
320‧‧‧ADC驅動器及ADC級
400‧‧‧ADC驅動器
402‧‧‧輸入端子
404‧‧‧NMOS電晶體
406‧‧‧電晶體
408‧‧‧電晶體
500‧‧‧TIA
502‧‧‧電晶體
504‧‧‧電晶體
506‧‧‧電晶體
508‧‧‧電晶體
510‧‧‧電晶體
512‧‧‧偏壓電晶體
514‧‧‧可變回授阻抗
604‧‧‧回授電路
606‧‧‧電晶體
608‧‧‧電晶體
700‧‧‧單端TIA
702‧‧‧回授電路
C‧‧‧電容器
C1‧‧‧電容器
I1‧‧‧電流源
I2‧‧‧電流源
R‧‧‧電阻器
SW1‧‧‧開關
SW2‧‧‧開關
SW3‧‧‧開關
SW4‧‧‧開關
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是更加詳細地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，其係耦接至圖1的超音波換能器。 圖3是描繪根據本申請案之一非限制性的實施例的一超音波信號接收電路鏈，其係包含一單端TIA以及複數個接在該TIA之後的類比信號處理級，其中該些各種的級的電壓擺幅係被描繪。 圖4是描繪根據本申請案之一非限制性的實施例的一類比至數位轉換器(ADC)驅動器，其係具有一超級源極隨耦器的配置。 圖5是描繪一單端TIA的一非限制性的例子，其係具有在一共源極輸入級以及一源極隨耦器之間的交流(AC)耦合。 圖6是描繪一單端TIA的一非限制性的例子，其係具有一耦接一共源極輸入級至一源極的洩流(bleeder)電路。 圖7是描繪一單端TIA的一非限制性的例子，其係具有一輸入電晶體的背閘極(backgate)電壓控制。

Claims (23)

  1. 一種超音波設備，其係包括： 一超音波換能器； 一單端跨阻抗放大器(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。
  2. 如請求項1所述之超音波設備，其進一步包括一耦接在該超音波換能器以及該單端TIA的該輸入端子之間的開關。
  3. 如請求項1所述之超音波設備，其中該超音波換能器是一第一超音波換能器，並且該單端TIA是一第一單端TIA，並且其中該超音波設備係包括含有該第一超音波換能器的複數個超音波換能器、以及複數個耦接至該個別的超音波換能器的個別的單端TIA，該複數個個別的單端TIA係包含該第一單端TIA，其中該超音波設備進一步包括一平均電路，其係具有一耦接至該複數個個別的單端TIA的輸入。
  4. 如請求項3所述之超音波設備，其進一步包括一濾波器以及一時間增益補償(TGC)電路，該濾波器係電性耦接在該平均電路以及該TGC電路之間。
  5. 如請求項4所述之超音波設備，其進一步包括一類比至數位轉換器(ADC)，其係耦接至該TGC電路的一輸出端子。
  6. 如請求項5所述之超音波設備，其進一步包括一耦接至該ADC並且被配置以驅動該ADC的ADC驅動器，該ADC驅動器係包括一摺疊的疊接超級源極隨耦器。
  7. 如請求項5所述之超音波設備，其中該複數個個別的單端TIA係被配置以呈現一第一電壓擺幅，並且其中該TGC電路係被配置以呈現一大於該第一電壓擺幅的第二電壓擺幅。
  8. 如請求項7所述之超音波設備，其中該第二電壓係大於該第一電壓擺幅的1.5到5倍之間。
  9. 如請求項7所述之超音波設備，其中該平均電路以及濾波器係被配置以呈現一小於該第二電壓擺幅的電壓擺幅。
  10. 如請求項9所述之超音波設備，其中該平均電路以及濾波器係被配置以呈現該第一電壓擺幅。
  11. 如請求項7所述之超音波設備，其中該複數個超音波換能器、複數個個別的單端TIA、濾波器、以及TGC電路係被形成在單一基板上。
  12. 如請求項11所述之超音波設備，其中該複數個超音波換能器是電容式微加工超音波換能器(CMUT)。
  13. 如請求項1所述之超音波設備，其中該單端TIA係包括一耦接至一源極隨耦器的共源極電路。
  14. 一種超音波電路，其係包括： 一超音波換能器；以及 複數個類比處理級，其係耦接至該超音波換能器的一輸出，並且包含一類比處理級，其係被配置以呈現一比該複數個類比處理級的其它類比處理級更大的電壓擺幅。
  15. 如請求項14所述之超音波電路，其中被配置以呈現一更大的電壓擺幅的該一類比處理級是一時間增益補償(TGC)電路。
  16. 如請求項15所述之超音波電路，其中該TGC電路是在一類比至數位轉換器(ADC)之前的最後一個類比處理級。
  17. 如請求項14所述之超音波電路，其中被配置以呈現一更大的電壓擺幅的該一類比處理級是在一類比至數位轉換器(ADC)之前的最後一個類比處理級。
  18. 如請求項14所述之超音波電路，其中該複數個類比處理級係包括一單端跨阻抗放大器。
  19. 如請求項14所述之超音波電路，其進一步包括一類比至數位轉換器(ADC)以及一耦接至該複數個類比處理級的一最後一個類比處理級的ADC驅動器，該ADC驅動器係包括一摺疊的疊接超級源極隨耦器。
  20. 一種超音波電路，其係包括： 一超音波換能器； 一放大器，其係具有一耦接至該超音波換能器的輸入端子；以及 一時間增益補償(TGC)電路，其中該放大器係電耦接在該超音波換能器與該TGC電路之間，並且 其中該放大器係被配置以呈現一第一電壓擺幅，並且該TGC電路係被配置以呈現一大於該第一電壓擺幅的第二電壓擺幅。
  21. 如請求項20所述之超音波電路，其中該放大器是一單端跨阻抗放大器(TIA)。
  22. 如請求項21所述之超音波電路，其中該單端TIA係包括一耦接至一源極隨耦器的共源極電路。
  23. 如請求項20所述之超音波電路，其進一步包括一電性耦接在該TGC的下游的類比至數位轉換器(ADC)驅動器，該ADC驅動器係包括一摺疊的疊接超級源極隨耦器。
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