用於控制動態雙向高壓模擬開關的電路和方法以及具有這種電路的超聲檢查裝置的製作方法
2023-10-18 11:10:39 4
專利名稱：用於控制動態雙向高壓模擬開關的電路和方法以及具有這種電路的超聲檢查裝置的製作方法
發明
背景技術：
領域本發明一般涉及用於控制一種開關的電路和方法。具體地說，本發明涉及一種用於控制動態的雙向高壓模擬開關的電平移動器。本發明還涉及一種具有這種電路和開關的並和超聲檢查設備相連的掃描頭。
背景技術：
在超聲成像應用中，通常在掃描頭中利用開關，以便減少同軸電纜的數量。為了使所述開關和在下面的電子裝置具有最佳的性能，必須考慮各種因素。例如，重要的是，每個開關電晶體的柵源電壓是恆定的，以便使所述開關在導通期間具有高的線性度。這確保對圖像質量有害的信號失真最小。
以前，進行過許多嘗試來實現用於控制開關的不同的系統。在Janutka的美國專利4500802和Weir的美國專利4595847中說明了兩個這種例子。不過，現有的開關系統中還沒有動態的並能夠實現和開關狀態(即導通和截止)無關的零直流偏流的開關系統。
具體地說，現有技術中還沒有利用開關電晶體的柵極上的電荷使開關保持導通(即只要使開關初始導通，便不需要電流使開關保持導通)，同時阻止開關中的電壓耗散的技術。
此外，隨著電子裝置的尺寸不斷縮小，越來越需要生產較小的電子元件。不過，現有的產品還不能提供一種能夠達到高壓(例如200V)同時佔據較小的矽面積(例如50％)的開關。此外，現有的產品還不能提供一種能夠達到500V的開關，用於適用於超聲電子設備的配置中。此外，現有技術還不能提供一種需要較低電壓的正電源(例如5V與/或12V)的用於控制開關的操作的系統。與此相反，現有的控制系統一般需要和通過開關的電壓同數量的電壓(例如+100V)。
由上述可見，需要一種開關電路和方法，藉以使
1).所述開關可以達到較高的電壓(例如500V)，同時佔據合適的矽面積，以便於超聲應用；以及2).所述開關可以達到可利用的電壓(例如200V)，同時佔據較小的矽面積(例如50％)。
此外，需要一種動態的並且能夠和開關的導通或截止無關地實現零直流偏流的電路和方法。這將使得開關能夠利用開關電晶體柵極上的電荷保持導通，同時當電晶體一旦帶電時，能夠阻止電晶體消耗功率。
還需要一種能夠使開關電晶體上的柵極-源極電壓保持恆定，從而減小任何非線性的電路和方法。
發明概述本發明通過提供一種用於控制動態的雙向高壓模擬開關的電路和方法克服了現有系統的缺點。具體地說，本發明的電路和方法包括開關和用於控制所述開關的電平移動器。所述電平移動器一般包括電壓源，高的負電壓源，輸入端，電晶體和二極體。其中，所述電路和方法共同提供(1)使得能夠實現和開關狀態無關的零直流偏流的動態電路；(2)恆定的柵極-源極電壓；(3)增加的開關電壓，同時減小佔據的矽表面積；以及(4)用於驅動電路的較低的電壓源。
按照本發明的第一個方面，提供一種用於控制開關的電路。所述電路包括(1)電平移動器，其中所述電平移動器包括(a)和一個開關線耦聯的第一電平電晶體；(b)位於所述第一電平電晶體和所述開關線之間的二極體；(c)和一個電流反射鏡相連的第二電平電晶體，其中所述電流反射鏡和所述開關線耦聯；以及(2)和所述開關線耦聯的開關，其中所述電平移動器控制所述開關。
按照本發明的第二方面，提供一種用於控制動態的雙向高壓模擬開關的電路。所述電路包括(1)電平移動器，其包括(a)和一個開關線耦聯的第一電平電晶體；(b)和所述第一電平電晶體耦聯的第一輸入端；(c)被耦聯在所述第一電平電晶體和所述開關線之間的二極體；(d)和一個電流反射鏡相連的第二電平電晶體，其中所述電流反射鏡和所述開關線耦聯；(e)和所述第二電平電晶體耦聯的第二輸入端；以及(2)動態的雙向高壓模擬開關，其包括(a)第一開關電晶體；(b)和所述第一開關電晶體耦聯的開關輸入端；(c)和所述第一開關電晶體耦聯的第二開關電晶體；(d)和所述第二開關電晶體耦聯的開關輸出端；以及(e)被耦聯在第一和第二開關電晶體之間的齊納二極體。
按照本發明的第三方面，提供一種利用電平移動器控制具有齊納二極體和多個開關電晶體的雙向開關的方法。所述方法包括以下步驟(1)把電平移動器的第一輸入端設置為接近0V，其中所述第一輸入端被耦聯到第一電平電晶體；(2)把電平移動器的第二輸入端設置為接近12V，其中所述第二輸入端被耦聯到第二電平電晶體；(3)從電壓源經過第一電平電晶體和電平移動器的二極體到雙向開關通過一個控制信號；(4)利用所述控制信號對所述齊納二極體和開關電晶體充電；(5)當所述齊納二極體超過開關電晶體的一個門限電壓時，從開關輸入端到開關輸出端通過一個開關信號；以及(6)當所述開關電晶體的柵極電位達到預定的電位時，產生所述控制信號。
因此，本發明提供一種用於控制動態的雙向高壓模擬開關的電路和方法。本發明減少了和上述的現有系統相關的問題。
本發明的電路被有利地用於控制和超聲檢查設備相連的掃描頭中的開關。
本發明的這些和其它的特點和優點通過結合附圖對本發明的各個方面進行詳細說明將會更加清楚地看出，其中圖1表示按照本發明的電路；圖2表示當本發明的開關導通時的模擬結果曲線；圖3表示當本發明的開關截止時的模擬結果曲線；圖4表示當本發明的開關導通時示波器軌跡的曲線；圖5表示當本發明的開關截止時示波器軌跡的曲線；以及圖6表示按照本發明的方法的流程圖。
應當注意，本發明的附圖不必按照比例繪製。本發明的附圖只是示意的表示，不用於描繪本發明的特定的參數，因此，不應當認為是對本發明的範圍的限制。在附圖中，相同的標號表示相同的元件。
為清楚起見，本說明包括以下部分I.電路結構II.電路操作
III.試驗結果IV.超聲檢查設備I.電路結構現在參看圖1，其中示出了電路10，其具有電平移動器12和由開關線36相連的開關14。電平移動器12最好包括電平電晶體16，18，20，和22，二極體24，輸入端26和28，齊納二極體30，電壓源32，以及高的負電壓源34。電晶體20，22和齊納二極體30一道構成電流反射鏡23，其和開關線36相連(下面還要詳細說明)。電平電晶體16和18最好是PDMOS橫向高壓電晶體，電平電晶體20最好是NDMOS橫向高壓電晶體，電平電晶體22最好是低壓NDMOS電晶體。二極體24是高壓二極體。齊納二極體30是一個保護器件，用於保持電晶體22的地對源極和漏極對源極的電壓低於14V，並最好具有大約12V的齊納電位/電壓。輸入端28被指定為導通端，用於控制控制信號(即電流)從電壓源32通過電晶體18和二極體24流動。類似地，輸入端26是截止端，用於控制控制信號從電壓源32通過電晶體16和22流動，並控制來自高的負電壓源34的信號通過電晶體20流動。高的負電壓源34提供在操作期間開關14使其通過的最大的負電壓。在本實施例的教導下，這個電壓可以低到-250V。二極體24確保控制信號從電晶體18流到開關14，而不能反向流動。這阻止從開關14消耗功率，這在下面還要說明。電路10的配置允許電壓源32是低壓電源(例如12V)。在以前的系統中，用於控制開關14的電壓源32必須遠大於12V。這個要求增加了電路的成本。開關14最好是動態的雙向的高壓模擬開關，其包括開關電晶體38和40(最好是源-源連接的)，和齊納二極體42。開關電晶體38和40最好是NDMOS橫向高壓電晶體，齊納二極體42最好具有大約12V的齊納電位/電壓。開關14是動態的，因為其不需要電流(即信號流)便可保持導通，而只在使開關14初始導通時需要電流。此外，因為開關14是雙向的，通過開關14的信號可以從開關端子A44流到開關端子B 46，或者反之亦然。因而，開關端子44和46的任何一個可以作為輸入端子或輸出端子。此外，開關14被認為是高電壓的，因為其可以通過大約+250V到-250V的電壓。應當理解，雖然開關14和電平移動器12由特定的元件表示，但是可以具有其它的改型。例如，開關14可以包括附加的開關電晶體。此外，應當理解，雖然開關14最好是動態的雙向高壓開關，但是，按照本發明的教導也可以控制其它類型的開關。例如，開關14可以不是動態的高壓與/或雙向開關。
II.電路操作上述的電路10將以下述方式操作。為了把開關置於低阻抗方式(即導通)，輸入端ON 28被設置為0V，而輸入端OFF 26被設置為12V。控制信號(即電流)將從電壓源32經過電平電晶體18和二極體24通過開關線36流入開關14，並開始對開關電晶體38和40以及齊納二極體42的寄生電容(即柵極37和41)「充電」。當充電發生時，設置為12V的OFF輸入端26阻止控制信號從電壓源32經過電平電晶體16，20和22流動。此外，在電平電晶體20的柵極21的電壓被設置為其門限電壓(例如Vt＝2.5V)。
一旦齊納二極體42的電位超過開關電晶體38和40的門限電壓(例如Vt＝2.5V)，便能夠使信號從開關輸入端A 44經過開關電晶體38和40流向開關輸出端B 46(或者反之亦然，因為開關14是雙向的)。因而，開關電晶體38和40的源極39和43以及開關輸出端B 46將升高到開關輸入端A 44的電位。當源極39和43達到在開關輸入端A 44的電位時，通過電平電晶體18和二極體24的電流將對齊納二極體42和開關電晶體38和40的柵極37和41充電到大約12V的電壓(例如齊納電位)。一旦柵極37和41達到這個電壓，電平電晶體18的漏極-源極的電位將等於0V，並且控制信號將停止流過。因而，在電路10中將沒有電流流過，從而把功率消耗減少到0。此時，開關14處於低阻抗方式，並且不再需要電流來維持這種方式。
然後如果對開關輸入端A 44施加一個正電壓開關信號，則源極39和43，柵極37和41，以及開關輸出端B 46將跟隨開關輸入端A 44。具體地說，來自開關輸入端A 44的開關信號將流經開關電晶體38和40到達開關輸出端B 46。此外，因為二極體24被反向偏置，開關電晶體39和43的寄生柵極電容將保持其電荷(即12V)，因而保持線性度(即開關14是動態的)。可以施加到開關輸入端A 44的最大正電壓等於二極體24可以維持的最大電壓。
如果負電壓開關信號加於開關輸入端A 44，則源極39和43，柵極37和41，以及開關輸出端B 46將同樣跟隨開關輸入端A 44。不過，在這種情況下，控制信號將從電壓源32通過電平電晶體18，二極體24，和齊納二極體42流動。齊納二極體42將保持開關電晶體38和40的柵極-源極電位為齊納電位(即大約12V)。因而，和正電壓施加於開關輸入端A 44類似，開關電晶體38和40的柵極-源極的電位保持恆定(例如12V，在這種情況下)。此時在電路10中的任何電流可以通過開關端子A 44或B 46流出。為了把開關14置於高阻抗方式(即OFF)，輸入端ON 28被設置為12V，輸入端OFF 26被設置為0V。此時控制信號將從電壓源32並通過電平電晶體16和22流動。因為電平電晶體20的柵極21和電平電晶體22相連，一個高的負電壓將從高的負電壓源34通過電平電晶體20和開關線36到達開關14。不過，因為輸入端ON 28被設置為12V，因而沒有信號從其中流過。通過電平電晶體20的高的負電壓將對開關電晶體38和40的寄生柵極電容放電。當開關電晶體38和40的柵極-源極的電位等於開關電晶體38和4 0的門限電壓(例如Vt＝2.5V)時，開關14處於高阻抗方式(即OFF)。高的負電壓將通過電平電晶體20和齊納二極體42繼續放電開關電晶體38和40的寄生電容。當源極39和43以及柵極37和41的電位達到大約-250V的高的負電壓(Vnn)時，控制信號將停止通過電平電晶體20流動。在這種方式下，開關14可以阻斷在開關端子A 44和B 46的信號。此時，可以施加於開關端子A 44或B 46的最大的正電壓取決於電壓開關電晶體38和40可以維持的最大漏極-源極電壓。相反，可以提供給開關端子A 44或B 46的最小電壓等於Vnn(-250V)。
在開關14處於高阻抗方式，並且小於大約1V的電壓峰值出現在開關端子A 44或B 46上的情況下，這是在超聲應用的接收期間的一般情況，輸入端OFF 26和輸入端ON 28可以被設置為12V。此時，控制信號將停止通過電平電晶體16和22流動，並且電平電晶體20的柵極電位將下降，因而，把電平電晶體20置於高阻抗。因為現在沒有使開關電晶體38和40的寄生電容放電的通路，它們將保持在高阻抗方式。此外，因為在電路10中沒有任何信號(即電流)流過，功率消耗被減少到0。
如上所述，應當理解，雖然開關端子A 44和B 46被分別表述為輸入和輸出，但是這些端子可以被倒置。具體地說，開關端子B46可以是輸入端子，而開關端子A 44可以是輸出端子。此外，通過電平移動器12的控制信號大約為12V。不過，應當理解，根據電平電晶體16和18的尺寸，也可以應用其它電壓。
III.實驗結果現在參看圖2，其中示出了在開關導通時的模擬結果的曲線圖50。具體地說，曲線圖50以電壓對於用微秒表示的時間表示電晶體響應的兩條曲線60和70。曲線60表示在電路的開關輸入端的瞬態響應，而曲線70表示在開關輸出端的瞬態響應。可以看出，當本發明的開關接通時，在開關輸入端的瞬變響應和在開關輸出端的瞬變響應幾乎相同。這種線性度是由開關電晶體的恆定的柵極-源極電壓提供的，這是以前的系統中沒有的。
圖3表示在開關被切斷時的模擬結果的曲線圖80。和上面類似，曲線圖80包括兩條曲線90和100，根據電壓對時間表示電路的瞬變響應。曲線90表示在開關輸入端的瞬變響應，而曲線100表示在開關輸出端的瞬變響應。如圖所示，當開關被切斷時，上述的高阻抗方式阻止開關信號從輸入端通過到達開關的輸出端。
圖4表示當開關接通時的示波器軌跡的曲線圖100。和上述的曲線圖類似，曲線圖100根據電壓對時間表示兩條曲線120和130。曲線120表示在開關輸入端的電壓，而曲線130表示在開關輸出端的電壓。由於本發明的電路結構(即電平移動器及其對開關的控制)，在開關輸入端和開關輸出端的示波軌跡近乎相同。
參見圖5，可以看出，該圖不是開關切斷時的情況。具體地說，圖5表示當開關切斷時的示波器軌跡的曲線圖140。觀察曲線150和160可以看出，在開關輸出端的電壓160比開關輸入端150的電壓相當平，這表示開關的高阻抗方式阻斷了開關信號。當開關處於圖5所示的OFF狀態時，這是需要的。
現在參見圖6，其中示出了方法200的流程圖。方法的第一步202用於把電平移動器的第一輸入端設置為大約0V，其中所述第一輸入端和第一電平電晶體相連。第二步204用於把電平移動器的第二輸入端大約設置為12V，其中所述第二輸入端和第二電平電晶體相連。方法200的第三步206用於使一個控制信號從電壓源通過第一電平電晶體和電平移動器的二極體到達雙向開關。第四步208用於利用所述控制信號充電齊納二極體和開關電晶體。第五步210用於當齊納二極體超過開關電晶體的門限電壓時使開關信號從開關輸入端通過到達開關輸出端。方法200的第六步212用於當開關電晶體的柵極電位達到預定的電位時使控制信號停止。
本發明的優選實施例的上述的說明只是用於說明的目的。這些不是窮舉的，不用於把本發明精確地限定於所述的形式，並且，顯然，可以具有許多改變和改型。對於本領域普通技術人員是顯而易見的這些改變和改型應當包括在由所附權利要求限定的本發明的範圍內。
IV.超聲檢查設備超聲診斷成像系統能夠以完全不侵入的方式成像和測量人體內的生理組織。超聲波從皮膚的表面被傳輸到體內，並從體內的組織和細胞反射。反射的回波由掃描頭的超聲傳感器接收，並被處理從而產生組織的圖像或者血流的測量。藉以使得不用幹預病人的身體便可以診斷。所述掃描頭配備有動態的雙向高壓模擬開關。這種開關由上述的電路有利地控制。本發明的電路最適合於控制動態的高壓模擬開關，例如在超聲檢查設備的掃描頭中所需的那種開關。因為，在超聲檢查處理期間，發射階段需要高電壓，而接收階段涉及由回波的小的改變產生的非常低的信號，這些信號要被施加到非常靈敏的放大器，所以需要一個控制開關用於從發射階段轉換到接收階段。本發明的電路有利地用於從發射傳感器元件的啟動轉換到接收傳感器元件的啟動。本發明的電路還保證每個開關電晶體的柵極-源極電壓恆定，以便使開關在導通期間具有高的線性度。這使得信號失真最小，從而改進超聲設備的圖像質量。這種電路還能夠使得電元件佔據的空間最小，以便使掃描頭的體積最小。本發明的電路還通過使在掃描頭中的電纜佔據的空間最小，進一步使掃描頭的尺寸最小。接收通道的數量可以比傳感器元件的數量少得多。通過使用數量等於接收通道的數量的電纜，使電纜的數量減到最少。
本發明還提供一種具有配備有由本發明的電路控制的動態的高壓模擬開關的掃描頭的超聲波檢查設備。
權利要求
1.一種用於控制一種開關的電路，包括電平移動器，其中所述電平移動器包括和一個開關線耦聯的第一電平電晶體；位於所述第一電平電晶體和所述開關線之間的二極體；和一個電流反射鏡相連的第二電平電晶體，其中所述電流反射鏡和所述開關線耦聯；以及和所述開關線耦聯的開關，其中所述電平移動器控制所述開關。
2.如權利要求1所述的電路，其中所述第一和第二電平電晶體是PDMOS橫向高壓電晶體。
3.如權利要求1所述的電路，其中所述電流反射鏡包括第三和第四電平電晶體，並且所述第三電平電晶體是低壓NDMOS電晶體，第四電平電晶體是NDMOS橫向高壓電晶體。
4.如權利要求1所述的電路，其中所述開關是動態的雙向高壓模擬開關，其包括第一開關電晶體，第二開關電晶體，齊納二極體，開關輸入端和開關輸出端。
5.如權利要求1-4之一所述的電路，其中所述電平移動器還包括和所述第一電平電晶體相連的第一輸入端；以及和所述第二電平電晶體相連的第二輸入端。
6.如權利要求1-5之一所述的電路，其中所述電平移動器還包括用於向所述第一和第二電平電晶體提供控制信號的電壓源；以及用於向所述電流反射鏡和所述開關提供高的負電壓的高的負電壓源。
7.如權利要求1-6之一所述的電路，用於控制動態的雙向高壓模擬開關，包括電平移動器，其中所述電平移動器包括和一個開關線耦聯的第一電平電晶體；和所述第一電平電晶體耦聯的第一輸入端；被耦聯在所述第一電平電晶體和所述開關線之間的二極體；和一個電流反射鏡相連的第二電平電晶體，其中所述電流反射鏡和所述開關線耦聯；和所述第二電平電晶體耦聯的第二輸入端；以及動態的雙向高壓模擬開關，其包括第一開關電晶體；和所述第一開關電晶體耦聯的開關輸入端；和所述第一開關電晶體耦聯的第二開關電晶體；和所述第二開關電晶體耦聯的開關輸出端；以及被耦聯在第一和第二開關電晶體之間的齊納二極體。
8.如權利要求7所述的電路，其中所述第一和第二電平電晶體是PDMOS橫向高壓電晶體。
9.如權利要求7所述的電路，其中所述第一和第二電平電晶體是NDMOS橫向高壓電晶體。
10.如權利要求7-9之一所述的電路，其中所述電流反射鏡包括第三電平電晶體，第四電平電晶體，以及第二齊納二極體，並且其中所述第三電平電晶體是低壓NDMOS電晶體，第四電平電晶體是NDMOS橫向高壓電晶體。
11.如權利要求7-10之一所述的電路，其中所述電平移動器還包括用於向所述第一和第二電平電晶體提供控制信號的電壓源；以及用於向所述電流反射鏡和所述開關提供高的負電壓的高的負電壓源。
12.一種利用電平移動器控制具有齊納二極體和多個開關電晶體的雙向開關的方法，所述方法包括以下步驟把電平移動器的第一輸入端設置為接近0V，其中所述第一輸入端被耦聯到第一電平電晶體；把電平移動器的第二輸入端設置為接近12V，其中所述第二輸入端被耦聯到第二電平電晶體；從電壓源經過第一電平電晶體和電平移動器的二極體到雙向開關通過一個控制信號；利用所述控制信號對所述齊納二極體和開關電晶體充電；當所述齊納二極體超過開關電晶體的一個門限電壓時，從開關輸入端到開關輸出端通過一個開關信號；以及當所述開關電晶體的柵極電位達到預定的電位時，產生所述控制信號。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述開關電晶體的柵極對源極的電壓是恆定的。
14.如權利要求12或13所述的方法，還包括以下步驟把所述第一輸入端設置為大約12V；把第二輸入端設置為大約0V；以及從所述電平移動器到所述開關通過一個負電壓。
15.如權利要求12到14之一所述的方法，其中所述通過控制信號的步驟包括從所述電平移動器到所述開關電晶體和齊納二極體通過控制信號。
16.如權利要求15所述的方法，還包括當低的電壓開關信號被提供給開關輸入時把兩個輸入端設置為大約12V。
17.一種用於超聲檢查設備的掃描頭，具有超聲傳感器，用於從人體的組織的表面向體內發送超聲波，並接收從體內的組織和細胞反射的回波，包括動態的雙向高壓模擬開關，其被按照權利要求1到11之一所述的電路控制。
18.一種超聲檢查設備，用於人體內的生理組織，包括具有超聲傳感器的掃描頭，用於從人體的組織的表面向體內發送超聲波，並接收由體內的組織和細胞反射的回波，並包括用於處理由掃描頭的超聲傳感器接收的反射的回波的裝置，從而產生所述組織和細胞的圖像，或者產生關於人體生理的測量，其中所述掃描頭具有由按照權利要求1到11之一所述的電路控制的動態的雙向高壓模擬開關。
全文摘要
本發明提供了一種用於控制開關的電路和方法。具體地說，本發明的電路和方法提供一種用於控制動態的雙向高壓模擬開關的電平移動器。所述電平移動器一般包括電晶體，輸入端，電壓源，高的負電壓源，和二極體。所述電平移動器的結構使得開關能夠在沒有電流/信號的情況下保持ON狀態，從而阻止電平移動器的電晶體的功率消耗，並對開關電晶體提供恆定的柵極－源極電壓，以便改善精度。所述電路被有利地用於和超聲檢查設備相連的掃描頭中。
文檔編號H03K17/0412GK1459145SQ02800745
公開日2003年11月26日 申請日期2002年3月18日 優先權日2001年3月20日
發明者B·杜福爾特 申請人:皇家菲利浦電子有限公司