DE10208483A1

DE10208483A1 - Verstärkereinrichtung mit wählbarer aktiver oder passiver Betriebsweise sowie Ultraschall-Gerät

Info

Publication number: DE10208483A1
Application number: DE10208483A
Authority: DE
Inventors: Ralph Oppelt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: US6844778B2; US20030160652A1; DE10208483B4

Abstract

Die Verstärkereinrichtung umfasst ein zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss (A1, A2) innerhalb eines ersten Signalpfads (P1) angeordnetes aktives Verstärkerelement (100). In dem Verstärkerelement (100) wird ein am ersten Anschluss (A1) eingespeistes Signal (S1) verstärkt. Weiterhin enthalten sind Steuerungsmittel (200) zur variablen Betriebsführung des Verstärkerelements (100) sowie ein parallel zum ersten Signalpfad (P1) angeordneter passiver zweiter Signalpfad (P2), der den ersten Signalpfad (P1) überbrückt. Das Ultraschall-Gerät enthält eine derartige Verstärkereinrichtung (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkereinrichtung zur Verstärkung eines Signals, die mindestens ein zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss innerhalb eines ersten Signalpfads angeordnetes aktives Verstärkerelement, das ein am ersten Anschluss eingespeistes Signal verstärkt, und Steuerungsmittel zur variablen Betriebsführung des Verstärkerelements umfasst. Eine solche Verstärkereinrichtung ist aus der DE 199 16 902 A1 bekannt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Ultraschall-Gerät, in dem die Verstärkereinrichtung zum Einsatz kommt.

Eine Verstärkereinrichtung wird in vielen technischen Geräten verwendet. Ein Beispiel hierfür ist ein Puls-Echo-Gerät in Form eines Radar-Geräts, eines Sonar-Geräts oder auch eines Ultraschall-Geräts. Bei einem derartigen Puls-Echo-Gerät wird jeweils ein Sendesignal mit sehr hoher Signalamplitude über einen entsprechend ausgebildeten Wandler in ein zu untersuchendes Medium, beim Radar-Gerät in einen Luftüberwachungsraum, beim Sonar-Gerät in einen Wasserüberwachungsraum und beim Ultraschall-Gerät z. B. in einen menschlichen Körper, eingestrahlt. Ein Empfangssignal, das durch Reflexion in dem zu untersuchenden Medium entsteht, wird detektiert und nach einer entsprechenden Verstärkung ausgewertet. Ein solches Empfangssignal bildet beispielsweise das in die Verstärkereinrichtung eingespeiste Signal.

Bei einem Ultraschall-Gerät weist ein Empfangssignal, das auf eine oberflächennahe Reflexion in dem zu untersuchenden menschlichen Körper zurückzuführen ist, eine relativ hohe Signalamplitude auf. Aufgrund einer starken Gewebedämpfung hat dagegen ein Empfangssignal, das durch Reflexion an einer tieferen Gewebeschicht entstanden ist, eine sehr kleine Signalamplitude. Um auch einen tief im Gewebe liegenden Bereich noch gut abbilden zu können, wird von einer Verstärkereinrichtung ein gutes Rauschverhalten gefordert. Dies bedeutet, dass die Verstärkereinrichtung rauscharm und rauschangepasst ausgeführt sein sollte.

In der DE 199 16 902 A1 wird eine Verstärkereinrichtung beschrieben, die mittels einer an die erwartete Signalamplitude des Empfangssignals angepasste Arbeitspunkteinstellung des verwendeten Halbleiterverstärkers wahlweise eine verzerrungs- oder eine rauschoptimierte Betriebsweise ermöglicht. Wenn ein Empfangssignal mit einer hohen Signalamplitude, d. h. also ein Reflexionssignal aus einem oberflächennahen Bereich des zu untersuchenden Mediums, erwartet wird, arbeitet die offenbarte Verstärkereinrichtung verzerrungsoptimiert. Wird dagegen ein Empfangssignal mit einer niedrigen Signalamplitude, d. h. also ein Reflexionssignal aus einem tiefer im zu untersuchenden Medium gelegenen Bereich, erwartet wird, arbeitet die offenbarte Verstärkereinrichtung rauschoptimiert. Der Übergang zwischen den beiden Betriebszuständen erfolgt mittels einer Veränderung der dem Halbleiterverstärker zur Arbeitspunkteinstellung zugeführten Gleichspannungssignale.

Als Schallsender und -empfänger kommt in einem derartigen Ultraschall-Gerät üblicherweise ein piezoelektrischer Schallwandler zum Einsatz. Das im Empfangsfall geltende elektrische Ersatzschaltbild eines solchen piezoelektrischen Schallwandlers ist im wesentlichen durch eine parallel zum Schallwandlerausgang liegende Kapazität gekennzeichnet. Um den Einfluss dieser Parallelkapazität auf den Frequenzgang zu kompensieren, wird derzeit eine Verstärkereinrichtung, wie sie in dem Fachbuch "Piezoxide-Wandler" von J. Koch, 1973, Valvo GmbH Hamburg, Seiten 157 und 158 oder auch der US 4,285,010 beschrieben ist, eingesetzt. Bei dieser Verstärkereinrichtung wird der Einfluss der Parallelkapazität des Schallwandlers durch eine in Serie oder parallel zum Schallwandlerausgang geschaltete Induktivität zumindest teilweise ausgeglichen.

Die bekannten Verstärkereinrichtungen werden manchmal zusammen mit dem Schallwandler zu einer einzigen Baueinheit integriert. Man spricht dann auch von einem sogenannten aktiven Schallwandler oder aktiven Wandlerkopf, da die Baueinheit neben dem eigentlichen Schallwandler mit der Verstärkereinrichtung auch eine aktive, d. h. eine eine Energieversorgung benötigende, Komponente enthält. Der Schallwandler selbst ist rein passiv. Er kommt ohne gesonderte Energieversorgung aus. Die integrierte Verstärkereinrichtung bietet zwar den Vorteil einer möglichst ursprungsnahen Signalaufbereitung, stellt aber auch im Hinblick auf eine gute Integrationsfähigkeit eine eigentlich unerwünschte Wärmequelle dar.

Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Verstärkereinrichtung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die eine reduzierte Wärmeentwicklung und damit eine verbesserte Integrationsfähigkeit aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Verstärkereinrichtung zur Verstärkung eines Signals entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben.

Die erfindungsgemäße Verstärkereinrichtung ist gekennzeichnet durch einen parallel zum ersten Signalpfad angeordneten passiven zweiten Signalpfad, der den ersten Signalpfad überbrückt.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die Leistungsaufnahme und damit auch die Wärmeentwicklung der Verstärkereinrichtung erheblich reduziert werden kann, indem das Verstärkerelement im ersten Signalpfad nur dann über die Steuerungsmittel aktiviert wird, wenn das am ersten Anschluss anstehende Signal eine niedrige Signalamplitude aufweist und somit einer Verstärkung bedarf. In allen anderen Fällen kann das Verstärkerelement dagegen deaktiviert, d. h. ausgeschaltet werden. Im Verstärkerelement fließen dann keine Ruheströme und die Leistungsaufnahme geht auf Null zurück. Damit bei einem dermaßen deaktivierten Verstärkerelement das am ersten Anschluss anstehende Signal dennoch sicher zum zweiten Anschluss übertragen und nicht durch das deaktivierte Verstärkerelement gesperrt wird, ist ein dem ersten Signalpfad parallelgeschalteter zweiter Signalpfad vorgesehen. Der zweite Signalpfad enthält im Gegensatz zum ersten Signalpfad keinerlei aktive Schaltungselemente. Er ist rein passiv und führt damit zu keiner durch eine Energieversorgung bedingten Erwärmung der Verstärkereinrichtung.

Je nach anstehendem Signal wird die Verstärkereinrichtung also entweder aktiv oder passiv betrieben. Dabei kann man sich das oftmals vorhandene Wissen über den prinzipiellen Verlauf der maximalen Amplitude des anstehenden Signals zu Nutze machen. Der Betriebsmodus der Verstärkereinrichtung lässt sich somit mittels der Steuermittel jederzeit an die erwartete aktuelle maximale Signalamplitude anpassen. Aufgrund des Wissens über den prinzipiellen Signalverlauf ist diese Anpassung auch ohne laufende Messung der Signalamplitude während des normalen Verstärkerbetriebs möglich. Die Steuerung des Betriebsmodus ist also automatisch, insbesondere ohne Zuhilfenahme eines aktuellen Messwerts, also messwertfrei, möglich.

Der zusätzlich vorgesehene zweite Signalpfad ermöglicht selbst dann eine Deaktivierung des Verstärkerelements, wenn am ersten Anschluss ein Signal ansteht. Aufgrund der nicht gegebenen Signalübertragung bei deaktiviertem Verstärkerelement wäre dies bei einer herkömmlichen Verstärkereinrichtung ohne einen zweiten Signalpfad nicht möglich. Die somit über weite Phasen mögliche passive Betriebsweise führt zu einer erheblich reduzierten Leistungsaufnahme und Erwärmung der Verstärkereinrichtung. Dadurch verbessert sich die Integrationsfähigkeit deutlich.

Die Umschaltung zwischen aktivem und passivem Betriebszustand kann insbesondere stufenlos erfolgen, so dass ein Schwellwerteffekt oder auch ein Einschaltvorgang komplett oder zumindest weitgehend unterdrückt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verstärkereinrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Vorzugsweise ist die Verstärkereinrichtung als Sende-/Empfangsverstärkereinrichtung ausgebildet. Insbesondere sind dabei sowohl der erste als auch der zweite Signalpfad jeweils für eine erste Signalrichtung ausgebildet. Bei einer Sende-/Empfangsverstärkereinrichtung ist dies die Richtung des Empfangssignals.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Verstärkereinrichtung neben dem ersten und dem zweiten Signalpfad einen weiteren, ebenfalls parallelgeschalteten Signalpfad. Dieser dritte Signalpfad ist dann insbesondere für eine zweite Signalrichtung vorgesehen, die entgegengesetzt zur ersten Signalrichtung orientiert ist. Bei einer Sende-/Empfangsverstärkereinrichtung entspricht diese zweite Signalrichtung der des Sendesignals. Je nach Ausführungsform können der erste und der dritte Signalpfad entweder kombiniert sein, d. h. zumindest teilweise die gleichen Komponenten aufweisen, oder auch komplett getrennt voneinander aufgebaut sein.

Günstig ist eine weitere Variante, bei der der dritte Signalpfad ein Überbrückungselement enthält. Vorteilhafterweise ist dieses Überbrückungselement an die erwarteten stark voneinander abweichenden Signalamplituden der Signale in die erste und zweite Signalrichtung angepasst. So stellt das Überbrückungselement für Signale mit niedriger Amplitude, die beispielsweise in der ersten Signalrichtung (= Empfangsrichtung) zu übertragen sind, einen Leerlauf dar. Für Signale mit einer hohen Amplitude, die beispielsweise in der zweiten Signalrichtung (= Senderichtung) erwartet werden, stellt das Überbrückungselement praktisch einen Kurzschluss dar. Ein derartiges Überbrückungselement ist insbesondere als Diodenpaar aus zwei parallelgeschalteten und entgegengesetzt orientierten Halbleiter-Dioden realisiert.

Besonders günstig ist eine andere Ausführungsform, bei der im für die erste Signalrichtung bestimmten zweiten Signalpfad ein passives Kompensationselement vorgesehen ist. Das Kompensationselement dient dabei insbesondere dem Ausgleich eines an sich unerwünschten Einflusses der Signalquelle auf den Frequenzgang des zu verstärkenden, am ersten Anschluss anstehenden Signals. Im Falle eines Einsatzes der Verstärkereinrichtung in einem Ultraschall-Gerät ist die genannte Signalquelle üblicherweise ein piezoelektrischer Schallwandler. Dessen elektrisches Ersatzschaltbild weist als wesentliche Komponente eine Parallelkapazität am Ausgang auf. Bei bekannten Verstärkereinrichtungen wird diese Parallelkapazität durch eine am ersten Anschluss parallelgeschaltete Eingangsinduktivität kompensiert. Dies hat zur Folge, dass die Induktivität jedoch nicht nur im Empfangssaal für die niedrigen Signalamplituden des empfangenen Signals, sondern auch im Sendefall wirksam ist. Da das Sendesignal eine sehr hohe Signalamplitude aufweist, kann es sehr leicht zu einer die Signalform verzerrenden Sättigung der Induktivität kommen. Um dies zu vermeiden, wird eine derartige Induktivität üblicherweise mit einem sehr großen Bauvolumen ausgelegt. Dadurch verschlechtert sich die Integrationsfähigkeit. Es wurde erkannt, dass die bei bekannten Verstärkereinrichtungen am ersten Anschluss parallelgeschaltete Induktivität durch ein entsprechendes Kompensationselement im zweiten Signalpfad ersetzt werden kann. Da der zweite Signalpfad vorzugsweise für die erste Signalrichtung (= Empfangsrichtung) vorgesehen ist, braucht bei der Dimensionierung des Kompensationselements keinerlei Rücksicht auf die in der zweiten Signalrichtung (= Senderichtung) vorkommenden hohen Signalamplituden genommen zu werden. Es kann also insbesondere auch ein kleines Bauvolumen verwendet werden, ohne dass dadurch ein Sättigungsgefahr entstünde. Dies wirkt sich günstig auf die Integrationsfähigkeit aus. Das Kompensationselement im zweiten Signalpfad ist sowohl als Induktivität als auch als aufwendigere reaktive Impedanz, beispielsweise eine Zusammenschaltung mehrerer Induktivitäten und Kapazitäten, möglich.

Die zur Betriebsführung des Verstärkerelements vorgesehenen Steuermittel enthalten bei einer weiteren Ausgestaltung zumindest eine steuerbare Spannungsquelle. Zur Arbeitspunkteinstellung der bei der Realisierung der Verstärkereinrichtung üblicherweise eingesetzten Halbleiter-Bauelemente ist in der Regel mindestens ein Gleichspannungs- oder Gleichstromsignal erforderlich. Durch eine Veränderung dieses Gleichsignals kann der Arbeitspunkt und damit die Betriebsweise des Verstärkerelements beeinflusst werden. Insbesondere lässt sich die Verstärkereinrichtung auch deaktivieren, indem das zur Arbeitspunkteinstellung vorgesehene Gleichsignal auf Null gesetzt wird. Mittels einer steuerbaren Spannungs- und/oder Stromquelle kann also der Betriebsmodus der Verstärkereinrichtung auf einfache Weise gesteuert werden. Alternativ zu einer steuerbaren Quelle kann jedoch genauso gut eine Konstantquelle in Verbindung mit einem anderen steuerbaren Element, beispielsweise einem steuerbaren Widerstand, verwendet werden. Die Steuerungsmittel sind also insbesondere so ausgelegt, dass das Verstärkerelement aktiviert und deaktiviert, d. h. ein- bzw. ausgeschaltet werden kann.

Vorzugsweise enthält das Verstärkerelement eine als Emitterfolger aufgebaute Halbleiterschaltung. Je nach Anforderung an die Verzerrungsfreiheit und/oder die Signalqualität des verstärkten Signals kann der Emitterfolger dabei mono- oder auch bipolar ausgebildet sein. Der Verstärkungsfaktor eines solchen Emitterfolgers ist üblicherweise ≤ 1. Der Emitterfolger dient dann also weniger der Spannungsverstärkung des am ersten Anschluss anstehenden Signals, als vielmehr einer Impedanzanpassung, das heißt einer Bereitstellung einer höheren Ausgangsleistung.

Vorteilhaft wird die Verstärkereinrichtung in einem Puls- Echo-Gerät insbesondere in einem Ultraschall-Gerät oder auch in einem Radar-Gerät oder einem Sonar-Gerät verwendet. Bei einem Einsatz in einem Ultraschall-Gerät ist der eine Anschluss der Verstärkereinrichtung elektrisch an einen Schallwandler angeschlossen. Insbesondere können der Schallwandler und die Verstärkereinrichtung zumindest teilweise integriert, also als gemeinsame Baueinheit ausgeführt sein. Neben dem eigentlichen Verstärkerelement kann dann auch ein Teil der Steuerungsmittel, beispielsweise ein veränderbarer Widerstand, Bestandteil der integrierten Baueinheit sein. Weiterhin dient die Verstärkereinrichtung dann vorzugsweise als Vorverstärker für die vom Schallwandler empfangenen Echosignale. Als Untersuchungsobjekt kommt bei einem Ultraschall- Gerät der menschliche Körper oder auch ein Werkstück aus einem festen, insbesondere nichtorganischen Stoff in Betracht.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Verstärkereinrichtung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen die:
Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele eines Ultraschall- Geräts mit einer Verstärkereinrichtung,
Fig. 3 ein in der Verstärkereinrichtung der Fig. 1 und 2 eingesetztes Verstärkerelement,
Fig. 4 Vergleich der Leistungsaufnahme verschiedener Verstärkereinrichtungen.
Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein Ultraschall-Gerät 30 mit einer Verstärkereinrichtung 10, einem Schallwandler 36 und einer Sende-/Empfangseinheit 40 gezeigt. Der einseitig geerdete Schallwandler 36 ist elektrisch mit einem ersten Anschluss A1 der Verstärkereinrichtung 10 verbunden. Ein zweiter Anschluss A2 der Verstärkereinrichtung 10 ist elektrisch mit der Sende-/Empfangseinheit 40 über eine nicht näher bezeichnete Verbindungsleitung verbunden. Die Verstärkereinrichtung 10 umfasst insgesamt drei Signalpfade P1, P2 und P3, die zur Signalübertragung zwischen den beiden Anschlüssen A1 und A2 bestimmt sind. Insbesondere sind der erste und der zweite Signalpfad P1 bzw. P2 für die Empfangsrichtung und der dritte Signalpfad P3 für die Senderichtung vorgesehen. Eine Aufteilung in unterschiedliche Signalpfade für Sende- und Empfangsrichtung ist vor allem auch deshalb vorteilhaft, da die zu übertragenden Signalamplituden in beiden Richtungen sehr stark voneinander abweichen.
In der Sende-/Empfangseinheit 40 wird ein Sendesignal S0 mit einer Grundfrequenz und einer sehr hohen Signalamplitude, beispielsweise von etwa 200 V_SS, erzeugt und über die Verstärkereinrichtung 10 dem Schallwandler 36 zugeführt. Dieser transformiert das Sendesignal S0 in ein Schallsignal, das in ein nicht dargestelltes, zu untersuchendes Medium abgestrahlt wird. Bei dem zu untersuchenden Medium kann es sich im Rahmen der medizinischen Diagnose um einen menschlichen Körper oder im Rahmen der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung auch um ein Werkstück aus einem festen Material, wie z. B. einem Metallkörper, handeln.
Auf seiner Laufstrecke durch das zu untersuchende Medium wird das Schallsignal an verschiedenen Stellen reflektiert. Diese Echosignale werden vom Schallwandler 36 detektiert und in ein elektrisches Empfangssignal S1 zurückgewandelt, das am Anschluss A1 in die Verstärkereinrichtung 10 eingespeist und nach Passieren derselben als Ausgangssignal S2 über die nicht dargestellte Verbindungsleitung der Sende-/Empfangseinheit 40 zur weiteren Verarbeitung zugeführt wird.
Die Signalamplitude des Empfangssignals S1 hängt ganz wesentlich davon ab, an welcher Stelle im zu untersuchenden Medium die zugehörige Reflexion stattgefunden hat. Während ein Echosignal aus einem oberflächennahen Bereich des zu untersuchenden Mediums zu einer hohen Signalamplitude führt, bewirkt ein Echosignal aus einem tief innerhalb des zu untersuchenden Mediums liegenden Bereich aufgrund einer Streckendämpfung im zu untersuchenden Medium ein Eingangssignal S1 mit einer sehr niedrigen Signalamplitude.
Diese systembedingte Variation der Signalamplitude im Empfangssignal S1 wird in der Sende-/Empfangseinheit 40 in einem nicht dargestellten sogenannten TGC-Modul (Time Gain Control) ausgeglichen.
In der Verstärkereinrichtung 10 wird das Empfangssignal S1 jedoch zunächst beim Durchlaufen eines im ersten Signalpfad P1 angeordneten Verstärkerelements 100 vorverstärkt. Die Betriebsweise des Verstärkerelements 100 lässt sich an die beschriebene systembedingte Variation der Signalamplitude im Empfangssignal S1 anpassen. Es ist nämlich ohne zusätzliche Messung des Empfangssignals S1 grundsätzlich bereits vorab bekannt, in welcher Größenordnung sich die Signalamplitude bewegt. Demzufolge kann für die relativ hohe Signalamplitude eines oberflächennahen Echosignals eine möglichst verzerrungsarme und für eine relativ niedrige Signalamplitude eines Echosignals aus einem tief im Untersuchungsgebiet gelegenen Bereich eine im Hinblick auf ein möglichst hohes Signal- Rausch-Verhältnis optimierte Vorverstärkung eingestellt werden. Diese unterschiedlichen Betriebszustände lassen sich mittels hierfür vorgesehener Steuerungsmittel 200 einstellen, insbesondere indem ein dem Verstärkerelement 100 zugeführtes Gleichspannungs- oder Gleichstromsignal variabel angepasst wird. Dazu beinhalten die Steuerungsmittel 200 beispielsweise eine steuerbare Spannungs- oder Stromquelle oder auch eine Kombination aus einer Konstantspannungs- oder Konstantstromquelle mit einem veränderbaren Widerstandselement.
Auf welche Betriebsweise das Verstärkerelement 100 über die Steuerungsmittel 200 aktuell eingestellt wird, ergibt sich aus einer in der Sende-/Empfangseinheit 40 ablaufende Steuerungsroutine, die unter anderem eine Synchronisierung hinsichtlich des Sendezeitpunkts des Sendesignals S0 berücksichtigt. Die Steuerungsmittel 200 sind deshalb entweder elektrisch mit der Sende-/Empfangseinheit 40 verbunden oder ein integraler Bestandteil derselben.
Die Verstärkereinrichtung 10 ist zu einem Teil zusammen mit dem Schallwandler 36 in einem gemeinsamen Wandlerkopf 37 integriert. Dies ist in Fig. 1 durch den gestrichelt gezeichneten Rahmen angedeutet. Je nach Ausführungsform können die Steuerungsmittel 200 dabei auch zumindest teilweise mit in den Wandlerkopf 37 integriert sein.
Der Schallwandler 36 kann aus in Fig. 1 nicht dargestellten mehreren Einzelwandlern aufgebaut sein. Entsprechend können auch mehrere Verstärkungseinrichtungen 10, die jeweils einem Einzelwandler zugeordnet sind, vorgesehen sein. Bei der Integration in den Wandlerkopf 37 ist es dann aufgrund der engen räumlichen Verhältnisse und der damit verbundenen begrenzten Möglichkeit zur Wärmeabfuhr besonders vorteilhaft, wenn die Verstärkereinrichtung 10 sowohl platzsparend, d. h. aus wenigen Einzelelementen, als auch mit geringerer Verlustleistung realisiert ist. Bereits durch die erwähnte, an die jeweilige Signalamplitude des Empfangssignals S1 variabel angepasste Arbeitspunkteinstellung wird die Forderung nach einer niedrigen Verlustleistung zumindest in gewissem Maße erfüllt. Im Mittel fällt nämlich eine deutlich niedrigere Verlustleistung an als bei einer konstanten Arbeitspunkteinstellung, die dann entsprechend der maximal möglichen Signalamplitude des Empfangssignals S1 ausgelegt sein müsste.
Die abzuführende Verlustleistung des Verstärkerelements 100 lässt sich jedoch noch weiter reduzieren. Dazu wird das Verstärkerelement 100 auch bei Anstehen eines Empfangssignals S1 am Anschluss A1, das eine hohe Signalamplitude aufweist und somit einer Vorverstärkung nicht unbedingt bedarf, komplett deaktiviert, d. h. ausgeschaltet. Dies lässt sich über die ohnehin vorhandenen Steuerungsmittel 200 in einfacher Weise dadurch realisieren, dass die dem Verstärkerelement 100 zur Verfügung gestellten Gleichspannungs- oder Gleichstromsignale auf Null zurückgesetzt werden. Um in diesem Betriebszustand dennoch eine sichere Übertragung des Empfangssignals S1 von Anschluss A1 zu Anschluss A2 sicherzustellen, ist der zweite Signalpfad P2 vorgesehen. Mit dieser Maßnahme wird also die im Verstärkerelement 100 abzuführende Verlustleistung erheblich reduziert und damit die Integrationsfähigkeit der Verstärkereinrichtung 10 insgesamt deutlich verbessert.
Außerdem kann vorzugsweise im zweiten Signalpfad P2 zusätzlich ein Kompensationselement 150 vorhanden sein, das dem Ausgleich des kapazitiven Einflusses des Schallwandlers 36 auf den Frequenzgang des Empfangssignals S1 dient.
In Signalpfad P3 ist ein Überbrückungselement 160 vorgesehen, das für das Sendesignal S0 mit seiner sehr hohen Signalamplitude praktisch einen Kurzschluss und für das Empfangssignal S1 mit seiner deutlich niedrigeren Signalamplitude praktisch einen Leerlauf darstellt.
In Fig. 2 wird ein Ultraschall-Gerät 31 mit einer konkreten Ausführungsform 11 einer Verstärkereinrichtung 11 gezeigt. Ein Verstärkerelement 101 der Verstärkereinrichtung 11 ist als mono- oder bipolarer Emitterfolger ausgebildet. Im Signalpfad P3 enthält die Verstärkereinrichtung 11 als Überbrückungselement 160 ein Diodenpaar 161 aus zwei parallelgeschalteten entgegengesetzt orientierten Dioden 162 und 163. Je nach gewählter Knickspannung der Dioden 162 und 163 stellt das Diodenpaar 161 dann für ein Signal mit einer hohen Signalamplitude einen Kurzschluss dar. Für ein Signal mit einer niedrigeren Signalamplitude bildet das Diodenpaar 161 dagegen einen Leerlauf. Im gezeigten Beispiel liegt der Schwellwert zwischen den beiden Betriebsmodi bei etwa 2 V_SS.
Dem im Beispiel als bipolarem Emitterfolger ausgebildeten Verstärkerelement 101 wird über eine steuerbare Spannungsquelle 210 eine negative und positive Versorgungsspannung U_- bzw. U₊ zugeführt. Deren aktuelle Werte werden in der Sende- /Empfangseinheit 40 variabel je nach gewünschtem Betriebszustand des Verstärkerelements 101 eingestellt.
Weiterhin ist zwischen das Verstärkerelement 101 und den Anschluss A2 optional ein Widerstand 105 geschaltet, der zur besseren Anpassung des Ausgangswiderstandes an den Wellenwiderstand der nicht dargestellten Verbindungsleitung zur Sende-/Empfangseinheit 40 dient. Außerdem kann der Anschluss A2 mit einem weiteren optionalen Widerstand 106 als Gleichstrompfad nach Masse beschaltet sein. Der Widerstand 106 kann aber auch entfallen insbesondere, wenn im Ultraschall-Gerät 31 an anderer Stelle bereits ein Massepfad, beispielsweise in Form eines Lastwiderstands 405 am Eingang der Sende-/Empfangseinheit 40, vorgesehen ist. Der Massewiderstand 106 ist sehr hochohmig (einige kΩ), so dass er das Ausgangssignal S2 praktisch nicht belastet. Da er sich am Ausgang der Verstärkereinrichtung 11 befindet, verschlechtert er die Rauschzahl praktisch nicht.
Das im zweiten Signalpfad P2 zur Kompensation des Frequenzgangs des Schallwandlers 36 vorgesehene Kompensationselement 150 ist im Beispiel von Fig. 2 als Induktivität 151 ausgeführt. Hierbei zeigt sich ein weiterer Vorteil des zusätzlichen Signalpfads P2. Im Vergleich zu bekannten Verstärkereinrichtungen, bei denen eine Kompensationsinduktivität üblicherweise am Anschluss A1 parallel zum Schallwandler 36 geschaltet ist, entfaltet die bei der Verstärkereinrichtung 11 im zweiten Signalpfad P1 vorgesehene Induktivität 151 zum einen bei entsprechender Dimensionierung im Empfangsfall die genau gleiche Wirkung und verbessert zum anderen zusätzlich die Integrationsfähigkeit.
Eine wie beim Stand der Technik parallel zum Anschluss A1 angeordnete Kompensationsinduktivität ist nämlich relativ großvolumig auszuführen, um eine Sättigung durch das Sendesignal S0 und die damit einhergehende Verzerrung zu vermeiden. Das große Bauvolumen verschlechtert die Integrationsfähigkeit. Da der Signalpfad P2 demgegenüber nur von dem Empfangssignal S1, nicht jedoch von dem Sendesignal S0 passiert wird, kann die Induktivität 151 mit deutlich geringerem Bauvolumen ausgebildet werden, da die Gefahr der Sättigung von vornherein ausgeschlossen ist. Ein Signal mit einer großen Signalamplitude wird im dritten Signalpfad P3 übertragen. Der maximal an der Induktivität 151 anstehende Signalpegel wird durch die Knickspannung der Dioden 162 und 163 bestimmt. Er liegt im Ausführungsbeispiel wie bereits genannt bei etwa 2 V_SS.
Weiterhin ergibt sich durch die spezielle Anordnung der Induktivität 151 im zweiten Signalpfad P2 eine Bemessung des Induktivitätswerts, der verglichen mit einer Beschaltung des Anschlusses A1 mit einer vergleichbaren Kompensationsinduktivität um den Faktor (1 - V) niedriger ist. Mit V ist hierbei die Spannungsverstärkung der Verstärkereinrichtung 11 zwischen dem Anschluss A1 und dem Anschluss A2 bezeichnet. Diese errechnet sich aus der Spannungsverstärkung des als Emitterfolger ausgebildeten Verstärkerelements 101 und soweit vorhanden aus dem Spannungsteiler, der durch den Widerstand 105 und die an Anschluss A2 wirksame Kleinsignallastimpedanz gebildet ist. Im Beispiel ist die gesamte Spannungsverstärkung der Verstärkereinrichtung 11 kleiner als 1. Üblicherweise wird der Wert etwa zwischen 0,5 und 0,9 liegen. Durch die besonders günstige schaltungstechnische Anordnung der Induktivität 151 liegt der Induktivitätswert also nur bei dem 0,1- bis 0,5-fachen desjenigen Wertes, der für eine am Anschluss A1 parallel geschaltete Induktivität vorzusehen wäre.
Damit bietet die schaltungstechnische Maßnahme, den zweiten Signalpfad P2 zusätzlich vorzusehen, gleich in zweifacher Hinsicht Vorteile in Bezug auf die Integrationsfähigkeit. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da eine derartige Kompensationsinduktivität möglichst für jeden Einzelwandler des Schallwandlers 36 vorgesehen werden sollte.
Anstelle einer Induktivität 151 kann als Kompensationselement 150 auch eine aufwendigere Impedanz, beispielsweise eine Parallelschaltung einer Induktivität und einer Kapazität, vorgesehen sein. Die Ausgestaltung richtet sich hierbei in erster Linie nach den Anforderungen an die Kompensation des Schallwandlers 36. Die genannten Vorteile gelten auch für eine aufwendigere Impedanz in gleicher Weise.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verstärkerelements 100 oder 101 dargestellt, das als Gegentaktverstärker in Form eines komplementären bipolaren Emitterfolgers 102 ausgebildet ist. Er beinhaltet zwei Halbleiterbauelemente, einen pnp-Transistor 110 und einen npn-Transistor 120. Der pnp-Transistor 110 und der npn-Transistor 120 haben einen gemeinsamen Basis-Anschluss 111 sowie einen gemeinsamen über einen bipolaren Strombegrenzer 330 auf Erdpotential gelegten Kollektor-Anschluss 113. Ein Emitter-Anschluss 112 des pnp- Transistors 110 und ein Emitter-Anschluss 122 des npn-Transistors 120 sind jeweils über eine Koppelkapazität 116 bzw. 126 mit dem Anschluss A2 verbunden. Bei der Grundfrequenz stellen die Koppelkapazitäten 116 bzw. 126 praktisch einen elektrischen Kurzschluss dar. Das Empfangssignal S1 wird über den gemeinsamen Basis-Anschluss 111, der dem ersten Anschluss A1 entspricht, in den Emitterfolger 102 eingespeist. Das Ausgangssignal S2 steht am zweiten Anschluss A2 an. Die beiden Emitter-Anschlüsse 112 und 122 sind über jeweils einen Gegenkopplungswiderstand 115 bzw. 125 sowie weitere bipolare Strombegrenzer 310 bzw. 320 an die positive bzw. negative Versorgungsspannung U₊ bzw. U_- der nicht dargestellten steuerbaren Spannungsquelle 210 angeschlossen.
Mittels der beiden Versorgungsspannungen U₊ und U_- wird ein Kollektorruhestrom der beiden Transistoren 110 und 120 eingestellt. Der Kollektorruhestrom legt im wesentlichen den aktuellen Arbeitspunkt der beiden Transistoren 110 und 120 fest. Eine Variation der Versorgungsspannungen U₊ und U_- verändert den Kollektorruhestrom und damit die Arbeitspunkteinstellung. Insbesondere kann der Emitterfolger 102 durch ein Zurücksetzen der Versorgungsspannungen U₊ und U_- auf Null auch ausgeschaltet werden.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Emitterfolger 102 haben die beiden Gegenkopplungswiderstände 115 und 125 einen Wert von typischerweise 1 kΩ und die beiden Koppelkapazitäten 116 und 126 einen Wert von typischerweise 20 nF. Die beiden Koppelkapazitäten 116 und 126 sind so bemessen, dass ihr Blindwiderstand bei der niedrigsten relevanten Signalfrequenz des Empfangssignals S1 klein im Vergleich zu einer nicht gezeigten Lastimpedanz ist. Als pnp-Transistor 110 ist beispielsweise ein BFT 92 der Firma Infineon und als npn-Transistor 120 beispielsweise ein BFR 92 ebenfalls der Firma Infineon vorgesehen.
Um eine Signalübertragung in Senderichtung bei gleichzeitig uneingeschränkter Verstärkungsfunktion in Empfangsrichtung zu gewährleisten, enthält der Emitterfolger 102 die drei passiven bipolaren Strombegrenzer 310, 320 und 330. Bei einer großen Signalamplitude begrenzen diese den Strom je nach Polarität auf einen positiven oder einen negativen Begrenzungsstrom. Bei einer kleinen Signalamplitude verhalten sich die Strombegrenzer 310, 320 und 330 dagegen jeweils wie ein ohmscher Widerstand. Der Aufbau und die Wirkungsweise der bipolaren Strombegrenzer 310, 320 und 330 wird in der DE 199 16 902 A1 in Fig. 9 sowie dem zugehörigen Textteil eingehend beschrieben. Im wesentlichen handelt es sich um eine Zusammenschaltung zweier selbstleitender MOSFETs und eines ohmschen Widerstands. Da insbesondere kein Anschluss an eine elektrische Versorgungsspannung erforderlich ist, werden die Strombegrenzer 310, 320 und 330 hier auch als passiv bezeichnet.
Bei der in Empfangsrichtung anstehenden niedrigen Signalamplitude verhalten sich die Strombegrenzer 310, 320 und 330 wie de facto zusätzlich vorhandene ohmsche Widerstände. Im Fall der beiden Strombegrenzer 310 und 320 erhöht sich dadurch lediglich der für die Gegenkopplung wirksame und ansonsten durch die Widerstände 115 bzw. 125 bestimmte Widerstandswert. Am grundsätzlichen Verhalten ändert dies jedoch nichts. Bei der in Senderichtung vorliegenden hohen Signalamplitude bewirken die Strombegrenzer 310, 320 und 330 dagegen aufgrund ihres strombegrenzenden Verhaltens, dass nur ein relativ kleiner Energieanteil des Sendesignals S0 verloren geht.
Es gibt zu dem Emitterfolger 102 eine alternative Ausführungsform, die im wesentlichen wirkungsgleich ist, aber mit nur zwei bipolaren Strombegrenzern auskommt. Diese ist in Fig. 8 der DE 199 16 902 A1 sowie dem zugehörigen Textteil näher erläutert.
Der bei den Verstärkereinrichtungen 10 und 11 der Fig. 1 bzw. 2 gesondert vorgesehene dritte Signalpfad P3 dient in erster Linie der Entlastung der Basis-Emitter-Diodenstrecken der beiden Transistoren 110 und 120. Der Signalpfad P3 trägt gegebenenfalls auch in Kombination mit dem optionalen Widerstand 105 dazu bei, eine Beschädigung der Transistoren 110 und 120 durch eine sehr hohe Signalamplitude des Sendesignals S0 zu vermeiden. In Fig. 3 ist der optionale Widerstand 105 aus Gründen der einfacheren Darstellung nicht mit eingezeichnet. Grundsätzlich könnte der zur Übertragung des Sendsignals S0 vorgesehene gesonderte Signalpfad P3 jedoch auch weggelassen werden, wenn die Verstärkerelemente 100 bzw. 101 in Form des Emitterfolgers 102 ausgebildet sind und der Widerstand 105 klein bemessen oder ganz weggelassen wird.
Der Emitterfolger 102 ist nämlich auch in der Lage das Sendesignal S0 vom Anschluss A2 zum Anschluss A1 zu übertragen. Dies erfolgt über die Basis-Emitter-Diodenstrecke der beiden Transistoren 110 und 120. Der Emitterfolger 102 lässt also sowohl in Sende- als auch in Empfangsrichtung eine Signalübertragung zu und vereint damit die Funktionen des ersten und des dritten Signalpfads P1 bzw. P3 in sich.
In Fig. 4 ist ein Diagramm mit der Leistungsaufnahme verschiedener Verstärkereinrichtungen dargestellt. In dem Diagramm ist die Leistungsaufnahme in mW über der in mm angegebener Echotiefe innerhalb des Untersuchungsobjekts aufgetragen. Die Echotiefe ist unmittelbar mit der akustischen Laufzeit innerhalb des Untersuchungsobjekts korreliert. Beide Größen lassen sich ineinander umrechnen. Die in Figur gezeigten Messkurven beziehen sich auf eine Grundfrequenz von 9 MHz und auf eine Gewebedämpfung von 0,5 dB/(cm.MHz).
Die Messkurve 501 gibt die Leistungsaufnahme einer Verstärkereinrichtung wieder, die keine Steuerungsmittel 200 zur variablen Einstellung der Betriebsweise des Verstärkerelements 100 beinhaltet. Bei einer derartigen Verstärkereinrichtung ist demnach der Arbeitspunkt konstant entsprechend der höchsten Signalamplitude im Empfangssignal S1 einzustellen. Es wurde eine konstante Leistungsaufnahme von etwa 65,5 mW ermittelt.
Die Messkurve 502 gibt die Leistungsaufnahme wieder, bei der die Betriebsweise der Verstärkereinrichtung entsprechend der erwarteten maximalen Signalamplitude des Empfangssignals S1 nachgeführt worden ist. Demgemäß beginnt die Leistungsaufnahme für oberflächennahe Echosignale aufgrund der dann vorliegenden hohen Signalamplitude bei ebenfalls 65,5 mN und sinkt dann jedoch für spätere Echosignale aus der Tiefe des zu Untersuchungsobjekts auf einen Wert von etwa 0,72 mW ab. Es ergibt sich ein Mittelwert von etwa 9,3 mW.
Die Messkurve 503 wurde für eine der Verstärkereinrichtungen 10 oder 11 ermittelt, bei denen das Verstärkerelement 100 bzw. 101 während der oberflächennahen Echosignale komplett deaktiviert ist. Erst bei den Echosignalen aus der Tiefe des Untersuchungsobjekts wird das Verstärkerelement 100 bzw. 101 langsam vom ausgeschalteten Betriebszustand in den für eine niedrige Signalamplitude des Empfangssignals S1 geeigneten Betriebszustand umgeschaltet, so dass die Leistungsaufnahme auch hier den Endwert von etwa 0,72 mW erreicht. Als zeitlicher Mittelwert ergibt sich etwa 0,36 mW.
Die anhand des zusätzlichen zweiten Signalpfads P2 erzielte Verringerung in der Leistungsaufnahme und damit der erforderlichen Wärmeabfuhr wird aus der vergleichenden Zusammenstellung von Fig. 4 offenkundig. Damit und auch mit der vorteilhaften Dimensionierung des Kompensationselements 150 weisen die Verstärkereinrichtungen 10 und 11 eine deutlich verbesserte Integrationsfähigkeit gegenüber dem Stand der Technik auf. Ein weiterer Vorteil besteht außerdem darin, dass die Verstärkereinrichtungen 10 und 11 selbst bei einem Ausfall der Versorgungsspannungen U_- und U₊ oder der Verstärkerelemente 100 oder 101 weiter in der passiven Betriebsweise funktionsfähig bleiben. Diese Option besteht bei den bekannten Verstärkereinrichtungen jedenfalls nicht.

Claims

1. Verstärkereinrichtung zur Verstärkung eines Signals (S1) umfassend mindestens

a) ein zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss (A1, A2) innerhalb eines ersten Signalpfads (P1) angeordnetes aktives Verstärkerelement (100, 101, 102), das ein am ersten Anschluss (A1) eingespeistes Signal (S1) verstärkt, und

b) Steuerungsmittel (200, 210) zur variablen Betriebsführung des Verstärkerelements (100, 101, 102)

gekennzeichnet durch

a) einen parallel zum ersten Signalpfad (P1) angeordneten passiven zweiten Signalpfad (P2), der den ersten Signalpfad (P1) überbrückt.

2. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Ausbildung als Sende-/Empfangsverstärkereinrichtung vorgesehen ist.

3. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste und der zweite Signalpfad (P1, P2) jeweils für eine erste Signalrichtung ausgelegt sind.

4. Verstärkereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein dritter Signalpfad (P3) vorgesehen ist, der parallel zu dem ersten und dem zweiten Signalpfad (P1, P2) geschaltet ist.

5. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 4, bei dem der dritte Signalpfad (P3) für eine zweite Signalrichtung ausgelegt ist, die entgegengesetzt zu einer ersten Signalrichtung ist, für die der erste und der zweite Signalpfad (P1, P2) ausgelegt sind.

6. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der dritte Signalpfad (P3) ein Überbrückungselement (160) umfasst.

7. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem im dritten Signalpfad (P3) ein Diodenpaar (161) angeordnet ist.

8. Verstärkereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im zweiten Signalpfad (P2) ein passives Kompensationselement (150) angeordnet ist.

9. Verstärkerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im zweiten Signalpfad (P2) eine reaktive Impedanz angeordnet ist.

10. Verstärkereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im zweiten Signalpfad (P2) eine Induktivität (151) angeordnet ist.

11. Verstärkereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerungsmittel (200) eine steuerbare Spannungs- oder Stromquelle (210) umfassen.

12. Verstärkereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerungsmittel (200) zum Ein- und Ausschalten des Verstärkerelements (100, 101, 102) ausgebildet sind.

13. Verstärkereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verstärkerelement (100, 101) einen Emitterfolger (102) beinhaltet.

14. Ultraschall-Gerät umfassend mindestens:

a) einen Schallwandler (36) und

b) eine Verstärkereinrichtung (10, 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schallwandler (36) mit einem der Anschlüsse (A1) der Verstärkereinrichtung (10, 11) verbunden ist.

15. Ultraschall-Gerät nach Anspruch 14, bei dem die Verstärkereinrichtung (10, 11) als Vorverstärker ausgebildet ist.

16. Ultraschall-Gerät nach Anspruch 14 oder 15, bei dem der Schallwandler (36) und zumindest ein Teil der Verstärkereinrichtung (10, 11) in einer gemeinsamen Einheit (37) integriert sind.