超声装置，其形成方法及其控制方法与流程

本申请要求于2016年4月25日提交的新加坡专利申请no.10201603272u的优先权，其内容为了所有目的通过引用整体并入本文。

各种实施例涉及超声装置、用于形成超声装置的方法和用于控制超声装置的方法。

背景技术

微机械超声换能器(mut)广泛用于超声成像系统。它将电信号转换为超声波，反之亦然。根据不同的物理和机械本质，mut有两大类。压电微机械超声换能器(pmut)使用压电材料产生电压信号，而电容微机械超声换能器(cmut)调制电容以输出电流信号。低噪声放大器(lna)通常用于放大电信号，通常在mut和lna之间没有匹配网络，因此信号没有最大化或噪声性能没有最佳化。

存在称为无源放大匹配的已知匹配技术，其机制在图1和方程式(1)中示出。图1示出了示意图180，其说明了现有技术的无源放大匹配配置，其设置在具有电阻r天线182的天线181和lna183之间，并且具有连接到lna183的输入的电感器l184和电容器c185。

工作频率ωs由方程式(1)定义：

当电感器184以工作频率ωs与电容器185谐振时，一阶低通滤波器提供电压放大和nf减小。该匹配技术用于射频(rf)系统和核磁共振(nmr)系统。在rf系统中，添加电感器以与lna的寄生电容谐振，而在nmr系统中，为nmr线圈的内部电感器添加电容器。这些系统的一阶匹配网络仅包含两个组件，其中一个是固定的，从而产生固定的电压增益和nf。此外由于一阶网络仅在工作频率下产生尖锐的电压峰值，以这种方式匹配的带宽非常窄。

现有的已知技术不适用于pmut。pmut的电气模型290如图2所示。在工作频率下，lm291和cm292互相抵消，并且模型290相当于与电容器c0294并联的电阻器rm293。插入额外的电感器以形成不能提供任何电压放大或nf减小的一阶滤波器。

技术实现要素：

根据一实施例，提供了一种超声装置。超声装置可包括超声换能器和电耦合到超声换能器的谐振匹配电路，其中谐振匹配电路配置成与超声换能器配合，以从超声换能器的阻抗在超声换能器处于谐振状态时产生有效阻抗，来为超声换能器产生的电信号提供增益，并减小谐振条件下超声装置的噪声系数。

根据一实施例，提供了一种用于形成超声装置的方法，该超声装置具有超声换能器和电耦合到超声换能器的谐振匹配电路。该方法可以包括确定超声换能器的阻抗，确定谐振条件下的超声换能器提供给由超声换能器产生的电信号的增益，设计基于阻抗的谐振匹配电路和增益，增益让谐振匹配电路配合超声换能器从阻抗产生适合于提供给增益的谐振条件下的有效阻抗。

根据一实施例，提供了一种用于控制具有超声换能器和电耦合到超声换能器的谐振匹配电路的超声装置的方法。该方法可包括在超声换能器处接收超声以响应于接收到的超声通过超声换能器产生电信号，并在超声换能器的谐振条件下操作超声装置，使得谐振匹配电路与超声波换能器配合从超声换能器的阻抗产生谐振条件下的有效阻抗，来为电信号提供增益并减小谐振条件下超声装置的噪声系数。

附图说明

在附图中，相同的附图标记在不同视图中通常指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述本发明的各种实施例，其中：

图1示出了说明现有技术的无源放大匹配配置的示意图；

图2示出了说明微机械超声换能器(mut)的电气模型的示意图；

图3a示出了根据各种实施例的超声装置的示意性框图；

图3b示出了根据各种实施例的超声装置的示意性框图；

图3c示出了根据各种实施例的用于形成超声装置的方法的流程图；

图3d示出了根据各种实施例的用于控制超声装置的方法的流程图；

图4示出了根据各种实施例的超声装置的示意图；

图5示出了根据各种实施例的低噪声放大器(lna)的示意图；

图6示出了根据各种实施例说明用于压电微机械超声换能器(pmut)的二阶谐振匹配电路的示意图；

图7a示出了用于阻抗变换器的电路的示意图，并且图7b示出了根据各种实施例的用于修改后的阻抗变换器的电路的示意图；

图8示出了根据各种实施例的用于具有谐振匹配的电路的thévenin的等效电路的示意图；

图9示出了根据各种实施例的压电微机械超声换能器(pmut)系统的前端的示意图；

图10示出了根据各种实施例说明宽带匹配的史密斯圆图；

图11示出了说明(illustrating)用于测量电压放大的装置的示意图；

图12示出了基于图11的设置(set-up)获得的具有和不具有时域匹配的信号的比较曲线图；

图13示出了具有和不具有各种实施例的匹配网络的噪声系数(nf)的比较曲线图；

图14示出了说明用于测量灵敏度的设置的示意图；

图15a和15b示出了基于图14的设置的各种实施例的不具有和具有谐振匹配的接收信号的各个曲线图；

图16示出了说明用于宽带匹配仿真的模型的示意图；

图17示出了对于图16的模型的pmut的测量频率响应的曲线图；

图18示出了基于图16的模型获得的宽带匹配结果的曲线图。

具体实施方式

以下详细描述参考附图，附图通过图示的方式示出了可以实践本发明的具体细节和实施例。足够详细地描述了这些实施例，以使本领域技术人员能够实施本发明。可以利用其他实施例，并且可以在不脱离本发明范围的情况下进行结构、逻辑和电性改变。各种实施例不一定是相互排斥的，因为一些实施例可以与一个或多个其他实施例组合以形成新的实施例。

在方法或装置之一的上下文中描述的实施例对于其他方法或装置类似地有效。同样地，在方法的上下文中描述的实施例对于装置类似地有效，反之亦然。

在实施例的上下文中描述的特征可以相应地适用于其他实施例中的相同或相似的特征。即使没有在这些其他实施例中明确描述，在实施例的上下文中描述的特征也可以相应地适用于其他实施例。此外，实施例的上下文中的特征所描述的补充和/或组合和/或替代，可以相应地适用于其他实施例中的相同或相似的特征。

在各种实施例的上下文中，关于特征或元素使用的冠词“一”，“一个”和“该”包括对一个或多个特征或元素的引用。

在各种实施例的上下文中，应用于数值的术语“约”或“近似”包含精确值和合理的方差(variance)。

如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意和所有组合。

各种实施例可以提供用于微机械超声换能器(mut)的谐振匹配方法。

各种实施例可以通过插入用于匹配例如低噪声放大器(lna)的无源元件，来扩大信号并减小压电微机械超声换能器(pmut)系统和电容微机械超声换能器(cmut)系统的噪声系数(nf)。

各种实施例可以通过使用无源元件匹配提供针对pmut的电压增益和针对cmut的电流增益，以及nf减小。匹配网络可以是多阶的，并且可以应用宽带mut。此外，与已知技术相比，增益可以由设计者设定，其对于不同的应用更灵活。除了匹配网络之外，各种实施例可以包括与mut和lna的协同设计。

现有的匹配技术对pmut或cmut无效，以同时提供电压放大和nf减小。被称为谐振匹配的各种实施例的技术被设计用于超声换能器，例如pmut和cmut，以实现增益和nf减小，并且还具有宽带匹配能力。

各种实施例可以减小超声波接收系统或装置的噪声系数。

图3a和3b示出了根据各种实施例的各个超声装置300a、300b的示意性框图。超声装置300a、300b包括超声换能器302和电耦合到超声换能器302的谐振匹配电路304，其中谐振匹配电路304配置成与超声换能器302配合，以从超声换能器302的阻抗产生在超声换能器302的谐振条件下的有效阻抗，来给由超声换能器302产生的电信号提供增益，并减小谐振条件下的超声装置300a、300b的噪声系数。

换句话说，可以提供超声装置300a、300b。超声装置300a、300b可包括超声换能器302。超声换能器302可以适用于接收超声(或超声信号或超声波)(例如，303，图3b)。以这种方式，超声装置300a、300b可以是超声波接收器或超声接收装置。

超声装置300a、300b还可以包括谐振匹配电路(或匹配网络)304，其电耦合(或连接)(例如，如线306所示)到超声换能器302。谐振匹配电路304可以配置为在超声换能器302的谐振条件(或谐振频率或工作频率)下与超声换能器302配合，以在谐振条件下从超声换能器的阻抗产生有效阻抗，来提供给由超声换能器302产生(和输出)的电信号以增益(或放大)，并减小谐振条件下的超声装置300a、300b的噪声系数(nf)。以这种方式，在超声换能器302的谐振条件下，谐振匹配电路304可以与超声换能器302配合，以从或基于超声换能器302的阻抗产生有效阻抗，以便提供谐振条件下的增益，并减小谐振条件下的噪声系数。以这种方式，超声装置300a、300b采用阻抗变换来提供增益和噪声系数的减小，而不是基于功率传递的阻抗匹配。有效阻抗是从超声换能器302的阻抗转变的参数。

由于在超声换能器302的谐振条件下，超声换能器302和谐振匹配电路304之间的配合，可以在谐振条件下实现增益和噪声系数的减小。以这种方式，可以在谐振条件下同时实现增益和nf减小。

在各种实施例中，超声换能器302的阻抗可以表示超声换能器302的电阻，并且相应地，术语“有效阻抗”可以表示“有效电阻”。

在各种实施例中，超声换能器300a、300b可接收超声303，并响应于所接收的超声303而产生电信号。在超声换能器302的谐振条件下，谐振匹配电路304与超声换能器302配合，以产生有效阻抗，来为所产生的电信号提供增益。以这种方式，术语“增益”指的是电(信号)增益。

在各种实施例中，与可能存在于超声换能器302的非谐振条件下的噪声系数的水平或者反之可以存在于没有谐振匹配电路304的装置中的噪声系数的水平相比，谐振条件下的噪声系数可以处于减小的水平。在各种实施例的上下文(context)中，术语“噪声系数”指的是由装置造成的信噪比的降级。噪声系数是品质因数，可用于量化“真实”设备与“理想”设备的偏离。

如下面将进一步描述的，噪声系数可以取决于所提供的增益。例如，噪声系数可以与增益成反比关系。

在各种实施例的上下文中，超声换能器302的阻抗是指超声换能器302的“内部”阻抗(例如，超声换能器302的实际阻抗)，而有效阻抗是指包括谐振匹配电路304在谐振条件下作用在超声换能器302上的影响的阻抗。有效阻抗的值可以与超声换能器302的阻抗的值不同。

在各种实施例中，在超声换能器302的谐振条件下，谐振匹配电路304可以与超声换能器302配合形成多阶电路(例如，n阶电路，其中n≥2)，以从超声换能器302的阻抗，产生有效阻抗。换句话说，谐振匹配电路304和(超声换能器302的电路)可以协作地或共同地形成多阶电路(或多阶滤波器)。有效阻抗可以指在谐振条件下形成的多阶电路的阻抗。

在各种实施例中，谐振匹配电路304可以布置在超声换能器302的输出侧或下游侧。以这种方式，谐振匹配电路304可以作用于由超声换能器302产生的电信号。

在各种实施例中，谐振匹配电路304可以包括，具有基于超声换能器302的阻抗设计的相应值的电气部件，以产生有效阻抗，来在谐振条件下提供增益(期望的)。作为非限制性示例，设计者可以根据所需的增益和/或带宽来调整这些值。谐振匹配电路304可以包括多个无源部件，例如一个或多个电感器，和一个或多个电容器。这会意味着谐振匹配电路304可以定义无源谐振匹配电路。至少一个电感器和至少一个电容器的相应值可以取决于超声换能器302的电路。在各种实施例中，要提供的较高增益可能需要谐振匹配电路304中的更多数量的电气部件。

在各种实施例中，电气部件可包括串联接地的电感器308和电容器310。电感器308、电容器310和超声换能器302的等效电容(例如，参见图6的c0626)可以形成多阶电路。

在各种实施例中，电感器308的第一端可以电耦合(或连接)到超声换能器302，电感器308的第二端可以连接到电容器310的第一端，并且电容器的第二端可以接地(或与地连接)。

在各种实施例中，电容器310的第一端可以电耦合(或连接)到超声换能器302，电容器310的第二端可以连接到电感器308的第一端，并且电感器308的第二端可以接地(或与地连接)。

在各种实施例中，低噪声放大器(lna)312可以电耦合(coupled)(例如，如线314所示)到谐振匹配电路304。在各种实施例中，电感器308和电容器310可以在节点处彼此连接，并且lna312可以连接到节点。作为非限制性示例，lna312的输入可以连接到节点。

在各种实施例的上下文中，术语“低噪声放大器”或其首字母缩写“lna”可以表示放大非常低功率的信号，而不显著降低其信噪比(snr)的电子放大器。虽然“通用”放大器会增加信号和输入端噪声的功率，但lna可以设计为将额外的噪声降至最低。

在各种实施例中，lna312可以布置在谐振匹配电路304的输出侧或下游侧。以这种方式，lna312可以作用于由谐振匹配电路304输出的电信号。

在各种实施例中，谐振匹配电路304可以布置在超声换能器302和lna312之间。超声换能器302可以连接在输入侧或谐振匹配电路304的输入端，而lna312可以连接在输出侧上或连接至谐振匹配电路304的输出端。

在各种实施例中，低噪声放大器312的输入阻抗zlna的大小，可以大于有效阻抗rin的大小。例如，|zlna|>>rin，如，|zlna|>10rin。

在各种实施例中，低噪声放大器312可以是或可包括差分共源放大器，或共源放大器(例如，用于cmos(互补金属氧化物半导体))，或共射极放大器(例如，用于bjt(双极面结型晶体管))。然而，应该理解，低噪声放大器312可以是或可以包括任何放大器，只要它满足两个条件：(1)其输入阻抗大(例如，>100kω)，和(2)其输入电压噪声远大于其输入电流噪声，如下面关于图9进一步解释的。

在各种实施例中，超声换能器302可以是或可包括微机械超声换能器(mut)。在各种实施例的上下文中，术语“微机械超声换能器”或其首字母缩写“mut”可以表示使用硅微加工技术(mems技术)制造的超声换能器。这可能意味着微机械超声换能器是硅基超声换能器。微机械超声换能器采用隔膜(或薄膜)，其可响应于隔膜接收的信号而振动。在超声波接收器中，入射或施加到隔膜的超声或超声波，引起隔膜的振动以产生电信号。

在各种实施例中，微机械超声换能器可以是或可包括压电微机械超声换能器(pmut)。以这种方式，谐振匹配电路304可以为pmut超声装置提供电压增益和nf减少。在各种实施例的上下文中，术语“压电微加工超声换能器”或其首字母缩写“pmut”可以表示基于mems的压电超声换能器。pmut采用隔膜(或膜)，其可响应于隔膜接收的信号而振动。压电材料耦合到隔膜。在超声波接收器中，入射或施加到pmut的隔膜的超声或超声波，引起隔膜的振动，来通过压电材料产生电信号。pmut使用压电材料来产生电压信号。

在各种实施例中，有效阻抗的大小可以大于压电微机械超声换能器的阻抗的大小。

在各种实施例的上下文中，其中超声换能器302是pmut，可以提供以下中的一个或多个：(1)lna312可以包括低噪声电压放大器；(2)lna312可以是高阻抗lna(例如，>100kω)；(3)有效阻抗可能大于pmut的阻抗；(4)由pmut产生(和输出)的电信号是电压信号；或(5)提供的增益是电压增益。

在各种实施例中，微机械超声换能器可以是或可包括电容微机械超声换能器(cmut)。以这种方式，谐振匹配电路304可以为cmut超声装置提供电流增益和nf减小。在各种实施例的上下文中，术语“电容微机械超声换能器”或其首字母缩写“cmut”可以表示采用隔膜的基于mems的电容式超声换能器。cmut采用隔膜(或膜)，其可响应于隔膜接收的信号而振动。作为示例，隔膜定位在可以形成在硅衬底中的腔上方，其中隔膜和衬底限定两个单独的电极。在超声波接收器中，入射或施加到cmut的隔膜的超声或超声波，引起隔膜的振动，来引起两个电极之间的电容的变化，以产生电信号。cmut调制电容以输出电流信号。

在各种实施例中，有效阻抗的大小可小于电容微机械超声换能器的阻抗的大小。

在各种实施例的上下文中，在超声换能器302是cmut的情况下，可以提供以下中的一个或多个：(1)lna312可以包括低噪声电流放大器；(2)lna312可以是低阻抗lna(例如，<100ω)；(3)有效阻抗可能小于cmut的阻抗；(4)由cmut产生(和输出)的电信号是电流信号；或(5)所提供的增益是电流增益。

在各种实施例中，如上所述，超声换能器300a、300b可以基于pmut或cmut。

在各种实施例中，超声换能器302可以是带通换能器。这可能意味着超声换能器302传递一定范围(或频带)内的频率信号并排斥(或衰减)该范围之外的频率信号。

各种实施例的超声装置300a、300b可以基于降噪来操作。这可能意味着多阶电路和/或电感器和电容器值的阶取决于降噪，而不是取决于阻抗匹配。

图3c示出了根据各种实施例的流程图350，其示出了用于形成超声装置的方法，该超声装置具有超声换能器和电耦合到超声换能器的谐振匹配电路。

在351处，确定超声换能器的阻抗。

在352处，确定在超声换能器的谐振条件下提供给由超声换能器产生的电信号的增益。

在353处，基于阻抗和谐振匹配电路的增益设计谐振匹配电路(超声装置的谐振匹配电路)，来与超声换能器配合以从阻抗产生适合于提供增益的谐振条件下的有效阻抗。

如下面进一步详细描述的，还可以根据确定的阻抗和确定的增益，来确定谐振条件下的超声装置的噪声系数。

在各种实施例中，在351处，可以在谐振条件下确定超声换能器的阻抗。

在各种实施例中，在353处，可以确定谐振匹配电路的(无源)电气部件的相应值。这可以包括确定电气部件的至少一个电容器和至少一个电感器的相应值。

在各种实施例中，在353处，可以使用史密斯圆图。例如，可以使用史密斯圆图来确定电气部件的相应值。

在各种实施例中，超声装置还可包括电耦合到谐振匹配电路的低噪声放大器，并且可基于有效阻抗来设计低噪声放大器。

在各种实施例中，超声换能器可以是或可包括微机械超声换能器(mut)。微机械超声换能器可以是或可包括压电微机械超声换能器(pmut)或电容微机械超声换能器(cmut)。

图3d示出了根据各种实施例的流程图355，其说明了用于或控制超声装置的方法，该超声装置具有超声换能器和电耦合到超声换能器的谐振匹配电路。

在356处，在超声换能器处接收超声，以便超声换能器响应于接收到的超声产生电信号。

在357处，在超声换能器的谐振条件下操作超声装置，使得谐振匹配电路与超声换能器配合，以从超声换能器的阻抗，产生谐振条件下的有效阻抗，以提供增益给电信号，并减小谐振条件下的超声装置的噪声系数。

应当理解，超声装置300a、300b的上下文中的描述可以相应地适用于在流程图350的上下文中描述的用于形成超声装置的方法，和在流程图355的上下文中描述的用于控制超声装置的方法，反之亦然。

如图4所示，各种实施例可以提供具有mut402、谐振匹配网络404和lna412的超声装置400。谐振匹配网络404布置在mut402和lna412之间，并且连接到mut402和lna412。最简单的二阶匹配在图4中示出，以首先阐明在各种实施例中采用的方法，稍后导出多阶匹配，并将在下面进一步描述。

二阶谐振匹配网络404可以包括一个电感器和一个电容器，其可以布置成如图4所示的两种配置中的一种。在配置(1)405a中，408a和电容器410a可以串联布置在mut402和地之间，其中电感器408a接地，并且电感器408a和电容器410a之间的互连节点连接到lna412。在配置(2)405b中，电感器408b和电容器410b可以串联布置在mut402和地之间，其中410b接地，并且电感器408b和电容器410b之间的互连节点连接到lna412。

为了说明和理解的目的，将pmut用作mut402作为非限制性示例；然而，应当理解，相同的机制也适用于用作mut402的cmut。pmut是任何压电换能器，其可以被建模为但不限于butterworth-van-dyke(bvd)模型，如图2所示。基于作为pmut的mut402，提供与超声装置400和/或其任意组件有关的描述。应当理解，可以对超声装置400和/或其中mut402是cmut的任意组件进行适当的修改。以下进一步描述这些修改中的一些非限制性实例。

lna412可以是任意低噪声电压放大器，其输入阻抗可以大于大约100kω。作为非限制性示例，可以采用具有如图5所示结构的定制设计的差分公共源放大器512作为lna412。作为非限制性示例，lna512可以基于0.18μmcmos技术制造。lna512可以包括晶体管513，其中流过该晶体管513的电流是dc偏置电流，偏压电阻器514a、514b，去耦电容器515a、515b，输入级晶体管516a、516b，级联级晶体管517a、517b，以及共模反馈级包括晶体管519a、519b和电阻器518a，518b。每个输入级晶体管(或输入晶体管)516a、516b应具有大的跨导gm，而每个晶体管(或负载晶体管)519a、519b应具有小的gm以用于低等效输入噪声。作为非限制性示例，晶体管513，输入级晶体管516a、516b和级联级晶体管517a、517b中的每一个的w/l(宽度与长度)比可以是(900μ/0.18μ)，并且每个晶体管519a、519b的w/l(宽度与长度)比可以是(150μ/2μ)。dc偏置电流优选地大，以获得输入晶体管516a、516b的大gm。级联(包括晶体管517a、517b)用于增益提高而不注入噪声。通过使用两个大的电阻器518a、518b(每个～10kω)的共模反馈用于低噪声。lna512的输入端处的偏置电阻器514a、514b各自为大约10kω，并且lna512的输入处的去耦电容器515a、515b各自为大约2nf。作为非限制性示例，lna512的规格可以如下面的表1中所示。

表1:lna的示例规格

作为非限制性示例，vdd可以是大约1.8v，bias1可以是大约1.1v，bias2可以是大约0.9v，并且bias3可以是大约0.6v。

电压放大

为了说明和理解的目的，图4中的配置(1)405a用作谐振匹配网络404的非限制性示例；然而，应该理解的是，可以适当地采用配置(2)405b。

图6示出了根据各种实施例的超声装置400的电路的示意图，其示出了用于压电微机械超声换能器(pmut)602的二阶谐振匹配(基于配置(1)405a)。pmut602由bvd模型690表示，bvd模型690具有电容器cm620、电感器lm622、电阻器rm624和电压源vs628的串联布置630，以及与串联布置630并联的另一电容器c0626。c0626表示pmut602的压电材料的静态电容，而pmut602的机械振动系统由串联rlc(串联布置630)建模。lm622描述了机械系统的质量。rm624和cm620变化以模拟边界条件的变化。

如图6所示，电感器l，408a和电容器c，410a布置在lna412和pmut602之间。l408a，c410a和c0626形成二阶网络或电路。为了在lna的输入端具有最大电压，lna412的输入阻抗通常非常高，以最小化负载效应。在工作频率(或谐振频率/条件)下，ωs，lm622和cm620可以相互抵消。vs628是超声换能器602中的接收信号源。假设l408a和c410a是理想的，并且假设lna412的输入阻抗是无穷大的。

各种实施例的电压放大的方法是通过阻抗变换。图6中所示的电阻器rm624和电容器c410a、c0626形成如图7a所示的阻抗变换器。在谐振条件或频率ωs下，电阻器rm624和电容器c0626并联连接，又与电容器c410a串联连接。

导纳，yin，可定义为：

其中，

如果添加并联电抗器l408a以抵消导纳yin的虚数部，如图7b所示，电阻rin和电感l408a可以定义为：

如上所述，谐振匹配将rm提高到rin。如果lc是理想的，则功率是恒定的，因此电压被放大。这可以通过如图8所示的thévenin定理来解释。输出阻抗从rm624变换为rin834，并且开路端电压从vs628放大到v2836。功率p与输出阻抗和开路端电压的关系可定义如下：

电压增益α由c设定，可以根据方程式(8)定义，l的值可以由方程式(4)和(6)确定。

噪声系数(nf)减小

各种实施例的匹配网络还可以减少pmut系统(或cmut系统)的nf。信号流可以如图9所示，作为非限制性示例，示出了压电微机械超声换能器(pmut)系统900的前端。超声或超声波903由换能器(pmut)902接收并转换成电信号，该电信号通过匹配网络904馈送到lna912。可以提供增益α。

应当注意，仅在接收信号时(例如，当pmut系统900是或充当接收器或接收设备时)才实现电压放大和nf减小。937是pmut902的输出噪声。938和939表示lna912的等效输入噪声。假设无源网络904是无噪声的。

可以通过参考位于pmut902和lna912之间的节点b处的所有噪声部分来计算nf。nf可以定义如下：

由于lna912具有高输入阻抗，因此zlna，938远大于939。当938远大于时，增加α可以减少nf，这是使用谐振匹配的一个原因。如前所述，匹配网络904可以是阻抗变换器。随着α增加，rin增加。当rin足够大时，可能不再忽略当前的噪声939。rin的进一步增加可能使当前的噪声939占优势并且nf可能开始增加。在各种实施例中，可以存在用于噪声匹配的α的最优值。

在各种实施例中，图4中所示的配置(2)405b也可以用于谐振匹配，该谐振匹配具有与如本文所述的配置(1)405a相同的机制。匹配条件是，在工作频率(或谐振条件)下，rm(例如，624，图7a、7b、8)可以通过二阶网络404(图4)变换为更大的电阻器。请参考图8。总等效电容与总等效电感谐振，因此称为谐振匹配。

多阶匹配网络

为了满足(cater)具有宽带宽的pmut，可以使用高阶匹配网络。方法仍然是相同的，即将rm转换为更大的电阻器rin。以下说明设计过程，使用图9作为非限制性示例。

首先，可以通过设备测量pmut902的阻抗z，然后可以知道rm(例如，624，图6、7a、7b)。电压增益α可以由设计者设置，并且rin(例如，参见图7b和8)可以被计算为α²rm。

其次，任务变为z和rin之间的阻抗匹配，这可以通过使用史密斯圆图来促进。图10示出了如何使用史密斯圆图1070实现这一点的非限制性示例。将z*(复共轭)绘制为源1072，并将rin绘制为载荷1074。所需带宽定义了边界曲线。可以通过跟踪在x轴和边界曲线之间反弹的阻抗曲线来确定电容器和电感器的值。匹配元件的数量是图表或史密斯圆图表1070中的弧数。该方法可以确保最小化匹配元件的数量。如图9所示，可以在匹配网络904之后获得期望的rin。

应当理解，如果电压增益α是固定的，则更宽的带宽意味着更多的匹配元件。如果带宽是固定的，则更高的电压增益意味着更多的匹配元件。由于无源元件实际上是非理想的，因此更多的匹配元件可能带来更多的损耗和噪声。另一点是，与rin相比，lna，zlna的输入阻抗应足够高，否则它们可能会形成分压器，从而降低lna的输入电压。在各种实施方案中，可能会提供|zlna|>10rin。

各种实施例也可以应用于cmut，其电路可以类似于图2所示的pmut，除了信号主要是电流，并且电源阻抗rm非常高(>几kω)之外。然后在图9中，匹配网络904可以将z转换为较低电阻rin，并可以实现电流增益因此，由于无源电流增益α，可以用相同的方式减小由电流噪声支配的系统900的nf。

各种实施例可包括以下中的一个或多个，但不限于：

1.换能器可以是pmut或cmut；

2.lna可以是用于pmut的高阻抗(例如，>100kω)低噪声放大器，或用于cmut的低阻抗(例如，<100ω)低噪声放大器；

3.谐振匹配网络可以放置在换能器和lna之间，例如，如图9所示；

4.匹配条件是，在pmut的工作频率(或谐振频率或条件)下，图9中的rin大于图2中的电阻rm，并且rin是纯电阻的。对于cmut，在工作频率(或共振频率或条件)下，rin小于rm；

5.插入的元件l，c和pmut或cmut的内部电容形成多阶网络；

6.谐振匹配的电压增益由pmut的控制，而电流增益由cmut的控制。

在示例实施例中，噪声增强模块(例如，谐振匹配网络和lna)的设计不同于传统的阻抗匹配网络：各种实施例的阶数和/或电感器/电容器值取决于降噪但不取决于阻抗匹配。

在示例实施例中，换能器可以是带通装置。换能器具有某种类型的频率响应，并且其带宽很宽(例如，部分带宽>50％)。由于各种实施例可以包括与换能器电路的协同设计，因此它可以保持它的频率响应类型和带宽。

在示例实施例中，可以采用多阶滤波器。使用阻抗变换。通过使用史密斯圆图，可以将换能器的阻抗增加到更高的值，以获得期望的电压增益和噪声系数减小。

在示例实施例中，各种实施例不仅仅是匹配技术；各种实施例提供了一种降噪方法，包括与换能器的协同设计。该方法还可以包括与lna的协同设计。电感器和电容器的值可以取决于换能器电路。此外，为了实现电压增益和噪声系数减小，lna可能存在某些设计考虑。

在示例实施例中，接收器端可以增加到高阻抗(远大于50ω(欧姆))，这可以放大电压并减小噪声系数。在各种实施例中，通常，没有用于功率传递的阻抗匹配。相反，在激励电路的输出和换能器的输入之间的耦合l-c匹配网络的已知匹配技术，被用于到50ω的阻抗匹配以实现最大功率传递。此外，已知技术用于传输端。当运用于接收器端时，该已知技术不能放大电压或减小噪声系数。

现在将通过以下非限制性实施例描述各种实施方案的结果。

电压增益

进行测量以验证各种实施例的匹配技术可以提供电压增益。图11示出了说明用于测量电压放大的装置1160的示意图。在图11中，发射器tx，1161是用于发射信号的pmut，并且经由电阻50ω的同轴电缆1163连接到脉冲发生器1162。接收器rx，1164是另一个用于接收信号的pmut。将tx1164和rx1164都放入装有水的水箱1165中。根据各种实施例，增强模块1166包含匹配网络(或匹配电路)和lna电路。示波器1167连接到增强模块1166。该设置1160旨在测量匹配网络的电压增益。

获得的结果显示在图12中的绘图1270中。通过观察各种实施例的具有匹配网络的接收信号的结果1272和不具有匹配网络的接收信号的结果1274来进行比较。工作在大约8.5mhz的pmut用于测试。可以看出，通过实施谐振匹配，可以实现大约15db的增益。

nf减小

得到的仿真结果也表明系统的nf可以减小。对应于图5所示电路设计的pmut模型、匹配网络和lna可以一起在设计工具(例如cadence)中仿真。如图13所示，示出了具有匹配网络的nf的结果1372与不具有匹配网络的nf的结果1374的比较的绘图1370，通过匹配网络，在工作频率的nf从大约10db下降到大约1db。

提高灵敏度

nf减少也可以反映为灵敏度的提高。图14示出了说明用于测量灵敏度的装置1460的示意图。将pmut1461放入装有水的水箱1465中以探测目标1469，目标1469可与pmut1461定位距离d。pmut1461连接到脉冲发生器1462以向目标1469提供信号。该信号被目标1469反射为回声，并且回声由pmut1461接收，pmut1461还连接到匹配网络1466和lna1468。回声由lna1468放大并在示波器1467中测量。

从pmut1461到目标1469的距离d是灵敏度的度量。较长的距离导致回声的幅度较小。如果系统可以通过添加谐振匹配网络1466在更远的距离处探测目标1469，则意味着灵敏度得到了提高。

获得的结果显示在图15a和15b中。当距离d增加到约35mm而没有谐振匹配时，没有观察到有用的信号，如图15a的绘图1570所示。回声(echo)被噪声遮蔽。这意味着系统仅限于探测最大距离约为35mm的目标。

通过使用各种实施例的谐振匹配，当距离d＝35mm时，可以清楚地观察到回声，如图15b的绘图1572所示，如虚线圆1574所示。当距离d进一步增加到约40mm时，获得与图15a所示相似的结果。这表明，通过匹配网络，最大探测距离可以从大约35mm增加到大约40mm，这意味着系统的灵敏度得到提高，这相当于nf减小的效果。

宽带匹配

仿真结果表明了宽带匹配的能力。图16示出了说明用于宽带匹配模拟的模型1660的示意图。在图16中，pmut区块1662是商用pmut的电气模型，其工作频率约为8.5mhz，具有约60％的部分带宽。测量pmut的频率响应并在图17中的绘图1770中示出。pmut区块1662中的1mv信号源模拟由pmut接收的信号。多阶网络1664用于匹配，并且仿真中的电感器是非理想的。作为非限制性示例，匹配网络1664可以包括以复层配置连接的若干级电感器和电容器，如图16所示。电压增益设计为8，并保持pmut的带宽。由区块1666表示的lna，由它的具有电阻反馈的pspice模型表示，提供大约26db的增益。获得的结果绘制在图18中。

图18示出了基于图16的模型1660获得的宽带匹配结果的绘图1870，示出了具有匹配网络1664的结果1872和不具有匹配网络的结果1874。应当注意，之前定义的电压增益是在匹配网络1664之后，从pmut1662获得的原始信号到输出电压的增益。使用图6作为非限制性示例，电压增益可以定义为v2/vs。如果没有应用匹配网络，则pmut1662的输出电压为v1，v1小于vs。在图18中，具有约8.5mhz的匹配(v2)的信号约为-28db。不具有匹配的信号(v1)约为-46db，并且v2/v1＝18db。对于电压图，带宽在-6db点处切断。可以看出，在从大约6mhz到大约11mhz的带宽上，实现了超过18db的实际增益v2/v1的宽带匹配。

应当理解，各种实施例可以在所有类型的超声系统中实现，包括可以基于pmut或cmut的系统。这些产品可包括扫描仪、成像传感器、探针、探测器等，涵盖工业和医疗领域的所有方面的超声波应用。各种实施例可以使这些应用在接收信号时，具有更高的灵敏度和更优的性能。

虽然已经参考具体实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离由本发明所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以如所附权利要求的定义，在形式和细节上进行各种改变。因此，本发明的范围由所附权利要求指示，并且因此旨在涵盖落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变。