(57)【要約】本発明による可変利得増幅器アセンブリは、１つの演算増幅器（７）を備えた従来の形態で提供され、その２つのインピーダンス（９，１０）がその反転入力に接続された電圧制御された可変キャパシタンス（１１）であり、さらにこれらはバリキャップである。これらを集積すると、それらの最大キャパシタンスと最小キャパシタンスの比は３とすることができ、また別個の部品の形態にするとそれらのキャパシタンス比は２０まで高めることができる。超音波検査に利用される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅対象である信号源に連結し、ワイドダイナミックレンジを有する演算増幅器（２）型の可変利得低雑音増幅器アセンブリであって、出力が第一リアクタンス性部品（Ｚ１）を介して入力の１つに連結し、該入力が第二リアクタンス性部品（Ｚ２）を介して増幅器の電源の共通極（接地）に連結しており、２つのリアクタンス性部品が連結している増幅器の入力がその反転入力であることと、その非反転入力が増幅対象の信号源に連結していることを特徴とする増幅器アセンブリ。
【請求項２】
２つのリアクタンス性部品が可変キャパシンタス部品（９，１０）であることを特徴とする、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項３】
可変キャパシタンス部品がバリキャップダイオード（２６，３３，４４，４５）であることを特徴とする、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項４】
各可変キャパシタンス部品が互いに反対方向を向くように（２６と３３、４４と４５）搭載された少なくとも２つのバリキャップダイオードを備えており、各バリキャップがそれ自体の制御電圧（ＴＣ１ないしＴＣ４）によって制御されていて、これら制御電圧は基準電位（接地）に関して左右対称に進行することを特徴とする、請求項３に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項５】
カスタム集積回路の形態で製造されていることを特徴とする、請求項２ないし４のいずれか１項に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項６】
ＢＩＣｍｏｓ技術を用いて製造され、バリキャップもまた集積されていることを特徴とする、請求項５に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項７】
バリキャップだけが別個の部品の形態で製造されていることを特徴とする、請求項５に記載の増幅器アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
本発明はワイドダイナミックレンジを有する可変利得および低雑音の増幅器アセンブリに関する。
【０００２】
可変利得、低雑音の増幅器アセンブリは、特に超音波検査器に使用される。これら超音波検査器の超音波プローブによって受信されたエコーのレベルは全て低く、最も弱いレベルのエコーと最も強いレベルのエコーの比は（１００ｄＢを超えるまで）非常に高くなり得る。このようなダイナミックレンジに適応できる利得を持つ増幅器を製造するために、変化の大きいリアクタンスを有する部品を搭載する。これらの部品は、印加される電圧に応じてキャパシタンスが変化する「バリキャップ（varicap）」と呼ばれるダイオードである。現在のバリキャップのキャパシタンスの範囲はそれ程広くない。特定の非常に高価なバリキャップのみが使用に適しており、これらのダイオードを加工するのに使用される標準的な技術がＢｉＣＭＯＳ技術であり、つまりは製造バッチから最もキャパシタンス範囲の広いものを選択しなければならない場合、特にコスト高である。
【０００３】
独国特許出願公開第１９０７５７９号（シーメンス）には、その出力と反転入力の間に第一インピーダンスを、及び同じ反転入力と増幅対象である信号源の間に第二インピーダンスを備え、これらのインピーダンスが容量性リアクタンス性インピーダンスであり、少なくともそれらの一方が可変である可変利得増幅器アセンブリが開示されている。この既知のアセンブリでは、第二インピーダンスが信号源のインピーダンスと直列であり、よってアセンブリの利得が信号源のインピーダンスに依存している。この信号源が（数ＭＨｚの周波数で動作する）超音波検査器のプローブであるとき、そのインピーダンスは容量性でなく、このアセンブリの雑音が非常に低いものでなければない場合、アセンブリの利得は周波数に応じて大きく変化する。実際には、利得は周波数とは実質的に無関係でなければならないので、第二インピーダンスの値はプローブの値よりもずっと大きいものでなければならない。この場合、増幅器により生成される雑音（この雑音は入力インピーダンスにほぼ比例する）は非常に大きいものになってしまう。さらに、第二インピーダンスの値が信号源の値よりもずっと高いとすると、増幅器の利得を大きくするためには第一インピーダンスの値が第二インピーダンスの値よりもずっと大きくなければならず（つまり信号源の値よりはるかに大きい値でなければならず）、２つのインピーダンスの値が必然的に高いものとなり、高周波数でのそれらの動作を制御することが非常に困難になるので、増幅器の利得は制限されるだろう。
【０００４】
本発明の目的は、利得が可変で低雑音の増幅器アセンブリであり、本増幅器アセンブリでは、その利得の変化が可能な限り広いダイナミックレンジを有し、この利得が増幅対象である信号の周波数及びこれら信号源の出力インピーダンスと可能な限り無関係であって、低いリアクタンス範囲を有する一般的に入手可能なリアクタンス性部品の使用が可能である。これらリアクタンス性部品は、ＢＩＣｍｏｓ等の従来技術を使用して生産することができる。
【０００５】
出力が第一リアクタンス性部品を介してその入力の一つに連結しており、この入力がまた第二リアクタンス性部品を介して増幅器の電源の共通極に連結している本発明による演算増幅器型増幅器アセンブリは、２つのリアクタンス性部品が連結する増幅器の入力がその反転入力であり、且つその非反転入力が増幅対象の信号源に連結していることを特徴とする。リアクタンス性部品は好適には可変キャパシタンス部品であり、バリキャップであることが好ましい。好適には、各可変キャパシタンス部品が少なくとも２つのバリキャップを備える。
【０００６】
本発明は、添付図面に示しながら非限定的実施例として以下に示す実施形態の詳細な説明を読むことによりより深く理解することができる。
【実施例】
【０００７】
ここでは、超音波器具のエコー信号増幅器に関連して本発明を説明するが、当然のことながら本発明の用途をこの用途のみに限定するものではなく、本発明は、広い周波数帯域に亘って広い利得可変領域を必要とする他の多数の可変利得増幅器において、場合によっては非常に低いレベルの信号を増幅するために使用することができる。
【０００８】
図１は従来の構成による演算増幅器２を備えた回路１を示す。該回路は非反転入力で信号源３の極から増幅するべき信号を受信する。前記信号源の他方の極は接地されており、反転入力はインピーダンスＺ１を有するリアクタンス４を介して出力に連結されている。増幅器２の反転入力はまた、インピーダンスＺ２を有するリアクタンス５を介して接地されている。
【０００９】
回路１の利得Ｇが、Ｇ＝１＋（Ｚ１／Ｚ２）で求められることは周知である。この回路１が可変利得増幅器として動作するためには、インピーダンスＺ１及び／又はインピーダンスＺ２の値は変化しなければならない。通常、リアクタンス４は、そのインピーダンスが制御電圧に従って変化するタイプのものである。普通、このインピーダンスの変化は必ずしも制御電圧の変化に比例しない。可変の制御電圧を生成する回路は、制御電圧の変化がインピーダンスの変化に連結する関係を保存することができる。部品４は抵抗でもよいが、通常は容量性の部品である。
【００１０】
本発明によれば、２つのリアクタンス４及び５は容量性の部品であり、そのキャパシタンスの値は可変で且つ電圧制御される。好ましくは、これらは「バリキャップ」と呼ばれる可変キャパシタンスダイオードである。バリキャップダイオードは、それに固有のキャパシタンスが、印加される逆電圧に応じて幅広く変化するダイオードである。この電圧を以降制御電圧ＶＣと呼ぶ。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、部品４及び５として使用されるバリキャップダイオードは対になっている。この特性は、カスタム集積回路１の製造に重要である。実際には、部品に特徴的なパラメータの値が一生産バッチ内で大きなばらつきを示すことがよく知られているが、２つの類似する部品の特徴の比の許容誤差は常に小さいものである。この特徴により、この利得は特定のバッチから得られた２つの類似部品の比に依存するので、部品４及び５としてバリキャップを備える回路１の利得は、バリキャップが得られた生産バッチと実質的に無関係となる。
【００１２】
さらに、２つの可変インピーダンスのリアクタンスを使用することにより、可変利得増幅器１の変域が広がる。実際には、Ｚ１の値が増大するとＺ２の値が減少し、Ｚ１の値が減少するとＺ２の値が増大する。
【００１３】
本発明による回路における理論的な利得変域は、単独のバリキャップを備えた従来技術による回路の利得変域の二乗に概ね等しい。
【００１４】
本発明によるアセンブリは非常に高い入力インピーダンスを示す。これはその利得が実質的に信号源３のインピーダンスと無関係であることを意味する。インピーダンスＺ２のキャパシタンスは容易に非常に低い値（例えば数十ｐＦ）にすることができ、このことは約１０ＭＨｚ以上の周波数においてさえ、そのインピーダンスが非常に低いままであることを意味する。そこで、インピーダンスＺ２の値を、それがバリキャップとなるに十分低くすることができる。この結果、増幅器２の雑音を非常に低く抑えることができる。
【００１５】
図２は、本発明による可変利得増幅器６の概略図である。この増幅器６は、それぞれ図１の要素２ないし５と類似の要素７ないし１０、及びバリキャップ９及び１０に印加される逆電圧を制御する（つまり前記制御電圧ＶＣを供給する）回路１１を備えている。
【００１６】
図３は、図２の可変利得増幅器６の「増幅器」部分（即ち制御回路１１を除いた部分）の例示的実施形態１２の詳細図である。この増幅器アセンブリ１２は演算増幅器１３を備え、該増幅器１３は、一方で＋ＶＣＣ電源電圧端子に、他方で−ＶＣＣ電源電圧端子に接続していることにより、対称に電力供給されている。増幅対象の信号源１８（例えば超音波プローブ）は、直列接続する抵抗１９と変圧器２０を介して増幅器１３の非反転入力に連結している。
【００１７】
増幅器１３の反転入力は、一方で回路２１を介してその出力に連結され、他方で回路２２を介して接地されている（つまり＋ＶＣＣ及び−ＶＣＣ電力供給電圧の共通極に相当する）。これらの回路２１及び２２はそれぞれ図２のリアクタンス９及び１０に相当する。
【００１８】
回路２１は、出力と増幅器１３の反転入力との間に接続された抵抗２３を備える。抵抗２３と平行に、抵抗２４、キャパシタ２５、バリキャップダイオード２６及びキャパシタ２７からなる直列回路が接続されている。ダイオード２６の陰極は、抵抗２９と直列の抵抗２８を介し、第一利得制御電圧ＴＣ１が印加される端子３０に接続されている。抵抗２８及び２９の共通点は、キャパシタ３１を介して接地されている。ダイオード２６及びキャパシタ２７からなる直列回路と平行に、キャパシタ３２、及びそれとは別にバリキャップダイオード３３とキャパシタ３４からなる直列回路が接続されており、ダイオード３３の陰極はダイオード２６の陽極に接続されている。ダイオード３３の陽極とキャパシタ３４の共通点は、抵抗３５と別の抵抗３６の直列接続を介して端子３７に連結している。利得制御電圧ＴＣ２が端子３７に印加される。抵抗３５と３６の共通点はキャパシタ３８を介して接地されている。キャパシタ２５、ダイオード２６及び３３、並びにキャパシタ３２の共通点は、抵抗３９を介して接地されている。
【００１９】
回路２２は、増幅器１３の反転入力と接地との間に抵抗４０を、及び後述する部品４１ないし５５からなる直列−並列回路を備える。この直列−並列回路は、増幅器１３の反転入力と接地の間に、順に抵抗４１、キャパシタ４２、及び別の抵抗４３からなる第一の直列部を備える。キャパシタ４２と別の抵抗４３の共通点は、バリキャップ４４の陰極と、それとは反対側のバリキャップ４５の陽極に接続している。バリキャップ４４の陽極は２つの直列の抵抗４７及び４８を介して端子４６に連結しており、抵抗４７と４８はそれぞれキャパシタ４９と５０を介して接地と分離されている。利得制御電圧ＴＣ３が端子４６に印加される。同様に、バリキャップ４５の陰極は、２つの直列の抵抗５２及び５３を介して端子５１に連結しており、抵抗５２と５３はそれぞれキャパシタ５４及び５５を介して接地と分離されている。利得制御電圧ＴＣ４が端子５１に印加される。
【００２０】
図３の回路では、バリキャップダイオードのキャパシタンスがそれらに印加される電圧に依存していることによる高調波ひずみの望ましくない影響を避けるため、回路２１と２２それぞれに２つのバリキャップダイオードを使用し、これらダイオードの各々を、それ自身の直流電流制御電圧であるＴＣ１ないしＴＣ４により、既知の方法を用いて制御する。これらダイオードは互いに対向して接続されており、よって反対極の電圧により互いに独立的に制御することが可能である。回路２１において、抵抗３９は電圧ＴＣ１及びＴＣ２のために接地への接続を提供しており、一方回路２２においては、電圧ＴＣ３及びＴＣ４のために同じ役割を果たしているのは抵抗４３である。このように、回路２１及び２２のそれぞれに２つのバリキャップを用いてこれらを反対方向に制御することにより、それらの端子の電圧の変化に応じて変化するそれらのキャパシタンスに起因するこれらダイオードの内在的な好調波ひずみが低減される。
【００２１】
図４は、本発明の可変利得増幅器が超音波プローブに連結している場合の、制御電圧ＴＣ１ないしＴＣ４（それぞれが各バリキャップに対する電圧ＶＣを有する）を生成するパイロット電圧の、時間の経過に伴う標準的変化を示す。この利得は、必ず、直線の開始位置（ｔ０）で最小であって、利得の飽和により（必要に応じて時刻ｔ’１から平坦な領域を描きながら）時刻ｔ１まで増加する。ｔ１直後の時刻ｔ２では、この利得はｔ３まで取り消され、その後、時刻ｔ０から始まったプロセスと同一のプロセスが再開することになる。考慮した実施例では、ｔ０＝０．００μｓ、ｔ’１＝３５μｓ、ｔ１＝５０μｓ、ｔ２＝５５μｓ及びｔ３＝８０μｓであった。
【００２２】
説明を簡単にするため、本明細書では、増幅器１３の利得変化がバリキャップの制御電圧変化と一致すると仮定する。これら制御電圧は、通常、デジタル／アナログ変換器によって供給される。実際には、このデジタル／アナログ変換器は、ダイオードのキャパシタンス変化の、従ってこれら制御電圧に従う増幅器の利得変化の非直線性を考慮した、任意の制御電圧変化を作り出すために使用することができる。
【００２３】
図４に示すパイロット電圧から、例えば図５に示すような回路を使用して４つの電圧ＴＣ１ないしＴＣ４が生成される。ＴＣ１の絶対項値はいずれの瞬間においてもＴＣ２と等しくなければならないが、符号は反対でよい。一方、ＴＣ３の絶対項値は、ＴＣ４と等しくなければならないが、符号は反対でよい。利得を最小にするために、ＴＣ３とＴＣ４の絶対値は、時刻ｔ０において最大値を取らねばならず、それはバリキャップ４４と４５の最小キャパシタンスに相当することに注意されたい。同様に、時刻ｔ０において最小の利得を得るためには、電圧ＴＣ１とＴＣ２は最小の絶対値を取らねばならず、それはバリキャップ２６と３３の最大キャパシタンスに相当する。また、通常は６４又は１２８の増幅器を有する超音波検査器の可変利得増幅器全てに対し、単一の制御回路で十分であることに注意されたい。
【００２４】
図５には、（従来通り、プログラム可能なデジタル発電機及びデジタル／アナログ変換器を備える）発電機５７により供給される単一のパイロット電圧から電圧ＴＣ１ないしＴＣ４を供給することができる制御回路５６の例示的実施形態の概略図を示す。発電機５７は、電圧ＴＣ１及びＴＣ２を供給する２つの演算増幅器５８、５９を備えた制御ステージを直接駆動し、また、電圧ＴＣ３及びＴＣ４を供給する演算増幅器６１及び６２を有する第二制御ステージを、補助演算増幅器６０を介して駆動する。全ての演算増幅器５８ないし６２は同じ方法で搭載されている。つまり、それらの非反転入力は接地されており、反転入力は直列抵抗ＲＳ、及びフィードバック抵抗ＲＣＲを介して駆動され、それぞれが正の電圧Ｖ＋と負の電圧Ｖ−に連結されて、接地に対して左右対称に電力供給されている。さらに、増幅器６１の反転入力は補助電源６４と直列接続する抵抗６３を介して接地されている。
【００２５】
例示的実施形態によれば、電圧ＴＣ１ないしＴＣ４が０Ｖと約４．３Ｖの間で変化する場合、バリキャップダイオード４４と４５のキャパシタンスは１２ｐＦと３６ｐＦの間で変化し、一方ダイオード２６と３３のキャパシタンスは３ｐＦと９ｐＦの間で変化する。その結果、バリキャップの最高キャパシタンスと最低キャパシタンスの比は３であり、これにより、集積回路技術、ＢＩＣｍｏｓ等においてカスタム可変利得増幅器の生成が可能になる。
【００２６】
図６は上述の例示的実施形態に関する。図では、５つの異なるキャパシタンス比の値について、周波数の変化に伴う本発明の可変利得増幅器の利得の変化をｄＢで示す。利得がほぼ直線となっている部分の下から順に、これらの曲線はそれぞれ以下の最大キャパシタンスを有するバリキャップに対応する：
・利得が約１６ｄＢである曲線：Ｚ１が９ｐＦ、及びＺ２が１２ｐＦ；
・利得が約１９ｄＢである曲線：Ｚ１が７．５ｐＦ、及びＺ２が１８ｐＦ；
・利得が約２１ｄＢである曲線：Ｚ１が６ｐＦ、及びＺ２が２４ｐＦ；
・利得が約２４．５ｄＢである曲線：Ｚ１が４．５ｐＦ、及びＺ２が３０ｐＦ；
・利得が約２８ｄＢである曲線：Ｚ１が３ｐＦ、及びＺ２が３６ｐＦ。
【００２７】
この図は（減衰１ｄＢにおける）使用可能な周波数帯が２〜１５ＭＨｚであることを示し、増幅器の利得が１６〜２７ｄＢまで可変であることを示す。
【００２８】
当然のことながら、バリキャップダイオードが別個の部品の形態で製造されている場合、それらのキャパシタンスはより大きな割合で変化し得る。そのような別個の部品を使用することにより、比率２０以上を容易に達成することができる。結果は、当然のことながら、本発明による増幅器の利得可変域がさらに広がることになる。図７（図６に類似）は、バリキャップダイオードのキャパシタンスの制限値の間において、比率２０の場合の増幅器の利得の変化を示したものである。この実施形態によれば、ダイオード４４と４５のキャパシタンスは６から１２０ｐＦまで変化し、一方ダイオード２６と３３のキャパシタンスは３から６０ｐＦまで変化する。これにより、（減衰１ｄＢにおける）使用可能な周波数帯域が約２〜８ＭＨｚであり、利得が１１〜３５ｄＢまで変化することがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による解決法を実施するために２つの部品が置換される、可変利得増幅器として搭載可能な演算増幅回路の概略図である。
【図２】図１の回路から作られた、本発明による可変利得増幅器の概略図である。
【図３】本発明による可変利得増幅器の例示的一実施形態の詳細図である。
【図４】本発明による増幅器のリアクタンス性部品の時刻の経過に伴う制御電圧の変化を示したグラフである。
【図５】本発明による増幅器のリアクタンス性部品の制御回路の例示的一実施形態の詳細図である。
【図６】本発明による増幅器に具備されるバリキャップのキャパシタンス変化について、周波数の変化に伴う本発明の増幅器の利得の変化を示したグラフである。
【図７】本発明による増幅器に具備されるバリキャップの別のキャパシタンス変化について、周波数の変化に伴う本発明の増幅器の利得の変化を示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2005529513.tif 000011
2005529513.tif 000012
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