We present an area- and power-efficient application-specific integrated circuit (ASIC) for a miniaturized 3-D ultrasound system. The ASIC is designed to transmit pulse and receive echo through a 36-Ch. 2-D piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer (pMUT) array. The 36 Ch. ASIC integrates a transmitter (TX), a receiver (RX), and an analog-to-digital converter (ADC) within the $250-\mu m$ pitch channel while consuming low-power and supporting calibration to compensate for the process variation of the pMUT. The Charge-Recycling High-Voltage TX (CRHV-TX) in standard CMOS generates up to 13.2 $V_{PP}$ pulse while reducing 42.2% peak TX power consumption. Also, each CRHV-TX automatically calibrates excitation voltage according to its acoustic pressure. The dynamic-bit shared ADC (DBS-ADC) shares most-significant-bits (MSBs) among 4 channels based on the signal similarity between adjacent channels. The analog front-end (AFE) with a received signal sensitivity indicator (RSSI) changes its gain adaptively in real-time depending on input signal strength. The entire ASIC consumes 1.14mW/Ch. average power, reduced by 24.9%, with 1-kHz PRF and 3 TX pulses per cycle. The ASIC in $0.18 \mu m$ 1P6M Standard CMOS has been verified with both electrical and acoustic experiments with $a 6 \times 6$ pMUT array.
초소형 3-D 초음파 시스템은 심장 내 심장 초음파, 경식도 심장초음파, 혈관 내 초음파 등 여러 활용 기술으로 널리 사용되기 시작했다. 3-D 초음파 시스템은 해상도를 높이기 위하여 점점 많은 행렬의 트랜스듀서를 사용하게 되며, 그로 인하여 ASIC 또한 픽셀 단위로 설계하여야 하는 필요성이 생기게 되었다. 피치 단위의 작은 공간에 저전력을 소모하는 초음파 송신기, 수신기, 아날로그-디지털 변환회로를 모두 집적하는 것이 ASIC 설계의 목표이다. 본 논문에서는 이러한 목표를 달성하기 위하여, 전하를 재활용 하는 송신기를 설계하였다. 전하를 재활용하여 송신기에서 소모하는 전력을 줄일 수 있었으며, 이 송신기를 고전압 공정이 아닌, 일반 공정에서도 지원할 수 있도록 설계하여 그로 인한 면적 손실을 줄였다. 아날로그-디지털 변환회로에서는 초음파의 행렬들이 받는 신호들의 유사성이 높다는 것을 활용, 인접한 행렬들끼리 최상위 비트를 공유하도록 설계하였다. 최상위 비트를 공유하도록 설계하여, 이로 인한 면적과 전력의 이득을 가져왔다. 수신기에서는 의학 목적에 부합하도록 사용할 수 있도록, 현재 들어오고 있는 신호의 크기에 따라 실시간 교정이 이루어질 수 있는 회로를 설계하였으며, 그 결과 송신기, 수신기, 아날로그-디지털 변환회로를 픽셀 단위의 면적에 처음으로 모두 집적하였다.
