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Development of negative-group-delay circuit for high-frequency ultrasonic transducer applications
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2019
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SCI,SCIE,SCOPUS
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학술저널
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-
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<P><B>Abstract</B></P> <P>Compared with low-frequency (<15 MHz) ultrasonic transducers, high-frequency ultrasonic transducers provide higher spatial resolutions while reducing the echo-signal amplitudes and bandwidths owing to the size reduction of the piezoelectric materials. Therefore, performance improvement of high-frequency ultrasonic transducers can enhance the performance of the whole ultrasound instrument. To improve the echo-signal quality, such as the amplitudes, signal distortions, and bandwidths, negative-group-delay circuits for high-frequency ultrasonic transducers have been applied. The components of the negative-group-delay circuit can be constructed using the measured magnitude and phase characteristics of the electrical impedances of the ultrasonic transducers. Therefore, the relationship between the negative group-delay circuit and ultrasonic transducers must be analyzed to identify the adequate components of the negative-group-delay circuit. To confirm the proposed idea, the performances of negative-group-delay circuits were measured and compared. The differences in the measured phase angles of the electrical impedances between the ultrasonic transducer and the combined resistor limiter, negative-group-delay circuit, and preamplifier (including a coaxial cable) were 0.66°, 1.31°, and 9.45° at the resonant, center, and anti-resonant frequencies, respectively (<10°). The calculated and measured maximum negative group delays with the resistor limiter and preamplifier were –21.64 ns at 31.65 MHz and –17.41 ns at 27.38 MHz, respectively.</P> <P>To verify our concept experimentally, we performed a typical pulse-echo test using the designed negative-group-delay circuit integrated with a preamplifier and using the preamplifier alone. The peak-to-peak amplitude, pulse width, –6-dB bandwidth, and total harmonic distortions of the echo signal for the negative-group-delay circuit with the preamplifier (0.232 V<SUB>p-p</SUB>, 0.36 μs, 81.12%, and –60.72 dB, respectively) were improved compared with those for the preamplifier alone (0.154 V<SUB>p-p</SUB>, 0.74 μs, 51.98%, and –28.61 dB, respectively). Therefore, the negative-group-delay circuit is useful for improving the echo-signal quality of high-frequency ultrasonic transducers. The proposed approach is simple and effective for improving the echo-signal quality of ultrasonic transducers without increasing the performance of the power amplifiers and preamplifiers.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> Improving the echo-signal quality of high-frequency ultrasonic transducers. </LI> <LI> Constructed from the measured equivalent-circuit model of the high-frequency ultrasonic transducers. </LI> <LI> Very simple and effective circuit to be implemented for ultrasonic array transducers. </LI> </UL> </P> <P><B>Graphical abstract</B></P> <P>[DISPLAY OMISSION]</P>
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