(57)【要約】【解決手段】下流のアナログ-デジタル信号変換器14を含むデータ信号処理回路において、前置増幅器ステージ14は動的に制御可能な信号利得をもつ。データ信号（続いて増幅される）のレベルがモニターされ、前記増幅器ステージ14の利得は、このデータ信号が一つ以上の予め定められた閾値を超えることに応じて、動的に調節される。かくして、前置増幅器ステージ14の有効なダイナミックレンジは拡張され、これにより、全システムのダイナミックレンジは、アナログ-デジタル信号変換器18により制限されていたことを越えて、有効に拡張される。
2005507189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動的に制御可能なダイナミック信号レンジをもつデータ信号増幅および処理回路を有する装置であって、
関連したデータ信号電荷をもつ入力データ信号を伝える入力ターミナルと、
前記入力データ信号に対応する出力データ信号を伝える出力ターミナルと、
前記入力ターミナルと前記出力ターミナルとの間に接続され、関連した可変フィードバックキャパシタンスを有する前置増幅回路を含み、利得制御信号および前記入力データ信号を受信する、増幅および処理回路と、
前記出力ターミナルと前記増幅および処理回路との間に接続され、前記出力データ信号をモニターし、前記利得制御信号を介して前記可変フィードバックキャパシタンスを制御する制御回路と、
を含み、
前記出力データ信号および前記入力データ信号の比が前記データ信号電荷およびフィードバックキャパシタンスの関数であり、かつ前記利得制御信号に応答し、
前記可変フィードバックキャパシタンスは、前記出力データ信号が予め定めた信号閾値を超えるとき、変化する、ところの装置。
【請求項２】
前記増幅および処理回路が、入力ターミナルおよび出力ターミナルを有する差動増幅器を含み、前記可変フィードバックキャパシタンスは、前記差動増幅器の入力ターミナルと出力ターミナルとの間に接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記増幅および処理回路がさらに、前記出力データ信号をサンプル化する、前記差動増幅器に接続される、サンプルホールド回路を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記可変フィードバックキャパシタンスが、並列に接続される、複数のスイッチコンデンサー回路を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記可変フィードバックキャパシタンスが、ひとつ以上のスイッチコンデンサー回路に並列に接続される可変コンデンサーを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記制御回路が、前記出力データ信号を基準信号と比較する比較器回路を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
さらに、前記出力データ信号をデジタルデータ信号に変換する、前記出力ターミナルに接続される、アナログ-デジタル変換回路を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
動的に制御可能なダイナミック信号レンジをもつデータ信号増幅および処理回路を有する装置であって、
関連したデータ信号電荷をもつ入力データ信号を伝える入力手段と、
前記入力データ信号に対応する出力データ信号を伝える出力手段と、
関連した可変フィードバックキャパシタンスをもつ前置増幅器手段を含み、利得制御信号および前記入力データ信号を受信し、前記出力データ信号を生成する、増幅器および処理器手段と、
前記出力データ信号をモニターし、前記利得制御信号を介して前記可変フィードバックキャパシタンスを制御する制御器手段と、
を含み、
前記出力データ信号および前記入力データ信号の比が前記データ信号電荷およびフィードバックキャパシタンスの関数であり、かつ前記利得制御信号に応答し、
前記可変フィードバックキャパシタンスは、前記出力データ信号が予め定めた信号閾値を超えるとき、変化する、ところの装置。
【請求項９】
Ｘ線画像システムを有する装置であって、
関連したデータ信号電荷のそれぞれを有する複数の画素データ信号を与えるＸ線画像装置と、
該Ｘ線画像装置に接続され、関連した複数の可変フィードバックキャパシタンスをもつ前置増幅回路を含み、ひとつ以上の利得制御信号および前記複数の画素データ信号を受信し、前記複数の画素データ信号にそれぞれ対応する、複数の出力データ信号を生成する、増幅および処理回路と、
前記複数の出力データ信号をモニターし、前記ひとつ以上の利得制御信号を介して前記複数の可変フィードバックキャパシタンスを制御する制御回路と、
を含み、
前記複数の出力データ信号と前記複数の画素データ信号のそれぞれの比が、前記データ信号電荷およびフィードバックキャパシタンスの、対応するそれぞれの関数であり、かつ前記ひとつ以上の利得制御信号のそれぞれに応答し、
前記複数の可変フィードバックキャパシタンスのそれぞれは、前記複数の出力データ信号のひとつ以上がひとつ以上の予め定められた信号閾値を超えるときに、選択的に変化する、ところの装置。
【請求項１０】
前記増幅および処理回路が、入力ターミナルおよび出力ターミナルをそれぞれもつ複数の差動増幅器を含み、前記複数の可変フィードバックのそれぞれが、前記差動増幅器のそれぞれの入力ターミナルおよび出力ターミナルの間に接続される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記増幅および処理回路が、前記複数の差動増幅器に接続され、前記複数の出力データ信号をサンプル化するサンプルホールド回路を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記複数の可変フィードバックキャパシタンスのそれぞれが、並列に接続される、複数のスイッチコンデンサーを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記複数の可変フィードバックキャパシタンスのそれぞれが、ひとつ以上のスイッチコンデンサー回路に接続される可変コンデンサーを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記制御回路が、前記複数の出力データ信号をひとつ以上の基準信号のぞれぞれと比較する、複数の比較器回路を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
さらに、前記増幅および処理回路に接続され、前記複数の出力データ信号を複数のデジタルデータ信号に変換する、アナログ-デジタル変換回路を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
Ｘ線画像システムを有する装置であって、
関連したデータ信号電荷のそれぞれを有する複数の画素データ信号を与えるＸ線画像手段と、
関連した複数の可変フィードバックキャパシタンスをもつ前置増幅回路を含み、ひとつ以上の利得制御信号および前記複数の画素データ信号を受信し、前記複数の画素データ信号にそれぞれ対応する、複数の出力データ信号を生成する、増幅器および処理器手段と、
前記複数の出力データ信号をモニターし、前記ひとつ以上の利得制御信号を介して前記複数の可変フィードバックキャパシタンスを制御する制御器手段と、
を含み、
前記複数の出力データ信号と前記複数の画素データ信号のそれぞれの比が、前記データ信号電荷およびフィードバックキャパシタンスの、対応するそれぞれの関数であり、かつ前記ひとつ以上の利得制御信号のそれぞれに応答し、
前記複数の可変フィードバックキャパシタンスのそれぞれは、前記複数の出力データ信号のひとつ以上がひとつ以上の予め定められた信号閾値を超えるときに、選択的に変化する、ところの装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低レベルの信号の前置増幅を行うアナログ増幅器に関し、特に、電荷バイアス信号を増幅する、制御可能なダイナミック信号レンジをもつアナログ前置増幅器回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
高いダイナミック信号レンジはいろいろなタイプの回路に対しキーパラメータである。このことは、とりわけフラットパネルX線画像システムの分野ではそうである。従来技術でよく知られているように、このようなシステムはシンチレーショ層を含む検出器カセットを使用するが、このカセットは、入射X線光子を吸収し、検出器アレーにもある光電性要素による検出のための可視光の光子に変換する。また、よく知られているように、このような検出器アレーは、画素要素、すなわち「画素」として参照される微小領域の二次元配列を含む。画素は、光ダイオードのようなアドレス可能な光電要素、およびスイッチングトランジスタの組合わせを含む。このような回路から、個々の画素データ信号（一般的に、電荷バイアス信号の形態をしている）が増幅および他の処理のために提供される。このタイプの画像システムの詳細は、特許文献１（「多重モードデジタルX線画像システム」）（ここの参考文献として組み込まれる）になされている。
【特許文献１】
米国特許第5970115号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなデータ信号の処理（その後に前増幅およびある形態のサンプルホールド動作が続く）の一部として、このような信号は、アナログ-デジタル変換回路（ADC）を使用してデジタル信号に変換される。一般的に、システムのダイナミックレンジを典型的に、14ビットでセットまたは制限するのがこのADC回路である。しかし、フラットパネルX線画像システムの分野での、このようなダイナミックレンジは、このようなシステムの市場での成功の傷害となっている。したがって、最大のダイナミックレンジが拡張され、ADC回路のダイナミックレンジからより独立する技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明にしたがって、下流にアナログ-デジタル信号変換器を含むデータ信号処理回路の前置増幅器ステージで、動的に制御可能なダイナミック信号レンジが与えられる。データ信号（続いてデ前増幅が続く）のレベルをモニターすることにより、前置増幅器の利得は動的に調節され、これにより前置増幅器ステージの有効、または使用可能なダイナミックレンジが拡張される。このことは、アナログ-デジタル信号変換器のダイナミックレンジにより制限されていたことを越えて、全システムのダイナミックレンジを有効に拡張するという効果を与える。特に、本発明が効果を奏する適用例は、フラットパネルの固体画像装置を使用するもののようなX線画像システムである。
【０００５】
本発明の一実施例にしたがった、動的に制御可能なダイナミック信号レンジをもつデータ信号増幅および処理回路は、入力および出力ターミナル、増幅および処理回路、ならびに制御回路を含む。入力ターミナルは関連したデータ信号電荷をもつ入力データ信号を伝えるものである。出力ターミナルは、入力信号に対応する出力データ信号を伝えるものである。入力ターミナルと出力ターミナルとの間に接続され、関連した可変フィードバックキャパシタンスを有する前置増幅回路を含む増幅および処理回路は、利得制御信号および入力データ信号を受信し、出力信号を生成する。ここで入力信号および出力信号の比はデータ信号の電荷およびフィードバックキャパシタンスの関数であり、利得制御信号に応答するものである。出力ターミナルと増幅および処理回路との間に接続される制御回路は、出力データ信号をモニターし、可変フィードバック対利得制御信号を制御する。ここで可変フィードバックキャパシタンスは、出力データ信号が予め定めた信号閾値を超えるときに変化する。
【０００６】
本発明の一実施例にしたがったX線画像システムは、X線画像装置、増幅および処理回路、および制御回路を含む。X線画像装置は関連したそれぞれのデータ信号電荷を有する、複数の画像データ信号を与える。X線画像装置に接続され、関連した複数の可変フィードバックキャパシタンスをもつ前置増幅回路を含む増幅および処理回路は、ひとつ以上の利得制御信号および複数の画素データ信号を受信し、複数のデータ信号にそれぞれ対応する複数の出力データ信号を生成する。ここで、複数の出力および画素データ信号のそれぞれのものの個々の比はデータ信号電荷およびフィードバックキャパシタンスの、対応するそれぞれの関数であり、ひとつ以上の利得制御信号のそれぞれに応答する。増幅および処理回路に接続される制御回路は複数の出力データ信号をモニターし、ひとつ以上の制御信号を介して、複数の可変フィードバックキャパシタンスを制御する。ここで、複数の可変フィードバックキャパシタンスのそれぞれは、複数の出力データ信号のひとつ以上がひとつ以上の予め定めた信号閾値を超えるときに、選択的に変化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下の説明はX線画像システムの内容に関するものであるが、本発明にしたがって、動的に制御可能な信号利得を有するデータ信号増幅器がこのようなシステムの全ダイナミックレンジの拡張を必要とし、動的にそのことを行うどのシステムにも使用できることは分かるであろう。
【０００８】
図１に示されているように、本発明の一実施例にしたがって、動的に制御可能なダイナミック信号レンジをもつデータ信号増幅器を使用するX線画像システムがX線画像装置10および複数のデータ信号増幅および処理ステージ12（図示のように実質的に相互接続される）（12a、12b・・・、12n）を含む。従来（特許文献１（米国特許第5970115号））から知られているように、X線画像装置10は複数の画素データ信号11（11a、11b・・・、11n）を与え、それら信号は、データ信号増幅および処理ステージ12にひとつで受信される。また、従来から知られているように、画素データ信号11のそれぞれは、データ信号電荷Qデータと関連をもち、Qデータは画素データに対応する電荷であって、データ増幅および処理ステージ12（以下で説明される）の入力に与えられる。
【０００９】
画素データ信号11は前置増幅器14により受信され、増幅される。この前記増幅器14は関連したフィードバックキャパシタンスCfb（以下で説明される）を有する。このようなフィードバックキャパシタンスCfbは前置増幅器14の利得を確立するために、データ信号電荷Qデータと関連して作用する。いいかえると、周知の原則にしたがって、前記増幅器14の信号利得はデータ信号電荷QデータおよびフィードバックキャパシタンスCfbの関数である（利得＝Vデータ／Qデータ＝1／Cfb、ここで、Vデータは前置増幅器14の出力信号15a電圧である）。以下で詳説されるように、本発明にしたがって、このフィードバックキャパシタンスCfbは可変で、制御器ステージ20により与えられる利得制御信号12により制御される。
【００１０】
前置増幅器14の出力15aはこの信号15aをサンプル化し、下流にあるアナログ-デジタル変換器（ADC）18が保持した信号をデジタル同等信号19に変換するのに必要な時間の間、保持するサンプルホールドステージ16により処理される。
【００１１】
制御器20は前置増幅器14およびサンプルホールドステージ16からのひとつ以上の出力信号をモニターする。このような信号は、前置増幅器ステージ14からの出力15a、サンプルホールドステージ16からの出力15c、およびサンプルホールドステージ16内で生成される暫定的な信号15bを含む。本発明の好適な実施例では、モニターされた信号は、前置増幅器14により生成される。しかし、他の信号15b、15cのいずれも、モニターされる信号が、前置増幅器14にしたがって、元々の画素データ信号11の既知の関係または対応を指示することのみが必要であることから、本発明の目的にそってモニターされてもよい。
【００１２】
制御器20は、このような信号15がひとつ以上の予め定められた信号閾値（以下で詳説される）を超えるときを決めるために、この信号15をモニターする。このような閾値のクロスシング（crossing）が生じるとき、制御器ステージ20は、利得制御信号21aにより、前置増幅器14内のフィードバックキャパシタンスCfbの値を調節する。したがって、モニターされた信号15は、フィードバックキャパシタンスCfbが飽和に近づいていることを示すとき、制御器20は利得制御信号21aを調節して、選択的にフィードバックキャパシタンスCfbの値を増加させ、これにより利得（＝Vデータ／Qデータ＝1/Cfb）を減少させる一方、ダイナミックレンジ（すなわち、装置または回路の飽和なしで最大の可能な出力信号）を増加させることができる。このことが生じると、制御器20はまた、補正指示信号21bを生じさせ、下流の処理ステージ（図示せず）（デジタル同等データ信号19が、データ信号電荷Qデータおよび新しく値調節されたフィードバックキャパシタンスCfbにより決定されるように新しい利得制御信号因子にしたがって与えられる）を変更する。
【００１３】
図２に示されているように、前置増幅器14の一実施例14aは、差動増幅器30および可変フィードバックステージ32（相互に連結されている）を含む。入力画素データ信号11は、差動増幅器30により、基準信号Vrefaと比較される。画素データ信号11は、出力信号15aを形成する一方、画素データ11および基準信号Vrefaに現れる共通モード信号成分を排除するために、増幅器30により増幅される。フィードバックキャパシタンスCfbは上述したように、必ず制御器ステージ20からの利得制御信号21aにより調節される。
【００１４】
図３に示されているように、制御器20の一実施例20aは比較器回路40を含み、この回路は、モニターされた信号15を、ひとつ以上の基準信号Vrefb、Vrefc（所望に履歴を与えるために調節することができる）と比較する。履歴が望ましくない、または必要でないとき、ただひとつの基準信号Vrefbが必要となる。したがって、モニターされた信号15が、いずれかで、この基準信号Vrefbを越え、または超えると、結果として利得制御信号21aはふたつの信号状態の一方をもつことになる。しかし、履歴が必要、または望ましいとき、付加的な基準信号Vrefcが使用され、その結果利得制御信号21aは、モニターされた信号15が、一方向で第一の基準信号Vrefbを越え、他の方向で第二の基準信号Vrefcを越える。この履歴効果は図３Aのグラフに示されている。
【００１５】
図４に示されているように、図２の回路のフィードバックキャパシタンスステージ32の一実施例32aは、実質的に図示のように実行され得る。コンデンサーC1は、上述したように、データラインのキャパシタンスCデータに関連する、ベースライン利得値を与えるように、主またはベースラインキャパシタンスとして機能する。ひとつ以上の付加的なコンデンサーC2、C3が、付加的なキャパシタンス値の範囲を与えるように設けられている。たとえば、コンデンサーC2がコンデンサーC1と並列接続するように切り換えられると、正味のフィードバックキャパシタンスCfbはキャパシタンスC1とC2の合計となる。同様に、コンデンサーC3がコンデンサーC2に代えて使用されると、正味のフィードバックキャパシタンスはキャパシタンスC1とC3の合計となる。
【００１６】
コンデンサーC2およびC3は固体スイッチS1およびS2を、それぞれ使用して選択的に回路内に組み込まれ、または外される。このようなスイッチS1、S2は周知の技術にしたがって、利得制御信号21aにより制御される。さらに、このようなスイッチS1、S2は一般的に、周知の回路設計技術にしたがって、パストランジスターまたは伝達ゲート（並列に接続された二連パストランジスター）のように設計される。
【００１７】
さらに、付加的な利得制御信号21cにより制御される可変キャパシタンス（たとえば、バラクター）であるように、周知の技術にしたがって製造されるもののように、ベースラインコンデンサーC1を導入することが可能である。一般的に、リセットスイッチS0も与えられ、適切な時に、全てのキャパシタンスを放電することによりこの回路をリセットするように、リセット信号21rにより制御される。
【００１８】
本発明の構成および動作方法についての種々の変更および修正が、本発明の範囲、思想から逸脱することなく、なし得ることは当業者には明らかである。本発明が特定の好適な実施例に関連して説明されているが、この特定の実施例に本発明が限定されるべきものと解すべきではない。特許請求の範囲が本発明の範囲を画成し、特許請求の範囲およびこの均等物内の構成および方法はこれにより包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の一実施例にしたがった、動的に制御可能なダイナミック信号レンジをもつデータ信号増幅器を使用するＸ線画像システムの機能ブロック図である。
【図２】図２は図１の前置増幅器の機能ブロック図である。
【図３】図３は図１の回路の制御器ステージの機能ブロック図である。
【図３Ａ】図３Aは図３の比較器回路により与えられる履歴効果の図である。
【図４】図４は、図２の回路で示された可変フィードバックキャパシタンスの例示図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2005507189.tif 000019
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2005507189.tif 000021
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【国際調査報告】
2005507189.tif 000023