專利名稱：信號動態(tài)范圍自動可控的數(shù)據(jù)信號放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及前置放大低電平信號的模擬放大器，具體地，涉及信號動態(tài)范圍可控的模擬前置放大器電路，用于放大基于電荷的信號。
背景技術：
許多類型的電路中，高的信號動態(tài)范圍是一個關鍵參數(shù)。平板X射線成像系統(tǒng)領域內，尤其如此。如本技術領域內所周知，此類系統(tǒng)中應用一個包含閃爍層的檢測器底片盒，它吸收照射的X射線光子，并將它們轉換成可見光光子，以供又包含在檢測器陣列內的光敏單元檢測。又眾所周知，此種檢測器陣列中包含一個稱為影像元素或“像素”的二維顯微方格陣列。每個像素包括一個可尋址的光敏元素，諸如是光敏二極管與開關晶體管的組合。來自此種電路的各個像素數(shù)據(jù)信號一般形式為基于電荷的信號，需加以放大和進一步處理。此種類型成像系統(tǒng)的深一層討論可在普通授予的美國專利U.S.Patent No.5,970,115中找到，名稱為“多模式數(shù)字X射線成像系統(tǒng)”，其公開件引入于此作為參考。
作為此類數(shù)據(jù)信號處理的一部分，后隨有前置放大和某種形式的取樣-保持操作，以應用模-數(shù)變換電路(ADC)將此類信號變換成數(shù)字信號。通常，就是由這一ADC電路設定或限制了系統(tǒng)的最大動態(tài)范圍，典型值為14比特。然而，在平板X射線成像系統(tǒng)領域內，此種最大動態(tài)范圍對此類成像系統(tǒng)的商業(yè)成功來說已是一個障礙。因此，希望有一種技術能借此擴展最大動態(tài)范圍，從而做到與ADC電路的最大動態(tài)范圍無甚關系。

發(fā)明內容
按照現(xiàn)在提出的本發(fā)明，在數(shù)據(jù)信號處理電路前置放大級中提供動態(tài)可控的信號動態(tài)范圍，在處理電路的下游具有模-數(shù)信號變換器。通過數(shù)據(jù)信號前置放大后的信號電平，動態(tài)地調整前置放大級的增益，由此可擴展前置放大級的有效或適用動態(tài)范圍。它給出的進一步優(yōu)點是能有效地擴展整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍，可超出模-數(shù)變換器的動態(tài)范圍本來會限制的信號范圍。本發(fā)明的一個具體的有利應用是使用著平板固體成像裝置之類的X射線成像系統(tǒng)。
按照現(xiàn)在提出的本發(fā)明的一個實施例，信號動態(tài)范圍可動態(tài)控制的數(shù)據(jù)信號放大和處理電路中包括輸入端和輸出端，放大和處理電路，以及控制電路。輸入端用于傳輸輸入數(shù)據(jù)信號，該數(shù)據(jù)信號帶有它所關聯(lián)的數(shù)據(jù)信號電荷。輸出端用于傳輸與輸入數(shù)據(jù)信號相對應的輸出數(shù)據(jù)信號。放大和處理電路連接在輸入端與輸出端之間，包括有它所關聯(lián)的、帶有可變反饋電容的前置放大電路，它接收增益控制信號和輸入數(shù)據(jù)信號，產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)信號，其中，輸出與輸入數(shù)據(jù)信號之電平比是數(shù)據(jù)信號電荷和反電容的一個函數(shù)，并響應于增益控制信號的大小?？刂齐娐愤B接在輸出端與放大和處理電路之間，它監(jiān)測數(shù)據(jù)信號，通過增益控制信號控制可變反饋電容，其中，當輸出數(shù)據(jù)信號超出預定的信號門限時使可容反饋電容的電容量改變。
按照現(xiàn)在提出的本發(fā)明的一個實施例，X射線成像系統(tǒng)中包括X射線成像器件，放大和處理電路，以及控制電路。X射線成像器件能提供許多的像素數(shù)據(jù)信號，它們帶有關聯(lián)的各別數(shù)據(jù)信號電荷。放大和處理電路連接于X射線成像器件上，包括有它所關聯(lián)的、配置著許多可變反饋電容的前置放大電路，并可接收一個或多個增益控制信號和許多的像素數(shù)據(jù)信號，產(chǎn)生出與許多像素數(shù)據(jù)信號各別地對應的許多輸出數(shù)據(jù)信號，其中，許多輸出數(shù)據(jù)信號中的每一個與各像素數(shù)據(jù)信號之電平比是相應的各別數(shù)據(jù)信號電荷和反饋電容的函數(shù)，并響應于一個或多個增益控制信號中各別的信號?？刂齐娐放c放大和處理電路相連接，監(jiān)測許多的輸出數(shù)據(jù)信號，并通過一個或多個增益控制信號對許多可變反饋電容進行控制，其中，當許多輸出數(shù)據(jù)信號中的一個或多個超出一個或多個預定的信號門限時使許多可變反饋電容中各別的電容選擇性地改變電容量。


圖1是按照本發(fā)明一個實施例的X射線成像系統(tǒng)功能方框圖，它使用信號動態(tài)范圍可動態(tài)控制的數(shù)據(jù)信號放大器。
圖2是圖1中前置放大級的功能方框圖。
圖3是圖1的電路中控制級的功能方框圖。
圖3A是圖3中比較器電路給出的遲滯效應的曲線圖。
圖4是圖2電路中插述的可變反饋電容的一個實現(xiàn)例子概略圖。
具體實施例方式
應當指出，雖然，下面的論述從上下文看針對X射線成像系統(tǒng)，但是，就提出權利要求的本發(fā)明的信號增益動態(tài)可控式數(shù)據(jù)信號放大器而言，它能夠有利地應用于任何實際系統(tǒng)中，即如果某種系統(tǒng)需要有一種方式來擴展其總體動態(tài)范圍并且能夠以動態(tài)方法實現(xiàn)這種擴展時。
參見圖1示明的按照本發(fā)明一個實施例的X射線成像系統(tǒng)，它應用到其信號動態(tài)范圍可動態(tài)控制的一個數(shù)據(jù)信號放大器，該成像系統(tǒng)中包括X射線成像器器件10和許多的數(shù)據(jù)信號放大與處理級12(12a、12b、...12n)，兩部分之間的連接實質上如圖中所示。如本技術領域內所周知(例如，參見美國專利No.5,970,115)，X射線成像器器件10給出許多的像素數(shù)據(jù)信號11(11a、11b、...、11n)，其每一個由數(shù)據(jù)信號放大和處理級12中相應的各個進行接收。又如本技術領域內所周知，每一個像素數(shù)據(jù)信號11具有它所關聯(lián)的數(shù)據(jù)信號電荷即Q數(shù)據(jù)，該電荷對應于像素數(shù)據(jù)，提供給數(shù)據(jù)信號放大和處理級12的輸入端(下面有效詳細的論述)。
由前置放大級14接收和放大像素數(shù)據(jù)信號11。該前置放大級14帶有其關聯(lián)的反饋電容Cfb(下面有效詳細的論述)。此種反饋電容Cfb與數(shù)據(jù)信號電荷即Q數(shù)據(jù)一起工作，確立前置放大級14的增益。換言之，根據(jù)周知的原理，前置放大級14的信號增益是數(shù)據(jù)信號電荷即Q數(shù)據(jù)和反饋電容Cfb的一個函數(shù)(增益G＝V數(shù)據(jù)、Q數(shù)據(jù)＝1/Cfb，式中，V數(shù)據(jù)是前置放大級14輸出信號15a的電壓)。另外，如下面較詳細的論述，按照本發(fā)明，該反饋電容Cfb是可變的，受控制級20給出的增益控制信號21a的控制。
前置放大級14的輸出15a由取樣和保持級16進行處理，它對信號15a取樣，并將取樣值保持必要的時間，以使得下游的模-數(shù)變換器(ADC)18將此種保持的信號變換成等效的數(shù)字信號19。
控制級20監(jiān)測前置放大級14和取樣與保持級16所給出的一個或多個輸出信號。此類信號中可包括前置放大級14來的輸出15a、取樣和保持級16來的輸出15c、以及在取樣和保持級16內產(chǎn)生的中間信號15b。本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所監(jiān)測的信號是由前置放大級14產(chǎn)生的信號15a。然而，也可以監(jiān)測任一種其他信號15b、15c以供本發(fā)明的目的應用，因為根據(jù)前置放大級14的增益控制原理，監(jiān)測中只需要該被監(jiān)測信號與原始像素數(shù)據(jù)信號11之間有著某種已知關聯(lián)或對應性。
控制器20監(jiān)測此信號15，以便確定何時信號15超出一個或多個預定的信號門限(下面有效詳細的論述)。當發(fā)生該門限被跨越時，控制器20通過增益控制信號21a調整前置放大級14內反饋電容Cfb的電容值。因此，在被監(jiān)測信號15指明反饋電容Cfb趨向最大限度時，控制器20可調整增益控制信號21a，選擇性地增大反饋電容Cfb的電容值，由此降低增益G(＝V數(shù)據(jù)/Q數(shù)據(jù)＝1/Cfb)，同時增加動態(tài)范圍(也不發(fā)生器件或電路飽和下的最大可能輸出信號電壓)。出現(xiàn)增益控制時，控制器20還產(chǎn)生一個校正指示信號21b告警其下游處理級(未示出)，指明數(shù)字等效的數(shù)據(jù)信號19是按照新的增益系數(shù)提供的，該新的增益系數(shù)由數(shù)據(jù)信號電荷即Q數(shù)據(jù)和新調整的反饋電容Cfb確定。
參看圖2，前置放大級14的一個實施例14a中包括有如圖中那樣連接的差分放大器30和可變反饋電容器32。差分放大器30將輸入的像素數(shù)據(jù)信號11與參考信號Vrefa進行比較。像素數(shù)據(jù)信號11由該放大器30放大，產(chǎn)生輸出信號15a，同時抑帛可能出現(xiàn)在像素數(shù)據(jù)11與參考信號Vrefa中的共模信號成分。如上面的討論，來自控制級20的增益控制信號21a按需要地調整反饋電容Cfb。
參看圖3，控制級20的一個實施例20a中包括比較器電路40，它將被監(jiān)測信號15與一個或多個外部參考信號Vrefb、Vrefc進行比較，可以調整參考信號Vrefb和Vrefc以便按需要地提供遲滯效應。容易理解到，如果不希望或不要求遲滯效應，則只需要一個參考信號Vrefb。這時，當被監(jiān)測信號15在向上方向或向下方向上跨越或超出參考信號Vrefb時，得到的增益控制信號21a將是兩種信號狀態(tài)中的某一種。然而，如果要求或希望有遲滯效應，則可以使用一個附加的參考信號Vrefc，以使得只當被監(jiān)測信號15在某一方向上跨越第一參考信號Vrefb或是在另一方向上跨越第一參考信號Vrefc時，才調整增益控制信號21a的值。這種遲滯效應插述于圖3A的曲線圖中。
參看圖4，圖2電路中反饋電容器32的一個實施例32a實質上可如圖中所示地實現(xiàn)。電容器C1起主要電容或基本電容的作用，如上面的討論，它與數(shù)據(jù)線電容即C數(shù)據(jù)一起給出基本的增益值。可以包括入一個或多個附加的電容C2、C3，以便提供出附加的電容數(shù)值范圍。例如，如果將電容器C2接通進來使之與電容器C菩薩關，則凈反饋電容Cfb為電容C1與C2之和。類似地，如果以電容C3替代電容C2，則凈反饋電容為電容C1與C3之和。
應用固態(tài)切換開關S1和S2，可以使電容器C2和C3選擇性地分別接入電路或脫開電路。此類切換開關S1、S2是按照周知的技術由增益控制信號21a進入控制的。此外，按照周知的電路設計技術，此類切換開關S1、S2通常設計成晶體管通斷或傳輸門(并聯(lián)連接的雙路開關晶體管)。
另外，也可以按照周知的制造技術使基本電容器C1以一個可變電容(例如，變容二相管)實現(xiàn)，由附加的增益控制信號21c予以控制。通常，還提供一個復位開關SO，它由復位信號21r控制，在合適的時間使所有電容放電以復位該電路。
本技術領域內的熟練人員顯然可對本發(fā)明的結構和工作方法作出各種其他修改或變更，它們偏離不開本發(fā)明的范圍和實質。雖然，結合特定的優(yōu)選實施例已說明本發(fā)明，但應理解到，提出權利要求的本發(fā)明不應不適當?shù)乇幌拗朴诖祟愄囟▽嵤├稀＿@里的用意是要說明，下面的權利要求書規(guī)定了本發(fā)明的范圍，這些權利要求范圍內的結構和方法以及它們的等效事項因而都包羅于權利要求中。
權利要求
1.一種含有數(shù)據(jù)信號放大與處理電路的裝置，能動態(tài)地控制信號動態(tài)范圍，包括輸入端，用于傳輸具有相關聯(lián)的數(shù)據(jù)信號電荷的輸入數(shù)據(jù)信號；輸出端，用于傳輸與所述輸入數(shù)據(jù)信號相對應的輸出數(shù)據(jù)信號；放大與處理電路，連接于所述輸入端與輸出端之間，并包含具有相關聯(lián)的可變反饋電容的前置放大電路，它接收增益控制信號和所述的輸入數(shù)據(jù)信號，并且產(chǎn)生所述的輸出數(shù)據(jù)信號，其中，所述輸出數(shù)據(jù)信號與輸入數(shù)據(jù)信號之比是所述數(shù)據(jù)信號電荷和反饋電容的一個函數(shù)，并響應于所述增益控制信號；以及控制電路，連接于所述輸出端和所述放大與處理電路之間，它監(jiān)測所述輸出數(shù)據(jù)信號，通過所述增益控制信號控制所述可變反饋電容，其中，當所述輸出數(shù)據(jù)信號超出預定的信號門限時，使所述可變反饋電容改變。
2.權利要求1的裝置，其中，所述放大與處理電路包括一個具有輸入端和輸出端的差分放大器，所述可變反饋電容連接于所述放大器的輸入端與輸出端之間。
3.權利要求2的裝置，其中，所述放大與處理電路還包括取樣與保持電路，連接于所述差分放大器，對所述輸出數(shù)據(jù)信號進行取樣。
4.權利要求1的裝置，其中，所述可變反饋電容包括多個并聯(lián)的電容器通斷電路。
5.權利要求1的裝置，其中，所述可變反饋電容包括一個可變電容器，它并聯(lián)有一個或多個電容器通斷電路。
6.權利要求1的裝置，其中，所述控制電路包括一個比較器電路，它將所述輸出數(shù)據(jù)信號與一個參考信號進行比較。
7.權利要求1的裝置，還包括摸-數(shù)變換電路，它與所述輸出端連接，將所述輸出數(shù)據(jù)信號變換為數(shù)字數(shù)據(jù)信號。
8.一種含有數(shù)據(jù)信號放大與處理電路的裝置，能動態(tài)地控制信號動態(tài)范圍，包括輸入裝置，用于傳輸具有相關聯(lián)的數(shù)據(jù)信號電荷的輸入數(shù)據(jù)信號；輸出裝置，用于傳輸與所述輸入數(shù)據(jù)信號相對應的輸出數(shù)據(jù)信號；放大器與處理器裝置，包含具有相關聯(lián)的可變反饋電容的前置放大器裝置，用于接收增益控制信號和所述輸入數(shù)據(jù)信號，并產(chǎn)生所述輸出數(shù)據(jù)信號，其中，所述輸出數(shù)據(jù)信號與所述輸入數(shù)據(jù)信號之比是所述數(shù)據(jù)信號電荷和反饋電容的一個函數(shù)，并響應于所述增益控制信號；以及控制器裝置，用于監(jiān)測所述輸出數(shù)據(jù)信號，并通過所述增益控制信號控制所述可變反饋電容，其中，當所述輸出數(shù)據(jù)信號超出預定的信號門限時，使所述可變反饋電容改變。
9.一種含有X射線成像系統(tǒng)的裝置，包括X射線成像器件，提供多個像素數(shù)據(jù)信號，具有相關聯(lián)的各自的數(shù)據(jù)信號電荷；放大與處理電路，連接到所述X射線成像器件，并且包含具有多個相關聯(lián)的可變反饋電容的前置放大電路，它接收一個或多個增益控制信號和所述的多個像素數(shù)據(jù)信號，并且產(chǎn)生出與所述多個像素數(shù)據(jù)信號分別對應的多個輸出數(shù)據(jù)信號，其中，各自的所述多個輸出數(shù)據(jù)信號與所述多個像素數(shù)據(jù)信號之間的各自的比值是相應的各自的所述數(shù)據(jù)信號電荷和反饋電容的函數(shù)，并響應于各自的所述一個或多個增益控制信號；以及控制電路，連接到所述放大與處理電路，它監(jiān)測所述多個輸出數(shù)據(jù)信號，并通過所述一個或多個增益控制信號控制所述多個可變反饋電容，其中，當所述許多輸出數(shù)據(jù)信號中的一個或多個超出一個或多個預定的信號門限時，使各自的所述多個可變反饋電容選擇性地改變。
10.權利要求9的裝置，其中，所述放大與處理電路還包括具有各自的輸入端和輸出端的多個差分放大器，在所述各自的放大器的輸入端與輸出端之間連接著各自的所述多個可變反饋電容。
11.權利要求10的裝置，其中，所述放大與處理電路還包括取樣與保持電路，連接到所述多個差分放大器，它對所述多個輸出數(shù)據(jù)信號進行取樣。
12.權利要求9的裝置，其中，所述多個可變反饋電容的每一個包括多個并聯(lián)的電容器通斷電路。
13.權利要求9的裝置，其中，所述多個可變反饋電容的每一個包括一個可變電容器，它并聯(lián)有一個或多個電容器通斷電路。
14.權利要求9的裝置，其中，所述控制電路包括多個比較器電路，它們將各自的所述多個輸出數(shù)據(jù)信號與一個或多個各自的參考信號進行比較。
15.權利要求9的裝置，還包括模-數(shù)變換電路，連接到所述放大與處理電路，它將所述多個輸出數(shù)據(jù)信號變換成多個數(shù)字數(shù)據(jù)信號。
16.一種含有X射線成像系統(tǒng)的裝置，包括X射線成像裝置，用于提供多個像素數(shù)據(jù)信號，它們具有相關聯(lián)的各自的數(shù)據(jù)信號電荷；放大器與處理器裝置，包含具有相關聯(lián)的多個可變反饋電容的前置放大器裝置，用于接收一個或多個增益控制信號和所述多個像素數(shù)據(jù)信號，并且產(chǎn)生出與所述多個像素數(shù)據(jù)信號分別相對應的多個輸出數(shù)據(jù)信號，其中，各自的所述多個輸出數(shù)據(jù)信號與所述多個像素數(shù)據(jù)信號之間各自的比值是相應的各自的所述數(shù)據(jù)信號電荷和反饋電容的函數(shù)，并響應于各自的所述一個或多個增益控制信號；以及控制器裝置，用于監(jiān)測所述多個輸出數(shù)據(jù)信號，并通過所述一個或多個增益控制信號控制所述多個可變反饋電容，其中，當所述多個輸出數(shù)據(jù)信號中的一個或多個超出一個或多個預定的信號門限時，使各自的所述多個可變反饋電容選擇性地改變。
全文摘要
數(shù)據(jù)信號處理電路中信號增益可動態(tài)控制的前置放大級(14)，它包括一個下游的模－數(shù)信號變換器(18)。對經(jīng)過前置放大后的數(shù)據(jù)信號的電平進行監(jiān)測，當此種數(shù)據(jù)信號超出一個或多個預定的門限時做出響應，動態(tài)調整前置放大級(14)的增益。因此，前置放大級(14)的有效動態(tài)范圍得以擴展，隨之也有效地擴展了整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍，否則，超出系統(tǒng)原來的動態(tài)范圍時將受到模－數(shù)信號變換器(18)的限制。按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，此種前置放大器(14)可應用于諸如使用平板固態(tài)成像器件的X射線成像系統(tǒng)中。
文檔編號H04N5/32GK1554149SQ02817656
公開日2004年12月8日 申請日期2002年8月8日 優(yōu)先權日2001年10月16日
發(fā)明者愛德華·塞皮, 愛德華·夏皮羅, 喬治·曾泰, 理查德·考貝斯, 夏皮羅, 考貝斯, 曾泰, 愛德華 塞皮 申請人:瓦潤醫(yī)藥系統(tǒng)公司