CN101204013A - 改进的精确低噪声模数转换器 - Google Patents

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Abstract

一种模数系统(10)中的精确的低噪声条件复位积分器电路，在测量周期内由模数转换器(18)多次采样积分器电路(12)的输出；在采样事件期间使积分器电路的输入(30)隔离；响应于积分器电路的输出达到预定值而产生复位信号(20)；以及通过在采样事件期间使积分器电路的反馈电容器与积分器电路的放大器隔离，并使积分器电路的反馈电容器与参考源(24)相连，来复位积分器电路的反馈电容器(16)。

Description

改进的精确低噪声模数转换器
技术领域
本发明涉及一种改进的精确低噪声模数转换器系统。
背景技术
宽的动态范围和低的噪声是模数转换器系统(例如在计算断层摄影(CT，computed tomography)扫描器中使用的模数转换器系统)所需的质量。在这个环境中，尤其要求宽的动态范围，例如120dB，以便适应通过低密度身体区域的非常亮的照射。不过在低端还需要具有非常低的噪声，以便改善例如通过骨骼的低水平照射的质量和对比度。解决这个问题的一种方法是应用条件复位，其可以在一个测量周期内进行多次以便适应较大的信号，并且甚至每个测量周期少于1次以便在较低信号下减小噪声。一种这样的方法在Brombacher等人的美国专利第6,660,991号中披露了。不过，在那种方法中，在复位期间输入的电荷被耗散，使得输出不够精确，并且在复位期间来自放大器的噪声被传递到反馈电容器。Brombacher等人首先试图通过插入并滤波增量值来减轻这些问题，但这本质上是不精确的，并且将丢失信息。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种改进的更精确的低噪声模数转换器系统。
本发明的另一个目的在于，提供一种这样的改进的更精确的低噪声模数转换器系统，其将输入与反馈电容器和积分器电路放大器隔离，以便保留电荷并减小复位噪声。
本发明的另一个目的在于，提供一种改进的更精确的低噪声模数转换器系统，其将积分器电路放大器与反馈电容器隔离，从而减小噪声。
本发明的另一个目的在于，提供一种改进的更精确的低噪声模数转换器系统，其将复位与模数转换器(ADC)解耦，避免了复位路径中的ADC等待时间，并提供了更快的复位响应。
本发明的另一个目的在于，提供一种改进的更精确的低噪声模数转换器系统，其借助于对复位进行解耦使得ADC能够通过许多积分器通道被多路复用。
本发明的另一个目的在于，提供一种改进的更精确的低噪声的模数转换器系统，其提供在测量周期内的平均输入的更好估计。
本发明是由下述的认识产生的，即，模数转换器系统中的更精确的低噪声条件复位积分器电路可以通过下列步骤来实现：利用模数转换器在测量周期内多次采样积分器电路的输出；在采样事件期间使输入与积分器电路隔离；响应于积分器电路的输出达到预定电平而产生复位信号；以及通过在采样事件期间使积分器电路的反馈电容器与积分器电路的放大器电路隔离并使其与参考源连接，来复位积分器电路的反馈电容器。
不过，在其它实施例中，从属的发明不必实现所有这些目的，并且本发明的权利要求不限于能够实现这些目的的结构或方法。
本发明的特征在于一种改进的精确的低噪声模数转换器系统，其包括具有放大器电路和反馈电容器的积分器电路和模数转换器，所述模数转换器的输入和所述积分器电路的输出耦连，用于每个测量周期至少一次对所述积分器电路的输出进行采样。在达到预定的积分器电路输出电压之后，条件复位电路复位反馈电容器；并且开关系统在采样和复位期间有选择地隔离所述反馈电容器。
在优选实施例中，可以具有响应于所述模数转换器的输出的采样重构电路，用于重构积分器电路的输出。所述采样重构电路可以包括数字计算电路，用于确定在测量周期内发生的每个采样的值之间的差，并加上复位反馈电容器时的任何采样事件的值，来重构积分器电路的输出。采样重构电路可以包括复位事件校正电路和斜率估计计算电路。所述开关系统可以包括输入保持开关电路，用于在采样事件期间将积分器电路与输入隔离。条件复位电路可以包括复位开关电路，用于在条件复位期间把反馈电容器连接到参考电压源。所述开关系统可以包括隔离开关电路，用于在条件复位期间将放大器电路与反馈电容器隔离。数字计算电路可以包括存储装置，用于存储采样事件的采样值和反馈电容器被复位时的采样值。数字计算电路可以包括加法电路，用于计算采样事件的采样值之间的差并加上反馈电容器被复位时的采样值。条件复位电路可以包括参考电压源。条件复位电路可以包括比较器，用于确定积分器电路的输出是否达到预定积分器电路输出电压。条件复位电路可以包括参考电荷源和用于把参考电荷源连接到反馈电容器的复位开关电路。可以在达到预定积分器电路输出电压之后的下一个采样事件发生复位。积分器电路可以从光电二极管接收其输入。
本发明的特征还在于一种用于有条件地复位模数系统中的积分器电路的精确的低噪声方法，包括利用模数转换器在测量周期内多次采样积分器电路的输出，并在采样事件期间将输入与积分器电路隔离。响应于积分器电路的输出达到预定水平而产生复位信号，以及通过在采样事件期间将积分器电路的反馈电容器与积分器电路的放大器电路隔离并将其连接到参考源，来复位积分器电路的反馈电容器。
在优选实施例中，可以确定在测量周期内发生的每个采样的值之间的差，并加上反馈电容器被复位时的任何采样的值，来重构积分器电路的输出。可以存储采样事件时的采样值和反馈电容器被复位时的采样值。参考源可以包括电压参考源或电荷参考源。可以在达到预定积分器电路输出电压之后的下一个采样事件发生复位。积分器电路可以从光电二极管接收输入。
附图说明
由下面优选实施例以及附图的说明，本领域技术人员可以清楚地看出本发明的其它目的、特征和优点，其中：
图1是按照本发明具有隔离的改进的条件复位模数转换器系统的示意方块图；
图2示出一些波形，说明针对三个不同强度信号，图1的系统的采样和条件复位；
图3是用于说明采样和复位切换的波形的一部分的详细放大图；
图4是用于图1的系统的采样重构电路的示意方块图；
图5是和图4类似的使用斜率估计计算电路的采样重构电路的示意方块图；
图6是具有和图1类似的使用参考电荷源的隔离的改进条件复位模数转换器系统的示意方块图；以及
图7是和图5类似的用于图6的系统的采样重构电路的示意方块图。
具体实施方式
除去优选实施例或下面披露的实施例之外，本发明还能够包括其它的实施例并且能够利用多种方式来实施或实现。因而，应当理解，在本发明的应用中本发明不限于在下面说明中提出的或者在附图中说明的结构的细节和元件的布置。如果这里只说明了一个实施例，其权利要求不限于该实施例。此外，本发明的权利要求不应当被限制性地读出，除非具有表示一定排除、限制或拒绝的清楚的使人信服的证据。
图1示出了一种改进的精确低噪声模数转换器系统10，包括具有放大器14和反馈电容器16的积分器电路12。具有模数转换器18，其每个测量周期采样积分器电路12的输出至少一次。具有条件复位电路20，用于在达到预定积分器电路12输出电压之后复位反馈电容器16。条件复位电路20包括比较器22、参考源24(其在这个特定实施例中被表示为参考电压源)、以及用于在采样和复位期间隔离反馈电容器16的开关系统26。开关系统26包括输入保持开关电路，用于在采样事件期间使积分器电路12与输入30隔离的开关28。开关系统26还包括隔离开关电路32，用于在条件复位期间使放大器电路14与反馈电容器16隔离。条件复位电路20还包括复位开关电路34，所述复位开关电路34包括在条件复位期间把反馈电容器16连接到参考源24的开关36和38。具有采样重构电路40(例如数字滤波器)，例如用于重构积分器电路的输出。定时电路42在时间tH和tC分别为开关系统26和模数转换器18提供时钟脉冲。对这个系统的一个典型输入来自具有本征电容52的光电二极管50，该光电二极管一般是例如在计算断层摄影扫描器中的阵列中使用的光电二极管。积分器电路12的输入是来自光电二极管50的输出。
在操作时，积分器电路12从具有本征电容52的光电二极管50接收电荷，并把输出提供给模数转换器18。积分器电路12的输出还被提供给比较器22。在预定的测量周期内，模数转换器18可以进行任何数量的采样，例如每个测量周期4个采样。测量周期可以由制造者的规范或者其它标准来确定。用于光电二极管的一种典型的测量周期例如可以是300微秒。每当模数转换器18采样放大器14的输出时，输入保持开关28便由定时信号tH使能，从而使具有电容52的光电二极管50与放大器14和反馈电容器16断开并隔离。这达到两个目的，首先，阻止了通常的电容器噪声kT/C传递到反馈电容器16，从而减小系统噪声。还阻止了在采样周期内从光电二极管50到反馈电容器16和放大器14的电荷损失。而使电荷存储在本征电容52上，并在采样事件结束、定时信号tH终止因而输入保持开关28再次闭合之后提供给放大器14和反馈电容器16。比较器22监视积分器电路12的放大器14的输出。如果其输出电压超过预定电压值，这表示信号足够大而可能马上超过模数转换器18的极限，则比较器22在由tC表示的下一个采样事件在tR产生复位信号，以断开隔离开关32并闭合复位开关36和38。这使得反馈电容器16与放大器14断开，从而消除从放大器14到反馈电容器16的噪声的任何传递，并由参考源24提供参考电压，以把反馈电容器16复位到0。这个操作根据图2和图3被更详细地说明。所示的输入保持开关28的优选的位置在放大器14的输入端，其不仅隔离反馈电容器16，而且还在采样事件期间在光电二极管50上保留电荷。
一般地说，当光电二极管50是计算断层摄影扫描器中的多个光电二极管中的一个时，图1中虚线内所示的元件只构成与一个光电二极管50相关的一个通道。不过，可以在多个通道1-N中具有多个这种光电二极管50a，、50b、50n。在这种情况下，如果每个通道配备有采样和保持电路，例如通道1中的采样和保持电路60，并在模数转换器18的输入端提供多路复用器62，则可以由单个模数转换器18来服务大量的通道及其相关光电二极管。本发明的优点之一是使用比较器22或类似装置，其操作用于提供反馈电容器的复位。以前，复位得自模数转换器的输出。在本发明中，复位与比较器22或类似装置相关，并与模数转换器的输出解耦，从而避免了复位路径中的模数转换器等待时间。当模数转换器18被多路复用以服务多个通道时，这个优点更加重要。
条件复位的操作参照图2可被更清楚地看出，其中纵坐标表示电压，横坐标表示时间。比较器22所响应的预定阈值由70表示，例如为大约1/2饱和电压，以及过载电压或饱和电压由72表示，例如大约为2.0V。测量周期T1例如300微秒包含由S1、S2、S3和S4表示的4个采样事件，采样事件S4和测量周期T1的结束重合。在图2中具有3个不同强度或斜率的信号，即陡的一个74和中间的一个76以及浅的一个78。由中间的斜率76开始，可以看出，在78表示的采样时刻S1，信号76未超过阈值70。不过在80其达到阈值70，因而在下一个采样时刻S2，它将在82被复位而在84回到0。积分器电路12的输出此时沿着线76’继续，并且在采样事件S3，在86可以看到尚未达到阈值70。不过，在88其将达到阈值，因而在下一个采样事件S4，它将在90被复位而在92回到0。参照图2可以看出由图1中的电路40进行的采样重构，这可以通过从在90的终值减去在原点94的初值，然后加上任何中间复位采样值而容易地获得，中间复位采样值等于在82的值，其由82和在84复位到0之间的距离表示。对于较陡的斜率或较强的信号74，可以看出，在每个采样时刻内在96、98、100和102该信号都超过阈值70，因此在每个采样时刻S1、S2、S3和S4，将具有从104到106、从108到110、从112到114以及从116到118的复位。此时总输出也是在116的终值减去在94的初值(0)加上每个采样事件104、108和112的值。因而，非常高的信号(例如在CT扫描中通过低密度肉体的信号)可以借助于输入信号的这个重复采样而被调节，即使整个信号远远超过饱和值72。关于非常浅的或低的信号78，可以看出，在每个采样事件S1、S2、S3和S4中，其未超过阈值70，因此，在该测量周期内不需要复位，或许在将来的另外的测量周期内也不需要复位。用这种方式，通过减小复位的次数，进一步减小了噪声。
在图3中可以看出关于中间斜率信号76的一部分的由tH、tC和tR实现的实际切换。可以看出，信号76已经和阈值70交叉。在收到图3中由120表示的时钟信号tH时，图1中的开关28被断开。这阻止了电荷在采样期间从光电二极管50运动到积分器电路12。在一个短的时间之后，在tC，定时信号122使得模数转换器18在124进行采样。因为信号76已经和阈值70交叉，比较器22将提供tR脉冲126，从而在128复位到0。tH信号120然后在130结束。开关28再次闭合，使得以132表示的在其上的电荷再次被提供给积分器电路12。如果不与阈值70交叉，则不会在128复位到0，而是在tH脉冲120的结束130，附加电荷132将被添加，如132’所示，并且系统将沿着虚线134继续。
图1的采样重构电路40的一种实现示于图4，其中采样重构电路40a包括多个存储装置S0到S4，表示图2所示的采样事件。还具有数字计算电路140，其确定在测量周期内发生的每个采样的值之间的差或增量，然后加上反馈电容器被复位时的任何采样事件的值，以便重构积分器电路的输出。其中数字计算电路140包括多个加法器142、144、146、148和150。这个简单的计算由下式表示
     结果＝终值-初值+中间复位采样    (1)
因而加法电路142在152从存储器S0接收一个输入，并且如果有复位，则在线154上从存储器S0接收第二输入。类似地，加法电路144、146和148从前一个加法电路接收输入，并且如果有复位，则从相关的存储器S1、S2、S3接收输入156、158、160。最后一个加法器150从前一个加法器148接收输入，并从存储器S4接收输入。
代替使用差值或增量来重构积分器电路的输出，图5的采样重构电路40b可以包括复位事件校正电路170和斜率估计计算电路172，其例如可以是本领域熟知的最小平方近似电路。在这种情况下，复位事件校正电路170还可以包括存储装置S0-S4，不过加法电路176被设置成使得输出D0、D1、D2、D3和D4按照公式(2)，(3)，(4)，(5)和(6)被计算。
D0＝S0                       (2)
D1＝S1+如果在S0复位则加S0    (3)
D2＝S2+如果在S0复位则加S0+如果在S1复位则加S1    (4)
D3＝S3+如果在S0复位则加S0+如果在S1复位则加S1+如果在S2复位则加S2                       (5)
D4＝S4+如果在S0复位则加S0+如果在S1复位则加S1+如果在S2复位则加S2+如果在S3复位则加S3    (6)
虽然至此该系统一直使用作为电压参考源的参考源24进行说明(见图1)，但是这不是本发明的必须限制。例如，参考源可以是参考电荷源24a，如图6所示，代替图1中用24表示的参考电压源。这可以通过由与开关202和电荷源电容器204耦连的参考电压源200产生电压电荷源24a来实现，如图6所示。系统的其余部分的操作和上述的相同，除了开关202通常是闭合的以便对电荷电容器204充电之外。当来自比较器22的复位信号出现时，开关202被断开，从而将电荷电容器204与参考电压源200断开，并且开关36a闭合，从而使电荷电容器204与反馈电容器16相连，对其增加固定量的电荷，而不使其复位到0V。在这种结构中，隔离开关32被取消了。代替参考电荷源24a，可以在一个特定的时间间隔内由电流源24b通过开关36a来提供电荷，使得再次向反馈电容器16引入固定的电荷。虽然在本说明中电荷一直是正的而不是负的，例如电荷被从反馈电容器16排出而不是添加到反馈电容器16，但是这只是一个例子。如果光电二极管50的极性被全部颠倒，则积分器电路的电压斜坡将是负的而不是正的，并且参考源将增加电荷而不是排出电荷。
在图6的系统的实现中，采样重构电路40可以使用图7所示的斜坡估计计算电路40b来实现。复位事件校正电路170b也可以包括存储装置S0-S4。其中参考电荷源24a，b在复位期间排出电荷，从而当在采样事件发生复位时加法电路176a-194a反向增加那一特定电荷。在这种情况下，最终结果或输出D0-D4由式(7)到式(11)表示。
D0＝S0                           (7)
D1＝S1+(如果在S0复位，则加CR)    (8)
D2＝S2+(如果在S0复位，则加CR)+(如果在S1复位，则加CR)
                                 (9)
D3＝S3+(如果在S0复位，则加CR)+(如果在S1复位，则加CR)
  +(如果在S2复位，则加CR)        (10)
D4＝S4+(如果在S0复位，则加CR)+(如果在S1复位，则加CR)
  +(如果在S2复位，则加CR)+(如果在S3复位，则加CR)
                                  (11)
虽然在一些附图中示出了本发明的特定特征而在其它附图中未示出，这只是为了方便，因为按照本发明，每个特征都可与任何的或者全部的其它特征组合。本说明使用的表述“包括”、“具有”应当给予宽的广泛的解释，而不限于任何物理互连。此外，在本申请中披露的任何组合不应当视为唯一可能的实施例。
此外，在本专利申请的诉讼期间提交的任何修改都不是对在本申请提交时提出的任何权利要求元素的否认：不能期望本领域技术人员撰写出在字面上包括所有可能的等效物的权利要求，许多等效物是在修改时不可预见的，这不等于要放弃这些等效物，作为修改的基础的基本原理对许多等效物只具有附带关系，以及/或者具有许多其它的原因，不能期望申请人说明任何修改的权利要求要素的某些不重要的替代物。
对于本领域技术人员，在下面的权利要求内将具有许多其它的实施例。

Claims (21)

1.一种改进的精确低噪声模数转换器系统，包括：
包括放大器电路和反馈电容器的积分器电路；
模数转换器，其输入端与所述积分器电路的输出耦连，用于在每个测量周期采样所述积分器电路的输出至少一次；
条件复位电路，用于在达到预定积分器电路输出电压之后复位所述反馈电容器；以及
开关系统，用于有选择地在采样和复位期间隔离所述反馈电容器。
2.如权利要求1所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，还包括采样重构电路，其响应于所述模数转换器的输出来重构所述积分器电路的输出。
3.如权利要求2所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，其中，所述采样重构电路包括数字计算电路，用于确定在测量周期内发生的每个采样的值之间的差，并加上反馈电容器被复位时的任何采样事件的值，来重构所述积分器电路的输出。
4.如权利要求2所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，其中，所述采样重构电路包括复位事件校正电路和斜率估计计算电路。
5.如权利要求1所述的改进的精确的低噪声模数转换器系统，其中，所述开关系统包括输入保持开关电路，用于在采样事件期间使所述积分器电路与所述输入隔离。
6.如权利要求1所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，其中，所述条件复位电路包括复位开关电路，用于在条件复位期间把所述反馈电容器连接到参考电压源。
7.如权利要求1所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，其中，所述开关系统包括隔离开关电路，用于在条件复位期间使所述放大器电路与所述反馈电容器隔离。
8.如权利要求3所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，其中，所述数字计算电路包括存储装置，用于存储采样事件时的采样值和所述反馈电容器被复位时的采样值。
9.如权利要求3所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，其中，所述数字计算电路包括加法器电路，用于计算采样事件的采样值之间的差，并加上反馈电容器被复位时的采样值。
10.如权利要求1所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，其中，所述条件复位电路包括参考电压源。
11.如权利要求1所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，其中，所述条件复位电路包括比较器，用于确定积分器电路的输出是否达到所述预定积分器电路输出电压。
12.如权利要求1所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，其中，所述条件复位电路包括参考电荷源和用于把所述参考电荷源连接到所述反馈电容器的复位开关电路。
13.如权利要求1所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，其中，在达到预定积分器电路输出电压之后的下一个采样事件发生所述复位。
14.如权利要求1所述的改进的精确低噪声模数转换器系统，其中，所述积分器电路从光电二极管接收输入。
15.一种有条件地复位模数系统中的积分器电路的精确低噪声方法，包括：
在测量周期内利用模数转换器来多次采样积分器电路的输出；
在采样事件期间使输入与积分器电路隔离；
响应于积分器电路的输出达到预定值而产生复位信号；以及
通过在采样事件期间使积分器电路的反馈电容器与积分器电路的放大器电路隔离，并使积分器电路的反馈电容器连接到参考源，来复位所述积分器电路的反馈电容器。
16.如权利要求15所述的方法，还包括确定在测量周期内发生的每个采样的值之间的差，并加上所述反馈电容器被复位时的任何采样的值，来重构所述积分器电路的输出。
17.如权利要求16所述的方法，还包括存储采样事件时的采样值和所述反馈电容器被复位时的采样值。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述参考源包括电压参考源。
19.如权利要求15所述的方法，其中，所述参考源包括电荷参考源。
20.如权利要求15所述的方法，其中，在达到预定积分器电路输出电压之后的下一个采样事件发生复位。
21.如权利要求15所述的方法，其中，所述积分器电路从光电二极管接收输入。
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