CN116569072A - 用于光子计数应用的前端电子电路 - Google Patents

Abstract

一种用于光子计数应用的前端电子电路(10)包括：接收输入信号(Iin)的输入节点(I10)、提供输出信号(Vout)的输出节点(O10)、电荷敏感放大器(100)，以及具有可变电阻的反馈元件(200)。电荷敏感放大器(100)包括放大器电路(110)和电容器(120)，放大器电路(110)具有耦合到输入节点(I10)的输入侧和提供输出信号(Vout)的输出侧，电容器(120)布置在放大器电路(110)的输入侧和输出侧之间的第一反馈路径(FP1)中。反馈元件(200)与电容器(120)并联地被布置在第二反馈路径(FP2)中。反馈元件(200)的可变电阻取决于输出信号(Vout)的电平。

Description

用于光子计数应用的前端电子电路

技术领域

本公开涉及一种可用于光子计数应用，例如多能谱CT(计算机断层扫描)的前端电子电路。本公开还涉及一种光子计数电路和一种用于医疗诊断的设备。

背景技术

在常规的X射线传感器中，利用间接检测原理来检测容易穿过患者身体软组织的光子。间接检测器包括用于将X射线转换为可见光的闪烁体，可见光由光电检测器或光电二极管捕获，以响应于X射线撞击在闪烁体材料上而提供电信号。

在光子计数系统中，使用允许检测和计数单光子事件以获得强度和频谱信息的直接检测原理。在经典图像或X射线传感器系统中，仅测量总输入强度，而在光子计数系统中，还能够提取光子能量，因为光子是单独检测的。

图1示出了光子计数电路2的框图，其包括前端电子电路10、光子检测器20和能量鉴别器30。光子检测器20生成由光子撞击光子检测器20的光子敏感区域21引起的瞬态电流脉冲Ipulse。单光子的检测由光子敏感区域21的特殊传感器材料(通常是用于X射线转换的CdTe或CdZnTe)实现，其将光子转换成电流脉冲Ipulse。这些电流脉冲Ipulse在前端电子电路10的输入节点I10处被接收并被转换为在前端电子电路10的输出节点O10处生成的电压脉冲Vpulse。

输出电压峰的高度与光子能量成正比，从而包含频谱信息。频谱信息(输出脉冲高度)的数字化能够使用能量鉴别器30(例如闪烁型模数转换器(flash ADC))来执行，其包括具有不同阈值Vth1、...、VthN-1、VthN的若干个比较器。然后对比较器的输出信号进行单独计数以获得频谱分布。

由光子检测器20生成的电流脉冲Ipulse的动态(即脉冲宽度)取决于许多参数。一方面，检测器电压和温度偏置全局地定义了检测器动态。另一方面，光子检测器中一个像素内的光子入射位置会导致不同的检测器脉冲动态(局部变化)。如果前端电子电路10的脉冲增益对光子检测器20的电流脉冲Ipulse的脉冲宽度敏感，通常称为弹道缺陷，检测器动态的全局变化导致计数率漂移，而局部变化会增加系统噪声下限。

需要提供一种用于光子计数应用的前端电子电路，其对输入脉冲宽度具有低敏感度，即低弹道缺陷，以提供最佳系统性能。

此外，希望提供一种关于计数率和能量分辨率具有高性能的光子计数电路。此外，希望提供一种能够以非常高的计数率运行的用于医疗诊断的设备。

发明内容

权利要求1中指定了一种用于光子计数应用的前端电子电路，该电路对输入脉冲宽度具有低敏感度，因此具有低弹道缺陷。

前端电子电路包括接收输入信号的输入节点、提供输出信号的输出节点和电荷敏感放大器。电荷敏感放大器包括放大器电路，其具有耦合到输入节点的输入侧和提供输出信号的输出侧。电荷敏感放大器还包括电容器，电容器布置在放大器电路的输入侧和输出侧之间的第一反馈路径中。前端电子电路包括具有可变电阻的反馈元件。反馈元件与电容器并联地布置在第二反馈路径中。反馈元件的可变电阻取决于输出信号的电平。

前端电子电路示出了低弹道缺陷/对检测器动态的低敏感性。此外，能够通过所提出的前端电子电路设计实现不可瘫痪(non-paralyzable)模型，而不会因输入信号的亚阈值脉冲和复位噪声而发生基线偏移。特别地，通过具有可变电阻的反馈元件(例如，反馈元件被配置为动态调节的反馈电阻器)消除了对输入信号的亚阈值脉冲和复位噪声的敏感性。

根据前端电子电路的可能实施例，反馈元件被配置为当输出信号的电平低于阈值时在第二反馈路径中提供第一电阻，并且当输出信号电平高于阈值时在第二反馈路径中提供第二电阻。第二电阻高于第一电阻。

根据前端电子电路的另一实施例，反馈元件被配置为使得反馈元件的电阻以非线性方式改变。特别地，当反馈元件的电阻从第一电阻变化到第二电阻时，反馈元件的电阻以非线性方式变化。反馈元件因此根据前端输出电压展现非线性电阻。

根据前端电子电路的可能实施例，反馈元件被配置为在第二反馈路径中提供第二电阻之后在第二反馈路径中提供第三电阻。第三电阻低于第一和第二电阻。

根据可能实施例，前端电子电路包括控制电路，该控制电路被配置为监测输出信号并根据输出信号的电平控制反馈元件的可变电阻。

根据前端电子电路的可能实施例，前端电子电路包括与反馈元件并联布置的可控开关。可控开关可以被配置为当控制电路检测到输出信号超过阈值时，在延迟后切换为导通状态。

根据前端电子电路的可能实施例，控制电路包括比较器，该比较器被配置为将输出信号与阈值进行比较。控制电路包括延迟电路，其被配置为当比较器检测到输出信号超过阈值时，将可控开关从非导通状态切换到导通状态。

因此，前端电子电路包括使用动态电阻作为反馈元件的复位类型前端。一旦输入信号的脉冲达到阈值，例如6倍rms噪声，(反馈)电容器将在一定延迟后复位。

代替使用单独的可控开关/复位开关，可以控制反馈元件/动态电阻元件进行复位。根据前端电子电路的可能实施例，反馈元件体现为晶体管，其具有控制端子以施加用于控制晶体管的导通性的控制信号。控制电路被配置为根据输出信号的电平提供控制信号的不同电平。

根据前端电子电路的可能实施例，晶体管被配置为当控制电路提供控制信号的第一电平时，在第二反馈路径中提供第一电阻。此外，晶体管被配置为当控制电路提供控制信号的第二电平时，在第二反馈路径中提供第二电阻。控制电路被配置为通过将温度稳定电压源耦合到晶体管的控制端子来提供控制信号的第一电平和第二电平之间的差。

当将晶体管/MOS电阻器的控制节点切换到不同的电势，将发生电荷注入，使得通道电荷随不同的偏置而变化，并分布在反馈电容器上。可以耦合到晶体管/MOS电阻器的控制端子的温度稳定电压源的所提出的实施例能够使该效应的温度不变，使得它能够被校准。

根据前端电子电路的另一可能实施例，反馈元件体现为跨导放大器。跨导放大器具有输入侧以施加输出信号和参考信号。跨导放大器具有耦合到放大器电路的输入侧的输出侧。控制电路包括跨导控制电路，以提供跨导控制信号从而设定跨导放大器的跨导。跨导控制电路被配置为根据输出信号的电平生成跨导控制信号的电平。

跨导放大器是一种等效电阻为1/gm的有源反馈元件，可以通过非线性微分函数实现反馈元件的电阻增加。

根据前端电子电路的可能实施例，以下描述两级方法。上述反馈元件和电荷敏感放大器形成第一级。

根据前端电子电路的可能实施例，前端电子电路包括第二电荷敏感放大器。第二电荷敏感放大器包括第二放大器电路，该第二放大器电路具有输入侧和提供第二输出信号的输出侧。第二电荷敏感放大器包括布置在第二放大器电路的输入侧和输出侧之间的第三反馈路径中的第二电容器。电阻器与第二电容器并联地被布置在第四反馈路径中。此外，前端电子电路包括与电阻器并联布置的第二可控开关。前端电子电路包括布置在放大器电路的输出侧和第二放大器电路之间的耦合电容器。

前端电子电路的所提出的配置允许第二复位级的交流耦合，这消除了对基线恢复器电路的需要，从而节省了功率、面积并降低了复杂性。

然而，包括第二电荷敏感放大器的第二级展现出连续放电路径，因此会固有地增加整体弹道缺陷。因此，根据前端电子电路的另一个可能实施例，第二级包括具有可变电阻的第二反馈元件，并因此也采用动态反馈电阻器。

根据前端电子电路的该实施例，前端电子电路包括第二电荷敏感放大器，其包括第二放大器电路和第二电容器。第二放大器电路具有输入侧和提供第二输出信号的输出侧。第二电容布置在第二放大器电路的输入侧与输出侧之间的第三反馈路径中。前端电子电路包括布置在放大器电路的输出侧和第二放大器电路之间的耦合电容器。

前端电子电路包括具有可变电阻的第二反馈元件。根据第二输出信号的电平控制可变电阻。第二反馈元件与第二电容器并联地布置在第四反馈路径中。

权利要求14中指定了一种在计数率和能量分辨率方面具有高性能的光子计数电路。

光子计数电路包括如上所述的前端电子电路和具有光子敏感区域的光子检测器。光子检测器被配置为当光子撞击光子敏感区域时生成电流脉冲。

光子计数电路还包括连接到前端电子电路的输出节点的能量鉴别器。光子检测器连接到前端电子电路的输入节点，使得当光子撞击光子检测器的光子敏感区域时，光子检测器生成的电流脉冲被施加到前端电子电路的输入节点。前端电子电路被配置为当电流脉冲被施加到前端电子电路的输入节点时，在前端电子电路的输出节点处生成电压脉冲。能量鉴别器被配置为根据电压脉冲的电平生成数字信号。

权利要求15中规定了一种使用光子计数原理的用于医疗诊断的设备。

所述设备包括如上所述的光子计数电路。所述设备可以被配置为X射线装置或计算机断层扫描仪。

用于光子计数应用的前端电子电路的额外的特征和优点在下面的详细描述中阐述。应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都只是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求的性质和特征的概述或框架。

附图说明

所包括的附图是为了提供进一步的理解，并包含在说明书中，且构成说明书的一部分。因此，结合附图通过以下详细描述，可以更充分地理解本公开，其中：

图1示出了光子计数电路的框图；

图2A示出了用于复位类型的光子计数应用的前端电子电路的第一实施例，其包括具有可变电阻的反馈元件和单独的可控复位开关；

图2B示出了用于复位类型的光子计数应用的前端电子电路的实施例，其包括具有可变电阻的反馈元件以执行复位；

图3示出了用于光子计数应用的前端电子电路的工作波形；

图4A、4B示出了反馈元件的可调电阻的波形。

图5示出了用于光子计数应用的前端电子电路的第一实施例，其包括作为用于电阻切换的反馈元件的晶体管；

图6示出了用于光子计数应用的前端电子电路的第二实施例，其包括作为具有可变非线性电阻的反馈元件的跨导放大器；

图7A示出了用于光子计数应用的前端电子电路的第一实施例，其包括交流耦合的第一级和第二级；

图7B示出了用于光子计数应用的前端电子电路的第二实施例，其包括在第二级中使用动态电阻元件的交流耦合的第一级和第二级；和

图8示出了包括光子计数电路的用于医疗诊断的设备。

具体实施方式

图2A和2B示出了用于复位类型的光子计数应用的前端电子电路10的第一实施例和第二实施例，所述前端电子电路10具有低弹道缺陷，而不会因亚阈值脉冲和复位噪声而损害基线稳定性。

前端电子电路10包括接收输入Iin的输入节点I10和提供输出信号Iout的输出节点O10。前端电子电路10包括电荷敏感放大器100。电荷敏感放大器100包括放大器电路110，放大器电路110具有耦合到输入节点I10的输入侧和提供输出信号Vout的输出侧。放大器电路110的输出侧耦合到输出节点O10。电荷敏感放大器100还包括电容器120，电容器120布置在放大器电路110的输入侧和输出侧之间的第一反馈路径FP1中。

前端电子电路10还包括具有可变/可调电阻的反馈元件200。反馈元件200与(反馈)电容器120并联地布置在第二反馈路径FP2中。反馈元件200的可变电阻根据输出信号Vout的电平来调节。

此外，前端电子电路10包括控制电路400，控制电路400被配置为监测输出信号Vout并根据输出信号Vout的电平控制反馈元件200的可变电阻。

参考在图2A中所示的前端电子电路10的实施例，前端电子电路包括与反馈元件200并联布置的可控开关300。可控开关300被配置为当控制电路400检测到输出信号Vout超过阈值时，在延迟之后切换到导通状态。一旦输入信号Iin的一个脉冲达到最小阈值(例如6倍rms噪声)，反馈电容器120在一些延迟后被复位。

参考图2B中所示的前端电子电路10，当控制电路400检测到输出信号Vout超过阈值时，具有可变电阻的反馈元件200被控制以执行复位，而不是使用单独的可控复位开关300。

下文使用图3的信号流图来解释图2A和图2B的前端电子电路10的操作，图3说明了前端电子电路10的控制信号的工作波形。图3尤其示出了在控制电路400检测到输出信号Vout超过阈值Vref_trig之后反馈元件200的可变电阻Rdyn的变化。为此，当输出信号Vout的电平低于阈值Vref_trig时，反馈元件200被配置为在第二反馈路径FP2中提供第一电阻R1。当输出信号Vout的电平高于阈值Vref_trig时，反馈元件200还被配置为在第二反馈路径FP2中提供第二电阻R2。如图3所示，第二电阻R2高于第一电阻R1。

反馈元件200还被配置为在提供第二电阻R2之后，在第二反馈路径FP2中提供第三电阻R3。第三电阻R3低于第一电阻R1和第二电阻R2。第一电阻是低于第二/高电阻和第三/低电阻的中间电阻。

参考图3，在第一时间t1，输入信号Iin与时间t2处的输入信号Iin的峰相比，示出了相对较小的峰值。如图3进一步所示，输出信号Vout的电平由于输入信号Iin的较小峰而上升，但仍低于阈值Vref_trig。因此，可变电阻Rdyn在第一电阻R1处保持恒定。

在时间t2，前端电子电路10接收输入信号Iin的高峰，这导致电荷敏感放大器100生成具有超过阈值Vref_trig的上升沿的输出信号Vout。因此，控制电路400产生控制信号Vtrigger的脉冲，从而反馈元件200的可变电阻增加并达到第二电阻R2。

参考图2A的前端电子电路10的实施例，控制电路400在控制信号Vtrigger输出后的延迟时间TD之后生成控制信号Vreset的脉冲。因此，可控开关300切换到导通状态以执行反馈电容器120的复位。

参考图2B所示的前端电子电路10的实施例，控制电路400在控制信号Vtrigger输出后的延迟时间TD之后也生成控制信号Vreset的脉冲。因此，反馈元件200的可变电阻快速下降到电阻R3。

在控制信号Vreset的脉冲已经衰减之后，反馈元件200的可变电阻在图2A和图2B所示的前端电子电路的两个实施例中均再次上升到原始电阻R1。

针对低于阈值Vref_trig的输入信号Iin的任何电平，反馈元件200被配置为展示足够低的反馈电阻值以保证在所需的脉冲处理时间内返回到基线。以这种方式，输入信号Iin的复位噪声和亚阈值脉冲在下一个脉冲到达之前被移除，即没有基线偏移。

具有可变/可调动态电阻的反馈元件200被配置为当输出信号Vout的电平(例如输出电压)高于检测阈值Vref_trig时，展现出快速增加的电阻，使得在超过复位阈值Vref_trig的输出信号Vout到达时，反馈元件200的电阻以非线性方式增加。如图4A和图4B所示，能够通过在输出信号Vout的脉冲检测时切换到更高的值来采用阶梯状非线性度(图4A)，或者反馈元件200被配置为作为可微函数来增加线性度(图4B)。

参考图5，能够通过使用晶体管210作为反馈元件200来实现阶梯状线性度，该晶体管例如为在三极管(线性)区域偏置并且在检测到输出信号Vout的电平超过阈值Vref_trig时将其控制节点/栅极节点切换到不同的电势的MOS晶体管。

再次参考图5，控制电路400包括被配置为比较输出信号Vout与阈值Vref_trig的比较器410。当比较器410检测到输出信号Vout超过阈值Vref_trig时，生成控制信号Vtrigger以控制控制电路400的可控开关440。控制电路400还包括延迟电路420，以当比较器410生成控制信号Vreset时生成控制信号Vreset来在延迟之后控制控制电路400的可控开关430。

被配置为晶体管210的反馈元件200具有控制节点以施加控制信号Vcont用于控制晶体管的导通性。控制电路400被配置为根据可控开关430和440的相应开关状态提供控制信号Vcont的不同电平，可控开关430和440的相应开关状态取决于控制信号Vreset和Vtrigger，并且因此取决于输出信号Vout的电平。

根据图5所示的实施例，晶体管210被配置为MOS电阻器。控制电路400使晶体管/MOS电阻器210能够被控制，使得以如图3所示的第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3来操作晶体管/MOS电阻器210。

晶体管/MOS电阻器210被配置为当控制电路400提供控制信号Vcont的第一电平时，在第二反馈路径FP2中提供第一电阻R1。图5示出了可控开关430、440的切换状态以生成控制信号Vcont从而以第一电阻R1操作晶体管/MOS电阻器210。

晶体管/MOS电阻器210还被配置为当控制电路400提供控制信号Vcont的第二电平时，在第二反馈路径FP2中提供第二电阻R2。为此，可控开关440的切换状态发生变化，使得晶体管210的控制节点耦合到温度稳定电压源450和偏置电压源470。控制电路400被配置为通过耦合温度稳定电压源450以向晶体管/MOS电阻器210的控制端子提供温度稳定偏置偏移Vb来提供控制信号Vcont的第一电平和第二电平之间的差。

当将晶体管/MOS电阻210的控制节点/栅极切换到不同的电势时，会发生电荷注入，即通道电荷随着不同的偏置而变化，并分布在反馈电容器120上。如果这种影响不随温度变化，则可以进行校准。因此，重要的是不要将晶体管/MOS电阻器210的控制节点/栅极简单地切换到供电轨之一，而是切换到由温度稳定电压源450在由偏置电压源470提供的偏置电势之上提供的温度稳定偏置偏移，如图5所示。

在这种情况下，所注入的电荷等于Vb*Cgate，其中Cgate是晶体管210的栅极电容，并且因此所注入的电荷与晶体管/MOS电阻器210的温度相关的偏置电压无关。复位能够通过将MOS栅极连接到供电轨(NMOS晶体管的VDD和PMOS晶体管的VSS)来执行，或通过并联的单独开关来执行。

根据前端电子电路10的另一个可能的实施例，能够通过使用具有1/gm等效电阻的有源反馈元件(即跨导体)来实现反馈元件200通过非线性微分函数的电阻增加。图6示出了前端电子电路10的实施例，其中，反馈元件200体现为跨导放大器220。跨导放大器220具有施加输出信号Vout和参考信号Vref的输入侧。跨导放大器220具有耦合到放大器电路110的输入侧的输出侧。

控制电路400包括部分400a和部分400b。

部分400a包括比较输出信号Vout与阈值Vref_trig的比较器410，以及延迟电路420。当比较器410检测到输出信号Vout超过阈值Vref_trig时，比较器410生成控制信号Vtrigger。延迟电路420在接收到控制信号Vtrigger后，生成控制信号Vreset，以将可控开关300从非导通状态切换为导通状态，从而对反馈电容器120执行复位。

控制电路400的部分400b被配置为跨导控制电路以提供跨导控制信号Ibias，从而设置跨导放大器220的跨导。跨导控制电路400b被配置为根据输出信号Vout的电平生成跨导控制信号Ibias的电平。

通过基于前端输出电压Vout自适应地偏置跨导放大器220，跨导gm能够随着输出电压Vout的电平上升而减小。

跨导控制电路400b的一种可能配置也在图6中详细描述。跨导控制电路400b包括偏置支路的PMOS级联晶体管，其被输出信号Vout的输出脉冲动态地关断。源极节点处的电容器稳定源极电势，从而在该偏置电流调谐中引入更高的非线性度。由于低电阻和高电阻之间仍然存在过渡期，因此会存在一些残余弹道缺陷。有源反馈元件的复位能够通过暂时增加偏置电流使得电阻降低，或者通过并联单独的开关来实现。

由于为前端电子电路10提出的复位拓扑呈现从输入端到输出端的直流路径，因此它展现出对检测器泄漏电流的基线敏感度。这通常通过添加直流反馈电路来解决，以消除输入泄漏电流并定义输出基线(基线恢复器电路)。然而，在存在脉冲活动的情况下，准确提取基线具有挑战性，并且计数率相关的基线偏移是不可避免的。基线提取的脉冲损坏能够通过在复位后的一些延迟后对基线进行采样来部分避免，但在两个间隔很短的脉冲的情况下，它仍然会带来问题。

更稳健的解决方案是交流耦合到第二级。为了避免第二级的下冲，必须用与第一级反馈阻抗相匹配的阻抗来执行级间的输出脉冲波形耦合。在所提出的前端电子电路10的复位拓扑中，电阻器在脉冲到达时被有效地移除，使得能够实现真正的交流耦合。图7A和图7B示出了包括具有交流耦合的第一级和第二级的前端电子电路10的可能实施例。

参考图7A，第二级包括第二电荷敏感放大器500a、电阻器530和第二可控开关600。第二电荷敏感放大器500a包括具有输入侧和提供第二输出信号Vout'的输出侧的第二放大器电路510。第二电荷敏感放大器500a包括布置在第二放大器电路510的输入侧和输出侧之间的第三反馈路径FP3中的第二电容器520。电阻器530与第二电容器520并联地布置在第四反馈路径FP4中。第二可控开关600与电阻530并联布置。

耦合电容器700布置在第一级的放大器电路110的输出侧与第二级的第二放大器电路510之间。

应该注意的是，对于亚阈值脉冲，耦合阻抗不匹配，因为存在电阻反馈路径。然而，亚阈值脉冲的下冲不是问题，因为它们的幅度很小且未被处理。如图7A中所示，前端电子电路10的第二级能够被实现为常规整形器，其被同时复位到第一级以避免作为对第一级复位的响应的下冲。

然而，由于第二级展示了连续的放电路径，它固有地增加了整体弹道缺陷。因此，为了最小化弹道缺陷，第二级也应该采用具有可变电阻的反馈元件(即动态反馈电阻器)。前端电子电路的这种配置在图7B中示出。

图7B示出了前端电子电路的实施例，其包括由耦合电容器700耦合的第一级和第二级，耦合电容器700布置在第一级的放大器电路110的输出侧和第二级的第二放大器电路510之间。类似于图7A中所示的前端电子电路，第二级包括第二电荷敏感放大器500b和第二可控开关600。第二电荷敏感放大器500b包括第二放大器电路510和布置在放大器电路510的输入侧和输出侧之间的反馈路径FP3中的反馈电容器520。

与图7A中所示的前端电子电路10的第二级不同，图7B的前端电子电路10包括反馈元件800，其具有根据输出信号Vout'的电平而被控制的可变电阻。反馈元件800与反馈电容器520并联地被布置在第四反馈路径FP4中。

关于图7B所示的前端电子电路的两级方法，必须注意反馈元件800的可变电阻实际上可以由第一电荷敏感放大器100的输出和第二电荷敏感放大器500b的输出两者来控制，因为两者都会响应于第一电荷敏感放大器处的输入电流而生成脉冲。

这同样适用于图7A和图7B所示的前端电子电路的所述两级方法的可控开关600以实现第二级的复位功能。可控开关600可以在延迟之后由第一级电荷敏感放大器/比较器100的输出来触发，或者如图7A和图7B所示，可以采用第二电荷敏感放大器/比较器500a、500b来监测第二级输出并触发可控开关600。

前端电子电路10能够在光子计数电路中提供，如图1所示。前端电子电路10的所提出的配置可以用于各种光子计数应用，例如计算机断层扫描、安全、行李检查以及需要高光子计数率和对输入脉冲宽度的低敏感度(即低弹道缺陷)的任何其他应用。

图8示出了应用的示例，其中根据图2A、图2B和图5至图7B中所示的方法之一，在用于医疗诊断的设备1中提供配备有前端电子电路10的光子计数电路2。用于医疗诊断的设备1例如可以被配置为X射线装置或计算机断层扫描仪。

为了使读者熟悉用于光子计数应用的前端电子电路设计的新颖方面，已经讨论了本文公开的用于光子计数应用的前端电子电路的实施例。尽管已经示出和描述了优选实施例，但是本领域的技术人员可以在不脱离权利要求的范围的情况下对所公开的概念进行许多改变、修改、等同物和替换。

特别地，用于光子计数应用的前端电子电路的设计不限于所公开的实施例，并且对于所讨论的实施例中包括的特征给出尽可能多的替代示例。然而，旨在将所公开概念的任何修改、等同物和替换包括在所附权利要求的范围内。

可以有利地组合单独的从属权利要求中记载的特征。此外，在权利要求中使用的附图标记不限于解释为限制权利要求的范围。

此外，如本文所用，术语“包含”不排除其他要素。此外，如本文所用，冠词“一”旨在包括一种或多于一种组分或元素，而不限于被解释为仅表示一种。

本专利申请要求申请号为102020132809.5的德国专利申请的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

附图标记说明

1 用于医疗诊断的设备

2 光子计数电路

10 前端电子电路

20 光子探测器

21 光子敏感区域

30 能量鉴别器

100 电荷敏感放大器

110 放大器电路

120 电容器

200 反馈元件

210 晶体管/MOS电阻器

220 跨导放大器

300 可控开关

400 控制电路

410 比较器

420 延迟电路

430 可控开关

440 可控开关

450 温度稳定电压源

460 晶体管

470 偏置电压源

500 电荷敏感放大器

510 放大器电路

520 电容器

530 电阻器

600 可控开关

700 耦合电容器

800 反馈元件

Iin 输入信号

Vout 输出信号

FP 反馈路径

Vref_trig 阈值

Vtrigger、Vreset 控制信号

Claims (15)

1.一种用于光子计数应用的前端电子电路，其包括：

-输入节点(I10)，其接收输入信号(Iin)，

-输出节点(O10)，其提供输出信号(Vout)，

-电荷敏感放大器(100)，其包括放大器电路(110)和电容器(120)，所述放大器电路(110)具有耦合到所述输入节点(I10)的输入侧和提供输出信号(Vout)的输出侧，所述电容器(120)布置在所述放大器电路(110)的输入侧和输出侧之间的第一反馈路径(FP1)中，

-具有可变电阻的反馈元件(200)，所述反馈元件(200)与所述电容器(120)并联地布置在第二反馈路径(FP2)中，所述反馈元件(200)的可变电阻取决于输出信号(Vout)的电平。

2.根据权利要求1所述的前端电子电路，

其中，所述反馈元件(200)被配置为当输出信号(Vout)的电平低于阈值(Vref_trig)时在所述第二反馈路径(FP2)中提供第一电阻(R1)，当输出信号(Vout)的电平高于阈值(Vref_trig)时在第二反馈路径(FP2)中提供第二电阻(R2)，所述第二电阻(R2)高于所述第一电阻(R1)。

3.根据权利要求1或2所述的前端电子电路，

其中，所述反馈元件(200)被配置为使得所述反馈元件(200)的电阻以非线性方式改变。

4.根据权利要求2或3所述的前端电子电路，

其中，所述反馈元件(200)被配置为在所述第二反馈路径(FP2)中提供第二电阻(R2)之后，在所述第二反馈路径(FP2)中提供第三电阻(R3)，所述第三电阻(R3)低于第一电阻(R1)和第二电阻(R2)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的前端电子电路，其包括：

控制电路(400)，其被配置为监测输出信号(Vout)并根据输出信号(Vout)的电平控制所述反馈元件(200)的可变电阻。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的前端电子电路，其包括：

可控开关(300)，其与所述反馈元件(200)并联布置。

7.根据从属于权利要求5的权利要求6所述的前端电子电路，

其中，所述可控开关(300)被配置为当所述控制电路(400)检测到输出信号(Vout)超过阈值(Vref_trig)时，在延迟后切换为导通状态。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的前端电子电路，

-其中，所述控制电路(400)包括比较器(410)，所述比较器(410)被配置为将输出信号(Vout)与阈值(Vref_trig)进行比较，

-其中，所述控制电路(400)包括延迟电路(420)，所述延迟电路(420)被配置为当所述比较器(410)检测到输出信号(Vout)超过阈值(Vref_trig)时，将所述可控开关(300)从非导通状态切换到导通状态。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的前端电子电路，

-其中，所述反馈元件(200)体现为晶体管(210)，其具有控制端子以施加用于控制所述晶体管的导通性的控制信号(Vcont)，

-其中，所述控制电路(400)被配置为根据输出信号(Vout)的电平提供控制信号(Vcont)的不同电平。

10.根据权利要求9所述的前端电子电路，

-其中，所述晶体管(210)被配置为当所述控制电路(400)提供控制信号(Vcont)的第一电平时，在所述第二反馈路径(FP2)中提供所述第一电阻(R1)，

-其中，所述晶体管(210)被配置为所述控制电路(400)提供控制信号(Vcont)的第二电平时，在所述第二反馈路径(FP2)中提供所述第二电阻(R2)，

-其中，所述控制电路(400)被配置为通过将温度稳定电压源(450)耦合到所述晶体管(210)的控制端子来提供控制信号(Vcont)的第一电平和第二电平之间的差。

11.根据权利要求1所述的前端电子电路，

-其中，所述反馈元件(200)体现为跨导放大器(220)，所述跨导放大器(220)具有输入侧以施加输出信号(Vout)和参考信号(Vref)，并且具有耦合到所述放大器电路(110)的输入侧的输出侧，

-其中，所述控制电路(400)包括跨导控制电路(400b)以提供跨导控制信号(Ibias)以设置所述跨导放大器(220)的跨导，

-其中，所述跨导控制电路(400b)被配置为根据输出信号(Vout)的电平生成跨导控制信号(Ibias)的电平。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的前端电子电路，其包括：

-第二电荷敏感放大器(500a)，其包括第二放大器电路(510)和第二电容器(520)，所述第二放大器电路(510)具有输入侧和提供第二输出信号(Vout')的输出侧，所述第二电容器(520)布置在所述第二放大器电路(510)的输入侧和输出侧之间的第三反馈路径(FP3)中，

-电阻器(530)，其与所述第二电容器(520)并联地布置在第四反馈路径(FP4)中，

-第二可控开关(600)，其与所述电阻器(530)并联布置，

-耦合电容器(700)，其布置在所述放大器电路(110)的输出侧和所述第二放大器电路(510)之间。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的前端电子电路，其包括：

-第二电荷敏感放大器(500b)，其包括第二放大器电路(510)和第二电容器(520)，所述第二放大器电路(510)具有输入侧和提供第二输出信号(Vout')的输出侧，所述第二电容器(520)布置在所述第二放大器电路(510)的输入侧和输出侧之间的第三反馈路径(FP3)中，

-耦合电容器(700)，其布置在所述放大器电路(110)的输出侧和所述第二放大器电路(510)之间，

-第二反馈元件(800)，其具有根据第一输出信号或第二输出信号(Vout、Vout')的电平而被控制的可变电阻，所述第二反馈元件(800)与所述第二电容器(520)并联地布置在第四反馈路径(FP4)中。

14.一种光子计数电路，其包括：

-根据权利要求1至13中任一项所述的前端电子电路(10)，

-具有光子敏感区域(21)的光子检测器(20)，所述光子检测器(20)被配置为当光子撞击所述光子敏感区域(21)时生成电流脉冲(Ipulse)，

-能量鉴别器(30)，其连接到所述前端电子电路(10)的输出节点(O10)，

-其中，所述光子检测器(20)连接到所述前端电子电路(10)的输入节点(I10)，使得当光子撞击所述光子检测器(20)的光子敏感区域(21)时，由所述光子检测器(20)生成的电流脉冲(Ipulse)被施加到所述前端电子电路(10)的输入节点(I10)，

-其中，所述前端电子电路(10)被配置为当电流脉冲(Ipulse)被施加到所述前端电子电路(10)的输入节点(I10)时，在所述前端电子电路(10)的输出节点(O10)处生成电压脉冲(Vpulse)，

-其中，所述能量鉴别器(30)被配置为根据电压脉冲(Vpulse)的电平生成数字信号。

15.一种用于医疗诊断的设备，其包括：

-根据权利要求14所述的光子计数电路(2)，

-其中，所述设备(1)被配置为X射线装置或计算机断层扫描仪。