CN1554149A - 信号动态范围自动可控的数据信号放大器 - Google Patents

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Abstract

数据信号处理电路中信号增益可动态控制的前置放大级(14)，它包括一个下游的模－数信号变换器(18)。对经过前置放大后的数据信号的电平进行监测，当此种数据信号超出一个或多个预定的门限时做出响应，动态调整前置放大级(14)的增益。因此，前置放大级(14)的有效动态范围得以扩展，随之也有效地扩展了整个系统的动态范围，否则，超出系统原来的动态范围时将受到模－数信号变换器(18)的限制。按照本发明的优选实施例，此种前置放大器(14)可应用于诸如使用平板固态成像器件的X射线成像系统中。

Description

信号动态范围自动可控的数据信号放大器
技术领域
本发明涉及前置放大低电平信号的模拟放大器，具体地，涉及信号动态范围可控的模拟前置放大器电路，用于放大基于电荷的信号。
背景技术
许多类型的电路中，高的信号动态范围是一个关键参数。平板X射线成像系统领域内，尤其如此。如本技术领域内所周知，此类系统中应用一个包含闪烁层的检测器底片盒，它吸收照射的X射线光子，并将它们转换成可见光光子，以供又包含在检测器阵列内的光敏单元检测。又众所周知，此种检测器阵列中包含一个称为影像元素或“像素”的二维显微方格阵列。每个像素包括一个可寻址的光敏元素，诸如是光敏二极管与开关晶体管的组合。来自此种电路的各个像素数据信号一般形式为基于电荷的信号，需加以放大和进一步处理。此种类型成像系统的深一层讨论可在普通授予的美国专利U.S.Patent No.5,970,115中找到，名称为“多模式数字X射线成像系统”，其公开件引入于此作为参考。
作为此类数据信号处理的一部分，后随有前置放大和某种形式的取样-保持操作，以应用模-数变换电路(ADC)将此类信号变换成数字信号。通常，就是由这一ADC电路设定或限制了系统的最大动态范围，典型值为14比特。然而，在平板X射线成像系统领域内，此种最大动态范围对此类成像系统的商业成功来说已是一个障碍。因此，希望有一种技术能借此扩展最大动态范围，从而做到与ADC电路的最大动态范围无甚关系。
发明内容
按照现在提出的本发明，在数据信号处理电路前置放大级中提供动态可控的信号动态范围，在处理电路的下游具有模-数信号变换器。通过数据信号前置放大后的信号电平，动态地调整前置放大级的增益，由此可扩展前置放大级的有效或适用动态范围。它给出的进一步优点是能有效地扩展整个系统的动态范围，可超出模-数变换器的动态范围本来会限制的信号范围。本发明的一个具体的有利应用是使用着平板固体成像装置之类的X射线成像系统。
按照现在提出的本发明的一个实施例，信号动态范围可动态控制的数据信号放大和处理电路中包括：输入端和输出端，放大和处理电路，以及控制电路。输入端用于传输输入数据信号，该数据信号带有它所关联的数据信号电荷。输出端用于传输与输入数据信号相对应的输出数据信号。放大和处理电路连接在输入端与输出端之间，包括有它所关联的、带有可变反馈电容的前置放大电路，它接收增益控制信号和输入数据信号，产生输出数据信号，其中，输出与输入数据信号之电平比是数据信号电荷和反电容的一个函数，并响应于增益控制信号的大小。控制电路连接在输出端与放大和处理电路之间，它监测数据信号，通过增益控制信号控制可变反馈电容，其中，当输出数据信号超出预定的信号门限时使可容反馈电容的电容量改变。
按照现在提出的本发明的一个实施例，X射线成像系统中包括：X射线成像器件，放大和处理电路，以及控制电路。X射线成像器件能提供许多的像素数据信号，它们带有关联的各别数据信号电荷。放大和处理电路连接于X射线成像器件上，包括有它所关联的、配置着许多可变反馈电容的前置放大电路，并可接收一个或多个增益控制信号和许多的像素数据信号，产生出与许多像素数据信号各别地对应的许多输出数据信号，其中，许多输出数据信号中的每一个与各像素数据信号之电平比是相应的各别数据信号电荷和反馈电容的函数，并响应于一个或多个增益控制信号中各别的信号。控制电路与放大和处理电路相连接，监测许多的输出数据信号，并通过一个或多个增益控制信号对许多可变反馈电容进行控制，其中，当许多输出数据信号中的一个或多个超出一个或多个预定的信号门限时使许多可变反馈电容中各别的电容选择性地改变电容量。
附图说明
图1是按照本发明一个实施例的X射线成像系统功能方框图，它使用信号动态范围可动态控制的数据信号放大器。
图2是图1中前置放大级的功能方框图。
图3是图1的电路中控制级的功能方框图。
图3A是图3中比较器电路给出的迟滞效应的曲线图。
图4是图2电路中插述的可变反馈电容的一个实现例子概略图。
具体实施方式
应当指出，虽然，下面的论述从上下文看针对X射线成像系统，但是，就提出权利要求的本发明的信号增益动态可控式数据信号放大器而言，它能够有利地应用于任何实际系统中，即如果某种系统需要有一种方式来扩展其总体动态范围并且能够以动态方法实现这种扩展时。
参见图1示明的按照本发明一个实施例的X射线成像系统，它应用到其信号动态范围可动态控制的一个数据信号放大器，该成像系统中包括X射线成像器器件10和许多的数据信号放大与处理级12(12a、12b、...12n)，两部分之间的连接实质上如图中所示。如本技术领域内所周知(例如，参见美国专利No.5,970,115)，X射线成像器器件10给出许多的像素数据信号11(11a、11b、...、11n)，其每一个由数据信号放大和处理级12中相应的各个进行接收。又如本技术领域内所周知，每一个像素数据信号11具有它所关联的数据信号电荷即Q数据，该电荷对应于像素数据，提供给数据信号放大和处理级12的输入端(下面有效详细的论述)。
由前置放大级14接收和放大像素数据信号11。该前置放大级14带有其关联的反馈电容Cfb(下面有效详细的论述)。此种反馈电容Cfb与数据信号电荷即Q数据一起工作，确立前置放大级14的增益。换言之，根据周知的原理，前置放大级14的信号增益是数据信号电荷即Q数据和反馈电容Cfb的一个函数(增益G＝V数据、Q数据＝1/Cfb，式中，V数据是前置放大级14输出信号15a的电压)。另外，如下面较详细的论述，按照本发明，该反馈电容Cfb是可变的，受控制级20给出的增益控制信号21a的控制。
前置放大级14的输出15a由取样和保持级16进行处理，它对信号15a取样，并将取样值保持必要的时间，以使得下游的模-数变换器(ADC)18将此种保持的信号变换成等效的数字信号19。
控制级20监测前置放大级14和取样与保持级16所给出的一个或多个输出信号。此类信号中可包括前置放大级14来的输出15a、取样和保持级16来的输出15c、以及在取样和保持级16内产生的中间信号15b。本发明的优选实施例中，所监测的信号是由前置放大级14产生的信号15a。然而，也可以监测任一种其他信号15b、15c以供本发明的目的应用，因为根据前置放大级14的增益控制原理，监测中只需要该被监测信号与原始像素数据信号11之间有着某种已知关联或对应性。
控制器20监测此信号15，以便确定何时信号15超出一个或多个预定的信号门限(下面有效详细的论述)。当发生该门限被跨越时，控制器20通过增益控制信号21a调整前置放大级14内反馈电容Cfb的电容值。因此，在被监测信号15指明反馈电容Cfb趋向最大限度时，控制器20可调整增益控制信号21a，选择性地增大反馈电容Cfb的电容值，由此降低增益G(＝V数据/Q数据＝1/Cfb)，同时增加动态范围(也不发生器件或电路饱和下的最大可能输出信号电压)。出现增益控制时，控制器20还产生一个校正指示信号21b告警其下游处理级(未示出)，指明数字等效的数据信号19是按照新的增益系数提供的，该新的增益系数由数据信号电荷即Q数据和新调整的反馈电容Cfb确定。
参看图2，前置放大级14的一个实施例14a中包括有如图中那样连接的差分放大器30和可变反馈电容器32。差分放大器30将输入的像素数据信号11与参考信号Vrefa进行比较。像素数据信号11由该放大器30放大，产生输出信号15a，同时抑帛可能出现在像素数据11与参考信号Vrefa中的共模信号成分。如上面的讨论，来自控制级20的增益控制信号21a按需要地调整反馈电容Cfb。
参看图3，控制级20的一个实施例20a中包括比较器电路40，它将被监测信号15与一个或多个外部参考信号Vrefb、Vrefc进行比较，可以调整参考信号Vrefb和Vrefc以便按需要地提供迟滞效应。容易理解到，如果不希望或不要求迟滞效应，则只需要一个参考信号Vrefb。这时，当被监测信号15在向上方向或向下方向上跨越或超出参考信号Vrefb时，得到的增益控制信号21a将是两种信号状态中的某一种。然而，如果要求或希望有迟滞效应，则可以使用一个附加的参考信号Vrefc，以使得只当被监测信号15在某一方向上跨越第一参考信号Vrefb或是在另一方向上跨越第一参考信号Vrefc时，才调整增益控制信号21a的值。这种迟滞效应插述于图3A的曲线图中。
参看图4，图2电路中反馈电容器32的一个实施例32a实质上可如图中所示地实现。电容器C1起主要电容或基本电容的作用，如上面的讨论，它与数据线电容即C数据一起给出基本的增益值。可以包括入一个或多个附加的电容C2、C3，以便提供出附加的电容数值范围。例如，如果将电容器C2接通进来使之与电容器C菩萨关，则净反馈电容Cfb为电容C1与C2之和。类似地，如果以电容C3替代电容C2，则净反馈电容为电容C1与C3之和。
应用固态切换开关S1和S2，可以使电容器C2和C3选择性地分别接入电路或脱开电路。此类切换开关S1、S2是按照周知的技术由增益控制信号21a进入控制的。此外，按照周知的电路设计技术，此类切换开关S1、S2通常设计成晶体管通断或传输门(并联连接的双路开关晶体管)。
另外，也可以按照周知的制造技术使基本电容器C1以一个可变电容(例如，变容二相管)实现，由附加的增益控制信号21c予以控制。通常，还提供一个复位开关SO，它由复位信号21r控制，在合适的时间使所有电容放电以复位该电路。
本技术领域内的熟练人员显然可对本发明的结构和工作方法作出各种其他修改或变更，它们偏离不开本发明的范围和实质。虽然，结合特定的优选实施例已说明本发明，但应理解到，提出权利要求的本发明不应不适当地被限制于此类特定实施例上。这里的用意是要说明，下面的权利要求书规定了本发明的范围，这些权利要求范围内的结构和方法以及它们的等效事项因而都包罗于权利要求中。

Claims (16)

1.一种含有数据信号放大与处理电路的装置，能动态地控制信号动态范围，包括：
输入端，用于传输具有相关联的数据信号电荷的输入数据信号；
输出端，用于传输与所述输入数据信号相对应的输出数据信号；
放大与处理电路，连接于所述输入端与输出端之间，并包含具有相关联的可变反馈电容的前置放大电路，它接收增益控制信号和所述的输入数据信号，并且产生所述的输出数据信号，其中，所述输出数据信号与输入数据信号之比是所述数据信号电荷和反馈电容的一个函数，并响应于所述增益控制信号；以及
控制电路，连接于所述输出端和所述放大与处理电路之间，它监测所述输出数据信号，通过所述增益控制信号控制所述可变反馈电容，其中，当所述输出数据信号超出预定的信号门限时，使所述可变反馈电容改变。
2.权利要求1的装置，其中，所述放大与处理电路包括一个具有输入端和输出端的差分放大器，所述可变反馈电容连接于所述放大器的输入端与输出端之间。
3.权利要求2的装置，其中，所述放大与处理电路还包括取样与保持电路，连接于所述差分放大器，对所述输出数据信号进行取样。
4.权利要求1的装置，其中，所述可变反馈电容包括多个并联的电容器通断电路。
5.权利要求1的装置，其中，所述可变反馈电容包括一个可变电容器，它并联有一个或多个电容器通断电路。
6.权利要求1的装置，其中，所述控制电路包括一个比较器电路，它将所述输出数据信号与一个参考信号进行比较。
7.权利要求1的装置，还包括摸-数变换电路，它与所述输出端连接，将所述输出数据信号变换为数字数据信号。
8.一种含有数据信号放大与处理电路的装置，能动态地控制信号动态范围，包括：
输入装置，用于传输具有相关联的数据信号电荷的输入数据信号；
输出装置，用于传输与所述输入数据信号相对应的输出数据信号；
放大器与处理器装置，包含具有相关联的可变反馈电容的前置放大器装置，用于接收增益控制信号和所述输入数据信号，并产生所述输出数据信号，其中，所述输出数据信号与所述输入数据信号之比是所述数据信号电荷和反馈电容的一个函数，并响应于所述增益控制信号；以及
控制器装置，用于监测所述输出数据信号，并通过所述增益控制信号控制所述可变反馈电容，其中，当所述输出数据信号超出预定的信号门限时，使所述可变反馈电容改变。
9.一种含有X射线成像系统的装置，包括：
X射线成像器件，提供多个像素数据信号，具有相关联的各自的数据信号电荷；
放大与处理电路，连接到所述X射线成像器件，并且包含具有多个相关联的可变反馈电容的前置放大电路，它接收一个或多个增益控制信号和所述的多个像素数据信号，并且产生出与所述多个像素数据信号分别对应的多个输出数据信号，其中，各自的所述多个输出数据信号与所述多个像素数据信号之间的各自的比值是相应的各自的所述数据信号电荷和反馈电容的函数，并响应于各自的所述一个或多个增益控制信号；以及
控制电路，连接到所述放大与处理电路，它监测所述多个输出数据信号，并通过所述一个或多个增益控制信号控制所述多个可变反馈电容，其中，当所述许多输出数据信号中的一个或多个超出一个或多个预定的信号门限时，使各自的所述多个可变反馈电容选择性地改变。
10.权利要求9的装置，其中，所述放大与处理电路还包括具有各自的输入端和输出端的多个差分放大器，在所述各自的放大器的输入端与输出端之间连接着各自的所述多个可变反馈电容。
11.权利要求10的装置，其中，所述放大与处理电路还包括取样与保持电路，连接到所述多个差分放大器，它对所述多个输出数据信号进行取样。
12.权利要求9的装置，其中，所述多个可变反馈电容的每一个包括多个并联的电容器通断电路。
13.权利要求9的装置，其中，所述多个可变反馈电容的每一个包括一个可变电容器，它并联有一个或多个电容器通断电路。
14.权利要求9的装置，其中，所述控制电路包括多个比较器电路，它们将各自的所述多个输出数据信号与一个或多个各自的参考信号进行比较。
15.权利要求9的装置，还包括模-数变换电路，连接到所述放大与处理电路，它将所述多个输出数据信号变换成多个数字数据信号。
16.一种含有X射线成像系统的装置，包括：
X射线成像装置，用于提供多个像素数据信号，它们具有相关联的各自的数据信号电荷；
放大器与处理器装置，包含具有相关联的多个可变反馈电容的前置放大器装置，用于接收一个或多个增益控制信号和所述多个像素数据信号，并且产生出与所述多个像素数据信号分别相对应的多个输出数据信号，其中，各自的所述多个输出数据信号与所述多个像素数据信号之间各自的比值是相应的各自的所述数据信号电荷和反馈电容的函数，并响应于各自的所述一个或多个增益控制信号；以及
控制器装置，用于监测所述多个输出数据信号，并通过所述一个或多个增益控制信号控制所述多个可变反馈电容，其中，当所述多个输出数据信号中的一个或多个超出一个或多个预定的信号门限时，使各自的所述多个可变反馈电容选择性地改变。
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