DE102017102857A1

DE102017102857A1 - Analog/Digital-Umsetzer mit Integrator mit Ladungsausgleich

Info

Publication number: DE102017102857A1
Application number: DE102017102857.9A
Authority: DE
Inventors: Damien J. MCCARTNEY; Gabriel Banarie; Paraic Brannick; Colin G. Lyden
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2037-02-15
Also published as: DE102017102857B4

Abstract

Eine Ladungsneuausgleich-Integrationsschaltung kann dazu beitragen, einen Ausgangsknoten einer Frontend-Integrationsschaltung innerhalb eines spezifizierten Bereichs zu halten, beispielsweise ohne dass ein Zurücksetzen des Integrationskondensators erforderlich ist. Der Prozess des Überwachens und erneuten Ausgleichens der Integrationsschaltung kann auf einer viel kleineren Zeitbasis als der der Integrationszeitspanne erfolgen, was es ermöglichen kann, dass mehrere Ladungsausgleich-Ladungstransfer-Ereignisse während der Integrationszeitspanne erfolgen und dass der Integrationskondensator einmal pro Integrationszeitspanne abgetastet wird, beispielsweise an dem Ende der Integrationszeitspanne. Informationen über den Ladungsneuausgleich können dazu verwendet werden, eine anschließende Diskretzeitverarbeitung wie beispielsweise digitalisierte Werte der Abtastungen anzupassen. Ein verbesserter Dynamikbereich und ein verbessertes Rauschverhalten sind möglich. Computertomographie-Bildgebung (CT-Bildgebung) und andere Anwendungsfälle sind beschrieben, einschließlich solcher mit variablen Integrationszeitspannen.

Description

HINTERGRUND
Die Analog/Digital-Signalumsetzung eignet sich für viele Signalverarbeitungsanwendungen wie beispielsweise die Anbindung an einen Photodiodensensor in einem Computertomographie-Bildgebungsscanner (CT-Bildgebungsscanner).
Das US-Patent Nr. 7136005 mit dem Titel ”ACCURATE LOW NOISE ANALOG TO DIGITAL CONVERTER SYSTEM” von Lyden u. a. beschreibt ein Analog-Digital-Umsetzersystem, das einen Integratorschaltungs-Vorbau für eine Analog-Digital-Umsetzerschaltung umfasst. Ein Integrationskondensator der Integratorschaltung wird als Antwort darauf zurückgesetzt, dass ein oder mehrere Komparatoren, die mit dem Ausgang des Integrators gekoppelt sind, detektieren, dass die Integratorausgangsspannung einen bestimmten Ausgangsspannungsbereich der Integratorschaltung verlässt.
Das US-Patent Nr. 8260565 mit dem Titel ”HIGH DYNAMIC RANGE CHARGE MEASUREMENTS” von DeGeronimo erwähnt einen Ladungsverstärker zur Verwendung bei der Strahlungserfassung, der ein selektives Umleiten von Ladung umfasst.
G. Mazza u. a. erwähnen eine Ladungsausgleichs-Integrationstechnik in "A 64-channel wide dynamic range charge measurement ASIC for strip and pixel ionization detectors", Nuclear Science Symposium Conference Record, 2004 IEEE, S. 964–968.
G. C. Bonazzola u. a. erwähnen in "A VLSI circuit for charge measurement of a strip ionization chamber", Nuclear Instrumentation and Methods in Physics Research A 409 (1998), S. 336–338, eine Ladungstransfertechnik in einem Instrument zur Messung der Strahlintensität bei Hadron-Therapie-Krebsbehandlungen.
ÜBERSICHT
Die Analog/Digital-Signalumsetzung eignet sich für viele Signalverarbeitungsanwendungen wie beispielsweise die Anbindung an einen Photodiodensensor in einem Computertomographie-Bildgebungsscanner (CT-Bildgebungsscanner). Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben unter anderem erkannt, dass ein Problem, das bei der Anbindung eines Sensors oder eines anderen Eingangssignals an eine Analog-Digital-Umsetzer-Schaltung (ADC-Schaltung) gelöst werden soll, in einer Integratorschaltung auftreten kann, die als Frontendschaltung für die ADC-Schaltung dienen kann, um Ladung oder Stromstärke aus dem CT-Bildgebungssensor oder einer anderen Schaltung in ein Spannungssignal zu integrieren, das von der ADC-Schaltung abgetastet und in einen digitalen Signalwert umgesetzt werden kann.
1 zeigt ein Beispiel von Teilen eines CT-Bildgebungssystems 100. In einem Beispiel kann eine Röntgenstrahlenquelle (nicht gezeigt) Röntgenstrahlen emittieren, die durch einen Patienten gelenkt werden können. Auf der gegenüberliegenden Seite des Patienten können diese Röntgenstrahlen auf einen Röntgenempfänger 102 einfallen. Der Röntgenempfänger 102 kann die einfallenden Röntgenstrahlen in elektrische Ladung umwandeln, beispielsweise über eine indirekte oder direkte Technik. Eine Integratorschaltung 104 kann die elektrische Ladung sammeln, die sich über die Zeit aus den einfallenden Röntgenstrahlen ergibt. Die gesammelte elektrische Ladung kann durch die Integratorschaltung 104 in ein resultierendes elektrisches Spannungssignal umgesetzt werden, das für die Dämpfung des Patientengewebes oder eines anderen Materials, das die Röntgenstrahlen durchlaufen haben, repräsentativ ist.
In einem Beispiel einer indirekten Umsetzung kann der Röntgenempfänger 102 einen Szintillator (nicht gezeigt) umfassen, der einfallende Röntgenphotonen in Licht umwandeln kann. Dieses Licht kann dann auf einen Photodiodensensor 106 wirken, der mit einem Eingang der Integratorschaltung 104 verbunden sein kann. Die Ladung in die Integratorschaltung 104 kann durch einen Eingangsschalter 103 und auf dem Eingangsknoten 105 zu einem invertierenden Eingang einer Verstärkerschaltung 109 gelangen. Eine solche Ladung in die Integratorschaltung 104 kann über eine Zeitspanne auf einem Integrationskondensator 108 integriert werden, was zu einer Änderung der analogen Signalspannung an dem Ausgangsknoten 110 des Verstärkers 109 der Integratorschaltung 104 führt. Die akkumulierten Röntgenstrahlen, die durch eine Spannungsänderung an dem Knoten 110 repräsentiert sein können, können durch Abtasten der Spannung an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 an dem Anfang und dem Ende einer Integrationszeitspanne der Integratorschaltung 104 bestimmt werden. Diese Integrationszeitspanne kann in dem Zusammenhang mit dem CT-Bildgebungssystem 100 als ”Betrachtungszeit” bezeichnet werden. Der Integrationskondensator 108 der Integratorschaltung 104 kann nach jeder Integrationszeitspanne zurückgesetzt werden, beispielsweise durch die Schalter 112A–B, nachdem der analoge Signalspannungswert an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 von einer ADC-Schaltung 114 für eine Umsetzung in einen digitalen Signalwert an einem ADC-Ausgang 116 abgetastet werden, um beispielsweise an eine digitale Signalverarbeitungsschaltung (DSP) 118 geliefert zu werden. Das Zurücksetzen des Integrationskondensators 108 der Integratorschaltung 104 (z. B. auf eine Spannung von null oder eine andere spezifizierte feste Spannung über den Integrationskondensator 108) kann dazu beitragen, sicherzustellen, dass das analoge Signal an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 innerhalb des Energieversorgungs-Spannungsbereichs der Integratorschaltung 104 bleibt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass eine Aufgabe bei der CT-Bildgebung darin bestehen kann, die Gesundheit des Patienten zu schützen, beispielsweise durch Verringern oder Minimieren der Belastung des Patienten durch ionisierende Strahlung (z. B. Röntgenstrahlen). Das dem Röntgenempfänger 102 zugeordnete Rauschen kann die minimale Höhe der Röntgendosis bestimmen, das detektiert werden kann. Die benötigte Röntgenstrahlenintensität kann durch die Größe des Patienten und die damit verbundene Dämpfung beeinflusst werden. In einem Mehrkanal-Röntgenbildgebungssystem wie etwa zum Erfassen eines Arrays von Abbildungsdaten müssen dann, wenn die Röntgenstrahlenintensität zunimmt, jene Kanäle, die der vollen Intensität der Röntgenquelle ausgesetzt sind, ein größeres Eingangssignal bewältigen. Für die Integratorschaltung 104 kann dies die Verwendung eines größeren Integrationskondensators 108 beinhalten, um mit den höheren Pegeln der eingehenden Ladung aus den detektierten Röntgenstrahlen umzugehen, die durch die Photodiode 106 in elektrische Ladung umgewandelt wurden. Ein Erhöhen der Größe und des Kapazitätswerts des Integrationskondensators 108 verringert die Verstärkung, die der Integratorschaltung 104 zugeordnet ist, was wiederum den Einfluss der eingangsbezogenen Rauschpegel, die aus dem Backend-Rauschen resultieren (was konzeptionell bei 120 modelliert werden kann), das der Integrationsschaltung 104 nachgeschaltet in der Signalkette entsteht, erhöht. Bei dieser Signalkette, wie sie in dem Ansatz von 1 gezeigt ist, kann es eine Abhängigkeit des Rauschens von dem Eingangsvollbereich geben.
Ein Punkt, der in dem Ansatz von 1 zu beachten ist, ist, dass der Kanal nur einmal pro Integrationszeitspanne zurückgesetzt werden kann, und zwar erst nachdem das analoge Signal an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 abgetastet worden ist. Der Rücksetzpunkt kann ein kalibrierter Punkt sein, wenn das Zurücksetzen ausreichend stabil und rauschfrei ist, oder er kann vor der Integration neu gemessen werden, vorausgesetzt, dass genügend Zeit vorhanden ist, um dies zu erreichen. Während des Zurücksetzens des Integrationskondensators 108 der Integratorschaltung 104 wird die Photodiode 106 von der Integratorschaltung 104 getrennt, beispielsweise durch Öffnen des Schalters 103, um dabei zu helfen, sicherzustellen, dass kein Ladungssignal während des Rücksetzereignisses verloren geht. Diese Trennzeit sollte auf ein Minimum reduziert werden, um dabei zu helfen, einen minimalen Ladungsaufbau auf einer parasitären Kapazität C_par 107, die der Röntgenempfängerschaltung 102 zugeordnet ist, sicherzustellen und einen unterschwelligen Leckverlust über die Photodiode 106 selbst hinweg zu vermeiden oder zu verhindern.
2 zeigt ein Beispiel von Teilen eines CT-Bildgebungssystems 200, das eine Variation des in 1 gezeigten Beispiels ist. In dem Beispiel von 2 kann der Integrationskondensator 108 der Integratorschaltung 104 nur dann zurückgesetzt werden, wenn dies erforderlich ist. Dies kann durch Hinzufügen einer Überwachungsschaltung 202 erreicht werden, die beispielsweise Überwachungseinrichtungen wie etwa Komparatorschaltungen 204A–B enthalten kann, zu dem Ausgang 110 der Integratorschaltung 104 erreicht werden. Jede der Komparatorschaltungen 204A–B kann das analoge Signal an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 mit einem jeweiligen Schwellenspannungswert vergleichen und signalisieren, wenn das analoge Signal an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 einen jeweils definierten Schwellenspannungswert, wie beispielsweise die obere Schwelle, die als Referenzeingangsspannung an dem Komparator 204A verwendet werden kann, oder die untere Schwelle, die als Referenzeingangsspannung an dem Komparator 204B verwendet werden kann, kreuzt (über- bzw. unterschreitet). Der Zustand von Ausgaben der Komparatoren 204A–B kann von einer Rücksetzlogikschaltung 206 verwendet werden, um etwa zu bestimmen, wann der Integrationskondensator 108 zurückgesetzt werden soll (beispielsweise dann, wenn das analoge Signal an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 dabei ist, einen gewünschten Spannungsbereich zu verlassen), und wann es möglich ist, weiter zu integrieren (beispielsweise dann, wenn das analoge Signal an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 in einem gewünschten Spannungsbereich bleibt). Eine solche bedingte oder selektive Rücksetzung des Integrationskondensators 108 kann den Vorteil haben, dass potentielles Rauschen reduziert wird, das sonst durch die Verwendung einer Rücksetzfunktion unweigerlich zwischen bestimmten Integrationszeitspannen eingebracht werden würde. Dieser Ansatz von 2 kann in einer Signalkette mit hohem Dynamikbereich nützlich sein, da er dazu beitragen kann, das Rauschen zu verringern oder zu minimieren, das ansonsten durch das Zurücksetzen des Integratorkondensators 108 der Integratorschaltung 104 eingebracht werden kann.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben unter anderem erkannt, dass ein potentielles Problem mit den in den 1–2 gezeigten Ansätzen sein kann, dass ein Wert und eine Größe des Integrationskondensators 108 durch das maximale Eingangssignal über die definierte Integrationszeitspanne, z. B. die Zeit zwischen Abtastungen des analogen Signals an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 durch die ADC-Schaltung 114, bestimmt werden. Dies kann effektiv die Verstärkung der Integratorschaltung 104 bestimmen, die wiederum beeinflusst, wie gut das Backend-Rauschen 120 unterdrückt werden kann, wenn es auf den Eingang der Integratorschaltung 104 und den Eingang der Signalkette bezogen ist. Weniger Verstärkung durch die Integratorschaltung 104 bedeutet einen größeren Einfluss des Backend-Rauschens 120, wenn es auf den Eingang der Integratorschaltung 104 und den Eingang der Signalkette bezogen ist. Da ein großer Integrationskondensator 108 eine geringere Verstärkung durch die Integratorschaltung 104 bereitstellen würde, kann das eingangsbezogene Backend-Rauschen erhöht werden.
Um diese und andere Probleme zu lösen, beschreibt das vorliegende Dokument unter anderem einen vorgeschlagenen Ladungsneuausgleichsansatz, der dazu beitragen kann, die Abhängigkeit zwischen Rauschen und Vollbereich zu reduzieren oder zu entfernen. Wie hierin beschrieben kann mit Ladungsneuausgleich das analoge Signal an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 während der Integrationszeitspanne überwacht werden. Wenn das analoge Signal an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 von einem Bereich abweicht, der durch einen oder mehrere Betriebsschwellen für die Integratorschaltung 104 definiert ist, kann eine spezifizierte, definierte oder kalibrierte Ladungsmenge an den Integrationskondensator 108 geliefert werden, beispielsweise über den Eingangsknoten 105 des Verstärkers 109 der Integratorschaltung 104. Die spezifizierte gelieferte Ladungsmenge kann von geeignetem Betrag und Vorzeichen sein, um das analoge Signal an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 in einen normalen Betriebsbereich der Integratorschaltung 104 zurückzuführen, z. B. ohne dass ein Zurücksetzen des Integrationskondensators 108 erforderlich ist.
Diese Übersicht soll einen Überblick über den Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung geben. Es ist nicht beabsichtigt, eine ausschließende oder erschöpfende Erläuterung der Erfindung zu liefern. Die genaue Beschreibung ist enthalten, um weitere Informationen über die vorliegende Patentanmeldung zu geben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, können gleiche Ziffernfolgen ähnliche Komponenten in verschiedenen Ansichten beschreiben. Gleiche Ziffernfolgen mit verschiedenen Buchstabensuffixen können verschiedene Beispiele ähnlicher Komponenten repräsentieren. Die Zeichnungen zeigen im Allgemeinen beispielhaft, nicht aber in einschränkender Weise, verschiedene Ausführungsformen, die im vorliegenden Dokument erörtert werden.
1 zeigt ein Beispiel von Teilen eines CT-Bildgebungssystems, das z. B. eine Frontend-Integrationsschaltung für eine Analog/Digital-Umsetzerschaltung umfassen kann.
2 zeigt ein Beispiel von Teilen eines CT-Bildgebungssystems, das z. B. eine Frontend-Integrationsschaltung für eine Analog/Digital-Umsetzerschaltung umfassen kann, beispielsweise zum selektiven Zurücksetzen eines Integrationskondensators der Integrationsschaltung.
3 zeigt ein Beispiel von Teilen eines CT-Bildgebungssystems, bei dem beispielsweise Ladungsneuausgleich dazu verwendet werden kann, eine Integrationsschaltungs-Ausgangsspannung an einem Knoten innerhalb eines spezifizierten Bereichs zu halten.
4, 5 und 6 zeigen eine verallgemeinerte Darstellung der Schaltzustände während der ersten Phase ϕ1 und (bedingt) während der zweiten Phase ϕ2.
7 zeigt ein Beispiel einer Verwendung von zwei Phasen eines einzelnen Taktzyklus, um das erwünschte Schalten zu erreichen, wie beispielsweise durch Verwenden eines nicht überlappenden Mehrpegel-Taktsignals, um das Schalten zu erreichen.
8 zeigt ein Beispiel von zwei parallelen Ladungstransferschaltungen während der ersten Phase ϕ1, wie es ähnlich für den Fall einer einzelnen Ladungstransferschaltung in 4 gezeigt ist.
9 zeigt ein Beispiel eines Einbeziehens und Verwendens eines Schalters zum optionalen Trennen des Eingangssignals von seiner Quelle und zum selektiven Isolieren der Integrationsschaltung von der Quelle während Ladungstransferereignissen und Abtastungsereignissen, um beispielsweise eine verbesserte Linearität bereitzustellen.
10A–B zeigen Beispiele von Teilen einer Differentialimplementierungserweiterung der Beispiele, wie sie oben in 3–9 gezeigt und beschrieben sind.
GENAUE BESCHREIBUNG
Dieses Dokument beschreibt unter anderem einen Ladungsneuausgleich einer Integrationsschaltung, um einen Ausgangsknoten einer Frontend-Integrationsschaltung innerhalb eines spezifizierten Bereichs zu halten, beispielsweise ohne dass ein Zurücksetzen des Integrationskondensators erforderlich ist. Der Prozess des Überwachens und erneuten Ausgleichens der Integrationsschaltung kann auf einer viel kleineren Zeitbasis als der der Integrationszeitspanne erfolgen, was es ermöglicht, dass mehrere Ladungsneuausgleichsereignisse (hierin auch als Ladungstransferereignisse bezeichnet) während einer einzelnen Integrationszeitspanne erfolgen, beispielsweise ohne Zurücksetzen des Integrationskondensators. Informationen über die Ladungsneuausgleichsereignisse wie etwa die Anzahl der Ladungsneuausgleichsereignisse während der Integrationszeitspanne können aufgezeichnet werden. Diese Informationen können dazu verwendet werden, die Gesamtladung, die aufgrund von Ladungsneuausgleichsereignissen innerhalb derselben Integrationszeitspanne transferiert wird, zu nachzuverfolgen. Diese Gesamtladung, die während derselben Integrationszeitspanne auf den Integrationskondensator transferiert wird, kann als Summe der Ladung aus dem erneuten Ausgleichen und der Restladung, die sich aus der Änderung in der Spannung an dem Integratorausgang zwischen dem Start und dem Ende der Integrationszeitspanne ergibt, geschätzt werden.
3 zeigt ein Beispiel von Teilen eines CT-Bildgebungssystems 300, bei dem beispielsweise Ladungsneuausgleich verwendet werden kann, um die Integrationsschaltungsausgangsspannung an einem Knoten 110 beispielsweise während einer Integrationszeitspanne innerhalb eines spezifizierten Bereichs zu halten, ohne dass der Integrationskondensator 108 zurückgesetzt werden muss. Die Teile des CT-Bildgebungssystems 300, die in 3 gezeigt sind, können einen Kanal in einem Mehrkanal-CT-System darstellen. Beispielsweise kann eine Diskretzeit- oder Digitalschaltung wie etwa die ADC-Schaltung 114 und die DSP-Schaltung 118 zwischen mehreren Kanälen gemeinsam genutzt werden. Beispielsweise kann eine Multiplexerschaltung in dem Signalweg vor der ADC-Schaltung 114 enthalten sein, um ein Zeitmultiplexen von mehreren Signalen von mehreren Frontendschaltungen auf die ADC-Schaltung 114 zur Verarbeitung zu ermöglichen. In einem veranschaulichenden Computertomographiebeispiel kann jeder Kanal, der auf die ADC-Schaltung 114 gemultiplext wird, eine entsprechende Frontendschaltung zum Anbinden an eine entsprechende von mehreren solcher Photodioden, die in einer CT-Röntgenempfangsschaltung 102 enthalten sind, bereitstellen.
3 zeigt ein Beispiel, das darauf ausgerichtet ist, den Integrationskondensator 108 der Integratorschaltung 104 in einer bestimmten Richtung neu auszugleichen. Die Photodiode 106, die in einem Photovoltaikmodus betrieben werden kann, kann über den Schalter 103 mit dem Knoten 105 der Integratorschaltung 104 gekoppelt sein. Die Integratorschaltung 104 kann einen Integrationskondensator 108 mit einem spezifizierten Integrationskapazitätswert in dem Rückkopplungsweg zwischen dem Ausgangsknoten 110 des Verstärkers 109 und dem Knoten 105 an dem invertierenden Eingang des Verstärkers 109 umfassen.
Eine Überwachungsschaltung kann verwendet werden, um die Spannung an dem Ausgangsknoten 110 zu überwachen. Die Überwachungsschaltung kann die Spannung an dem Ausgangsknoten 110 mit mindestens einer Schwellenspannung wie etwa mit einer spezifizierten ersten Schwellenspannung vergleichen, beispielsweise unter Verwendung einer Komparatorschaltung 308A. Der Komparator 308A kann eine getaktete gelatchte Komparatorschaltung umfassen, die beispielsweise einen taktsynchronisierten Vergleich des Spannungssignals an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 bereitstellen kann. Die Schwellenspannung kann eine gewünschte Signalpegelgrenze der Spannung an dem Ausgangsknoten 110 darstellen. Wenn die Komparatorschaltung 308A bestimmt, dass die Spannung an dem Ausgangsknoten 110 die gewünschte Signalpegelgrenze kreuzt, kann ein Ladungsneuausgleichsereignis ausgelöst werden, um beispielsweise dabei zu helfen, die Spannung an dem Ausgangsknoten 110 zu induzieren, um die gewünschte Signalpegelgrenze in die andere Richtung zu kreuzt. Dies kann die Spannung an dem Ausgangsknoten 110 wieder in den gewünschten Signalbereich bringen. Dieser Ladungsneuausgleich kann während der Integrationszeitspanne, z. B. zwischen Abtastzeitpunkten des Integrationskondensators 108, auftreten.
Obwohl 3 eine einzelne Komparatorschaltung 308A, beispielsweise zum Vergleichen der Spannung an dem Ausgangsknoten 110 mit der spezifizierten ersten Schwellenspannung, veranschaulicht, kann ebenso auch eine zweite Komparatorschaltung 308B (nicht gezeigt) enthalten sein, beispielsweise zum Vergleichen der Spannung an dem Ausgangsknoten 110 mit einer spezifizierten zweiten Schwellenspannung, die die andere gewünschte Signalpegelgrenze der Spannung an dem Ausgangsknoten 110 darstellen kann, wenn es beispielsweise gewünscht ist, die Spannung an dem Ausgangsknoten 110 zwischen diesen Grenzen zu halten. In einem Beispiel kann dann, wenn einer dieser Komparatoren 308A–B ausgelöst wird, ein Ladungsneuausgleichsereignis in der geeigneten Richtung eingeleitet werden, um dabei zu helfen, die Spannung an dem Ausgangsknoten 110 zu induzieren, um innerhalb eines gewünschten Betriebsbereichs, wie beispielsweise innerhalb des Betriebsbereichs der positiven und negativen Energieversorgungen, die die Integratorschaltung 104 mit Energie versorgen, zu bleiben. Dieser Ladungsneuausgleich kann während der Integrationszeitspanne, beispielsweise zwischen Abtastzeitpunkten des Integrationskondensators 108, auftreten.
In einem Beispiel kann der Ladungsneuausgleich des Integrationskondensators 108 unter Verwendung einer bedingten Ladungstransferschaltung 306A (”Ladungstransferschaltung 306A”) durchgeführt werden. Die Ladungstransferschaltung 306A kann ein oder mehrere Steuereingangssignale empfangen, die auf Informationen darüber basieren können, ob einer der Komparatoren 308A–B ausgelöst worden ist oder nicht, beispielsweise während eines bestimmten Taktzyklus eines Ladungsausgleichs- oder ”Auffrischungs”-Taktsignals 305. Als Reaktion darauf, dass einer der Komparatoren 308A–B ausgelöst worden ist, kann die bedingte Ladungstransferschaltung 306A eine Ladung auf dem Integrationskondensator 108 hinzufügen oder von diesem entfernen, beispielsweise über den Knoten 105 des Verstärkers 109 der Integrationsschaltung 104.
In einem Beispiel kann die Ladungstransferschaltung 306A einen geschalteten Ladungstransferkondensator C_ref 310A umfassen. Der Kondensator C_ref 310A kann durch Betreiben über zwei Phasen 307A–B wie etwa eine erste Phase ϕ1 und eine zweite Phase ϕ2 einer Auffrischungstaktzeitspanne, die durch den Ladungsausgleichstakt 305 bereitgestellt wird, geschaltet werden. Wie in 4 gezeigt kann C_ref 310A während der ersten Phase ϕ1 bis zu einer definierten Spannung Vref+ geladen werden, beispielsweise durch Schließen des Schalters 312A, um eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten Anschluss von C_ref 310A und Vref+ an dem Knoten 311 herzustellen, und Schließen des Schalters 316A, um eine elektrische Verbindung zwischen einem zweiten Anschluss von C_ref 310A zu einem Referenzpotentialknoten 315 wie beispielsweise einem Masseknoten herzustellen, wobei der Schalter 318A während der ersten Phase ϕ1 offen ist, um den zweiten Anschluss von C_ref 310A von dem Knoten 105 der Integratorschaltung 104 zu isolieren, und wobei ein Schalter 314A wie etwa in 4 gezeigt ebenfalls offen ist.
Der Betrieb während der zweiten Phase ϕ2, wie er etwa in 5–6 gezeigt ist, kann von dem Zustand der Komparatoren 308A–B abhängen, die die Ausgabe an dem Knoten 110 der Integratorschaltung 104 überwachen. Wenn einer der Komparatoren 308A–B angibt, dass der Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 außerhalb des gewünschten zulässigen Betriebsbereich ist, dann kann wie in 5 gezeigt während der zweiten Phase ϕ2 der zweite Anschluss von C_ref 310A mit dem Knoten 105 verbunden werden, beispielsweise durch Schließen des Schalters 318A, und der erste Anschluss von C_ref 310A kann mit Vref an dem Knoten 313 verbunden werden, beispielsweise durch Schließen des Schalters 314A. Dies kann dazu führen, dass eine spezifizierte Ladungsmenge (z. B. Q = C_ref·V, bestimmt durch Aufladen von C_ref 310A während ϕ1) durch Ladungstransfer über den Knoten 105 des Verstärkers 109 entweder hinzugefügt oder aus dem Integrationskondensator 108 entfernt wird. Dies wird die Spannung an dem Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 in Richtung des oder zurück in den gewünschten zulässigen Betriebsbereich(s) ziehen, ohne dass ein Zurücksetzen des Integrationskondensators 108 erforderlich ist, beispielsweise indem ein solcher Ladungsneuausgleich einmal oder mehrmals zwischen den Abtastungen des Integratorausgangs an dem Knoten 110, beispielsweise während der gleichen Integrationszeitspanne, durchgeführt wird.
Wenn die Komparatoren 308A–B angeben (z. B. synchron zu dem Ende der ersten Phase ϕ1 bestimmt), dass die Integratorausgangsspannung an dem Knoten 110 innerhalb ihres gewünschten zulässigen Betriebsbereichs liegt, dann kann, wie es weiter in 6 gezeigt ist, die Ladung, die während ϕ1 auf C_ref 310A platziert wurde, optional während ϕ2 zu einem definierten Knoten (z. B. Knoten 313), der von dem Knoten 105 verschieden ist, abgeführt werden. In einem Beispiel kann das Abführen der Ladung von C_ref 310A während ϕ2 ein Schließen der Schalter 314A und 316A während ϕ2 umfassen, um beispielsweise eine elektrische Verbindung des ersten Anschlusses von C_ref 310A zu Vref– an dem Knoten 313 bereitzustellen und eine elektrische Verbindung des zweiten Anschlusses von C_ref 310A zu einem Referenzknoten bei 315 bereitzustellen. Beispielsweise kann die Spannung bei Vref– an dem Knoten 313 gleich der Referenzspannung an dem Referenzknoten 315 gesetzt werden, so dass C_ref 310A während ϕ2 entladen werden kann.
Dieser bedingte Ladungstransferprozess kann mit dem nächsten Taktzyklus des Ladungsneuausgleichstaktsignals 305 wiederholt werden, wobei z. B. neu bewertet wird, ob einer der Komparatoren 308A–B ausgelöst worden ist, wie beispielsweise während dem oder am Ende des nächsten Auftreten(s) der ersten Phase ϕ1 des Ladungsneuausgleichstaktes 305. Unter Verwendung dieser Informationen kann der bedingte Ladungstransfer wie oben beschrieben während ϕ2 erneut durchgeführt werden.
Beispiel von Schaltzuständen für einen Transferkondensator
4–6 bieten eine verallgemeinerte Darstellung der Schalterzustände während der ersten Phase ϕ1 und (bedingt) während der zweiten Phase ϕ2. Weitere Einzelheiten zu einem Beispiel eines solchen Schaltens werden nun erläutert.
In 4 können sich während der ersten Phase ϕ1 die Schalter 312A und 316A gleichzeitig schließen. Dann kann der Ladungsausgleichstakt 305 eine Zeitspanne bereitstellen, in der die Schalter 312A und 316A geschlossen bleiben können, um zu ermöglichen, dass sich die Spannung über dem Integrationskondensator C_ref 310A einpendelt. Dann kann sich der Schalter 316A zuerst öffnen, um beispielsweise die definierte Spannung an dem Ladungstransferkondensator C_ref 310A abzutasten, wodurch eine spezifizierte Ladungsmenge ermittelt wird, die auf dem Ladungstransferkondensator C_ref 310A gespeichert ist. Dann kann sich der Schalter 312A öffnen.
In 5–6 kann während der zweiten Phase ϕ2 der Schalter 318A zuerst geschlossen werden (wenn die spezifizierte Ladungsmenge auf dem Integrationskondensator C_int 108A wie in 5 gezeigt injiziert oder entfernt wird) oder der Schalter 316A zuerst geschlossen werden (wenn die Ladung wie in 6 gezeigt ohne einen solchen Transfer auf den Integrationskondensator C_int 108A abgeführt wird). Dann kann der Schalter 314A geschlossen werden. In diesem Zustand kann der Ladungsausgleichstakt 305 eine Zeitspanne bereitstellen, die ausreicht, um entweder die Ladung auf dem Integrationskondensator C_int 108A wie in 5 gezeigt hinzuzufügen oder um die spezifizierte Ladungsmenge abzuführen, beispielsweise zu dem Referenzknoten 315, wie es in 6 gezeigt ist. Dann kann der Schalter 318A zuerst geöffnet werden. Dann kann, wenn S1 während der ersten Phase ϕ1 geschlossen wurde, dieser optional geöffnet werden. Dann kann ein weiterer Durchlauf der Operation der ersten Phase ϕ1 wie beschrieben durchgeführt werden.
Wie in dem Beispiel von 4–6 gezeigt und wie oben beschrieben wird in einem Beispiel während der zweiten Phase ϕ2 der Schalter 314A nur geschlossen, wenn entweder der Ladungstransferschalter 318A oder der Abführungsschalter 316A geschlossen worden ist. Für eine genaue Ladungsabtastung und einen genauen Ladungstransfer sollten die anderen Schalter in ihren geeigneten Zustand geschaltet worden sein, bevor sich der Abführungsschalter 316A öffnet und bevor sich der Ladungstransferschalter 318A öffnet. In einem Beispiel wird dies jeweils am Ende der ersten Phase ϕ1 und am Ende der zweiten Phase ϕ2 stattfinden, wie es in dem Beispiel von 7 gezeigt ist, die ein Beispiel für die Verwendung von zwei Phasen eines einzigen Taktzyklus, um das gewünschte Schalten zu erreichen, darstellt, beispielsweise durch Verwenden von nicht überlappenden Mehrpegel-Taktsignalen, um das Schalten in der beschriebenen Weise zu erreichen.
Für einen bestimmten Kanal kann die Ladungstransferschaltung 306A so ausgelegt sein, dass ein Ladungstransferereignis nur dann auftritt, wenn es durch ein Signal angeordnet wird, das auf einem Ausgangssignal aus dem ersten Komparator 308A basiert, das die Spannung an dem Ausgangsknoten 110 des Verstärkers 109 der Integrationsschaltung 104 mit einer oberen Grenze vergleichen kann. In einem solchen Beispiel würden die Referenzspannungen V_ref+ an dem Knoten 311 und V_ref– an dem Knoten 313 jedes Mal, wenn es gewünscht ist, eine Ladung für diesen bestimmten Kanal auf dem Integrationskondensator C_ref 310A zu injizieren, nur eine Störung (z. B. aufgrund einer geschalteten kapazitiven Last) sehen.
Beispiel einer Verwendung desselben Kondensators für additiven und subtraktiven Ladungstransfer
4–6 veranschaulichen ein Beispiel, bei dem Ladung additiv für einen bestimmten Kanal additiv auf den Integrationskondensator C_int 108 transferiert wird. In einem Beispiel kann eine einzelne Ladungstransferschaltung 306A und ein einzelner Ladungstransferkondensator C_ref 310A zudem verwendet werden, um Ladung von dem Integrationskondensator C_int 108 subtraktiv transferiert (z. B. entfernt) wird, wie beispielsweise dann, wenn es durch ein Signal angeordnet wird, das auf einem Ausgangssignal aus einem zweiten Komparator 308B basiert, das die Spannung an dem Ausgangsknoten 110 des Verstärkers 109 der Integrationsschaltung 104 mit einer unteren Grenze vergleichen kann. Dies kann erreicht werden, indem der Betrieb der Schalter 312A und 314A sowohl während der ersten Phase ϕ1 als auch während der zweiten Phase ϕ2 vertauscht wird, wenn es erwünscht ist, Ladung von dem Integrationskondensator C_int 108 zu entfernen, anstatt Ladung zu dem Integrationskondensator C_int 108 hinzuzufügen. Zusätzliche Logikschaltungen können enthalten sein, um die Informationen aus den Komparatoren 308A–B zu verwenden, um zu bestimmen, ob der Ladungstransfer auf dem Integrationskondensator C_int 108 additiv oder subtraktiv sein soll, und um Steuersignale zum Betreiben der Schalter 312A, 314A, 316A und 318A, die der einzelnen Ladungstransferschaltung 306A zugeordnet sind, zu erzeugen, um sowohl additiven als auch subtraktiven Ladungstransfer zu ermöglichen.
Somit kann in Bezug auf den Schaltbetrieb, wie er in 4–6 gezeigt ist, dann, wenn die Komparatoren 308A–B angeben, dass additiver Ladungstransfer erwünscht ist, Vref+ sowohl während der ersten Phase ϕ1 als auch während der zweiten Phase ϕ2 bedingt auf den Knoten 311 geleitet werden und Vref– sowohl während der ersten Phase ϕ1 als auch während der zweiten Phase ϕ2 bedingt auf den Knoten 313 geleitet werden. Wenn die Komparatoren 308A–B angeben, dass subtraktiver Ladungstransfer erwünscht ist, kann Vref– sowohl während der ersten Phase ϕ1 als auch während der zweiten Phase ϕ2 bedingt auf den Knoten 311 geleitet werden und Vref+ sowohl während der ersten Phase ϕ1 als auch während der zweiten Phase ϕ2 bedingt auf den Knoten 313 geleitet werden.
Wenn mehrere Kanäle verwendet werden, ist es jedoch möglich, dass die Verwendung einer einzelnen Ladungstransferschaltung 306A pro Kanal zu einer Zwischenkanal-Rauschkopplung führen kann, da beispielsweise die mehreren Kanälen einzeln mit denselben Referenzspannungen V_ref+ an dem Knoten 311 und V_ref– an dem Knoten 313 gekoppelt sind. Bei mehreren Kanälen kann die entsprechende Aktivität, die durch die mehreren Kanäle den gleichen Referenzspannungen V_ref+ an dem Knoten 311 und V_ref– an dem Knoten 313 auferlegt wird, zu einer Kanal-zu-Kanal-Kopplung führen, da die Anzahl von Kanälen, die Ladung injizieren, die Last auf die gemeinsamen Referenzspannungen V_ref+ an dem Knoten 311 und V_ref– an dem Knoten 313 ändern wird. Ob Ladung in einem bestimmten Kanal injiziert wird, kann von dem Eingangssignal zu diesem Kanal abhängen. Daher kann die Kopplung zwischen Kanälen signalabhängig von den Eingangssignalen zu diesen Kanälen sein.
Eine Möglichkeit, eine solche Eingangssignalabhängigkeit zu überwinden, besteht darin, die Ladungstransferschaltung 306A wie oben beschrieben kontinuierlich zu betreiben, um beispielsweise Ladung von den gemeinsamen Referenzspannungen V_ref+ an dem Knoten 311 und V_ref– an dem Knoten 313 in jeder Periode des Ladungausgleichstakts 305 zu beziehen und dorthin abzuführen – wobei bei Bedarf Ladung in den Integrationskondensator C_int 110 injiziert wird und Ladung von dem Integrationskondensator C_int 110 abgeführt wird, wie beispielsweise zu dem Referenzknoten 315, wenn kein Ladungstransfer benötigt wird. Wenn die gemeinsam genutzten Referenzspannungen V_ref+ an dem Knoten 311 und V_ref– an dem Knoten 313 bei jedem Auftreten des Ladungsausgleichstakts 305 regelmäßig identische Aktivität sehen, kann die Signalabhängigkeit überwunden werden, und zwar mit einigen zusätzlichen Energieverbrauchskosten beim Abführen der Ladung von dem Integrationskondensator C_int 110 in Fällen, in denen kein Ladungstransfer benötigt wird.
Um eine solche Eingangssignalabhängigkeit zu überwinden, wenn sowohl additiver als auch subtraktiver Ladungstransfer für einen bestimmten Kanal gewünscht ist, kann eine ähnliche zweite Ladungstransferschaltung 306B parallel zu der ersten Ladungstransferschaltung 306A, die in 3 gezeigt ist, enthalten sein.
Beispiel für getrennte additive und subtraktive Ladungstransferschaltungen
8 zeigt ein Beispiel von zwei parallelen Ladungstransferschaltungen 306A–B während der ersten Phase ϕ1, ähnlich wie es für den Fall einer einzelnen Ladungstransferschaltung 306A in 4 dargestellt ist. Wie in 8 gezeigt können jeweils separate Ladungstransferkondensatoren Cref in 310A und Cref out 310B jeweils durch die entsprechenden separaten Ladungstransferschaltungen 306A–B zusammen mit jeweiligen Schaltern bereitgestellt werden. Die Verbindungen zu den Referenzspannungen V_ref+ an dem Knoten 311 und V_ref– an dem Knoten 313 sind in der Ladungstransferschaltung 306B verglichen mit denen in der Ladungstransferschaltung 306A umgekehrt. Somit verbindet in der Ladungstransferschaltung 306B der Schalter 312B mit V_ref– an dem Knoten 313 anstatt mit V_ref+ an dem Knoten 311 wie in der Ladungstransferschaltung 306A und der Schalter 314B verbindet mit V_ref+ an dem Knoten 111 anstatt mit V_ref– an dem Knoten 313 wie in der Ladungstransferschaltung 306A. Zudem kann die Logikschaltung, die die Ladungstransferschaltung 306B betreibt, von einem Komparator 308B abgeleitet sein, der die Verstärkerausgangsspannung an dem Knoten 110 parallel zu dem Komparator 308A überwachen kann, wobei aber stattdessen mit einer Referenzspannung an dem entgegengesetzten Ende des gewünschten Signalbereichs an dem Knoten 110 verglichen wird. Somit können die Ladungstransferschaltungen 306A–B zusammen verwendet werden, um Ladung von demselben Integrationskondensator 108 über denselben Knoten 105 der Integratorschaltung 104 additiv oder subtraktiv zu transferieren, um die Verstärkerausgangsspannung an dem Knoten 110 innerhalb eines gewünschten Spannungsbereichs zu halten.
Ein Vorteil beim Verwenden von zwei getrennten Ladungstransferkondensatoren Cref in 310A und Cref out 310B, um jeweils einen additiven und subtraktiven Ladungstransfer zu erhalten, im Vergleich zum Verwenden eines einzelnen Ladungstransferkondensators Cref 310 und einer zusätzlichen Logikschaltung, um die verschiedenen Verbindungen zu bestimmen, zu denen der einzelne Ladungstransferkondensator Cref 310 während additiver und subtraktiver Ladungstransfers umgeschaltet wird, besteht darin, dass sich die Stromstärke, die aus den Spannungsreferenzquellen, die Vref+ und Vref– liefern, wiederholt und nicht von dem Zustand der Komparatoren und damit von dem Eingangssignal abhängig ist. Dies erlaubt auch die Verwendung von verschiedenen Niveaus des additiven und subtraktiven Ladungstransfers, falls dies gewünscht ist.
Da die Ladungstransferkondensatoren Cref in 310A und Cref out 310B physisch voneinander verschiedene Ausführungen von Kondensatoren sind, kann es zu einer Diskrepanz in dem Kapazitätswert zwischen diesen beiden Kondensatoren kommen. Dies bedeutet, dass die spezifizierte Ladungsmenge, die von einem von ihnen additiv transferiert wird, nicht exakt gleich der spezifizierten Ladungsmenge ist, die von dem anderen subtraktiv transferiert wird. Damit kann wahlweise umgegangen werden, indem die additiven Ladungstransfers während einer bestimmten Integrationszeitspanne getrennt von den subtraktiven Ladungstransfers gezählt werden und der digitale Signalwert unter Verwendung von Informationen über diese zwei getrennten Zählungen angepasst wird, anstatt eine Nettozählung von Ladungstransferereignissen durchzuführen (beispielsweise anstatt eine Nettozählung der additiven Ladungstransferereignisse abzüglich der subtraktiven Ladungstransferereignisse durchzuführen), die auch funktionieren kann, aber einer solchen Kapazitätswertdiskrepanz unterliegen kann.
Beispiel für einen Betrieb mit verbesserter Linearität
9 zeigt ein Beispiel eines Einbeziehens und Verwendens des Schalters 103 zum optionalen Trennen des Eingangssignals von seiner Quelle (z. B. der Röntgenempfängerschaltung 102) und zum selektiven Isolieren der Integrationsschaltung 104 von der Quelle während Ladungstransferereignissen und Abtastereignissen, um beispielsweise eine verbesserte Linearität zu bieten. Ohne Schalter 103 gibt es ein potentielles Problem, das die Linearitätsleistung beeinflussen könnte, wenn Ladungstransferereignisse bei unterschiedlichen Eingangssignalpegeln auftreten. Dies könnte ansonsten eine Fehlerspannung α zwischen dem Knoten 105 und dem Referenzknoten, der mit dem anderen Eingang des Verstärkers 109 gekoppelt ist, erzeugen. Die Fehlerspannung α kann auf den variierenden Signalpegel zurückzuführen sein, wenn die Röntgenempfängerschaltung 102 oder eine andere Quelle mit dem Knoten 105 der Integratorschaltung 104 in einer ungeschalteten Weise gekoppelt ist. Ladungstransferereignisse, die bei unterschiedlichen Eingangssignalpegeln auftreten, können die Linearitätsleistung über den Eingangsbereich des Analog/Digital-Umsetzers beeinflussen. Wenn sich die Eingangssignalspannung ändert, ändert sich auch die Fehlerspannung α. Somit kann die Spannung an dem Knoten 105 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal zu dem Kanal unterschiedliche Spannungen aufweisen. Dies kann den Betrag der spezifizierten Ladungsmenge beeinflussen, die durch die eine oder die mehreren Ladungstransferschaltungen 306A–B auf den Integrationskondensator 108 transferiert wird, was eine gewisse Abhängigkeit von dem Wert des Eingangssignals einführt.
In einem Beispiel kann die Verstärkung des Verstärkers 109 hoch genug eingestellt werden, um die Fehlerspannung α klein genug zu machen, dass der Einfluss des bei den Ladungstransferereignissen eingeführten Fehlers unwesentlich sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann durch Einbeziehen des Schalters 103 in den Eingangsweg des Kanals die Integratorschaltung 104 von dem Röntgenempfänger 102 oder einer anderen Eingangsquelle isoliert werden. Eine derartige Isolierung während der bedingten Ladungstransferereignisse kann es ermöglichen, dass eine konsistente und konstante spezifizierte Ladungsmenge über alle Eingangssignalpegel hinweg auf den Integrationskondensator 108 transferiert wird. Dies kann erreicht werden, indem der Schalter 103 gegen Ende der zweiten Phase ϕ2 geöffnet wird. Dies kann dazu führen, dass sichergestellt wird, dass die Fehlerspannung α über alle Eingangssignalspannungen hinweg gleich ist. Nachdem der Schalter 103 geöffnet worden ist, um zu ermöglichen, dass das bedingte Ladungstransferereignis auftritt, kann der Schalter 103 dann wieder geschlossen werden, um mit der Integration des Eingangssignals fortzufahren. Die mit dem Eingangssignal verknüpfte Ladung geht während der Zeit, in der der Schalter 103 offen ist, nicht verloren, da eine solche Ladung während der Zeitspanne, in der der Schalter 103 geöffnet ist, auf dem parasitären Kondensator 107 der Eingangsleitung gespeichert ist, um einen eingangssignalunabhängigen bedingten Ladungstransfer zu ermöglichen. Die Ladung, die während der Zeit, in der der Schalter 103 offen ist, auf dem parasitären Kondensator 107 gespeichert ist, wird in den Kanal gezogen und auf dem Integrationskondensator 108 integriert, wenn der Schalter 103 wieder geschlossen ist.
Beispiel für differentielle Implementierung
10A zeigt ein Beispiel von Teilen einer Differentialimplementierungserweiterung der Beispiele, wie sie oben in 3–9 gezeigt sind. In diesem Beispiel kann die bedingte Ladungstransferschaltung 306A zwei Ladungstransferkondensatoren Cref 310A–B umfassen, die während eines Ladungstransferereignisses parallel arbeiten können. Als Antwort auf eine Angabe aus einem Komparator 308A, dass eine Ausgangsspannung an dem Knoten 110A einen ersten spezifizierten Schwellenwert gekreuzt hat, kann Cref 310A über einen Schalter 1018A gekoppelt werden, um eine spezifizierte Ladungsmenge 108A über den Knoten 105A additiv auf den Integrationskondensator zu transferieren, und Cref 310B kann über den Schalter 1018B gekoppelt werden, um eine spezifizierte Ladungsmenge über den Knoten 105B subtraktiv von dem Integrationskondensator 108B zu transferieren (z. B. zu entfernen). Dies kann so geschehen, dass die Spannung an dem Knoten 110A dahingehend induziert wird, den ersten spezifizierten Schwellenwert wieder in der anderen Richtung zu kreuzen und in den Bereich zurückzukehren. Ein weiterer Komparator 308B kann zum Überwachen der Spannung an dem Knoten 110A enthalten sein, um anzugeben, ob die Spannung an dem Knoten 110A einen zweiten spezifizierten Schwellenwert gekreuzt hat (z. B. die andere Grenze des Spannungsbereichs, innerhalb derer die Spannung an dem Knoten 110A wünschenswerterweise bleibt). Wenn dies der Fall ist, dann kann Cref 310A über den Schalter 1018A gekoppelt werden, um eine spezifizierte Ladungsmenge über den Knoten 105A von dem Integrationskondensator 108A subtraktiv zu transferieren (z. B. zu entfernen), und Cref 310B kann über den Schalter 1018B gekoppelt werden, um eine spezifizierte Ladungsmenge über den Knoten 105B additiv auf den Integrationskondensator 108B zu transferieren. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Verbindungen so zu schalten, dass Cref 310A immer Ladung hinzufügt, wobei Schalter durch eine entsprechende Logik gesteuert werden, um Cref 310A selektiv mit dem Knoten 105A oder dem Knoten 105B zu verbinden.
In dem Beispiel von 10A kann die Komparatorschaltung 308 V_TH+ als Referenzspannung zum Durchführen des Vergleichs verwenden. Wenn eine Differentialschwellenspannung zwischen den Differentialintegrationsverstärkerausgangsknoten 110A–B als V_TH definiert ist, dann ist die Referenzspannung V_TH+ = V_TH = –V_CMO, wobei V_CMO eine Gleichtaktausgangsspannung an dem Knoten 1020 des Differentialintegrationsverstärkers 109 ist.
10B zeigt ein Beispiel, bei dem die Differentialausgangsspannung zwischen den Differentialintegrationsverstärkerausgangsknoten 110A–B mit einer Differentialschwellenspannung V_TH = (V_TH+ – V_TH–) verglichen werden kann, beispielsweise durch Subtrahieren von V_TH+ von der Spannung an dem Knoten 110A und Anlegen des Ergebnisses an einem ersten Eingang eines Komparators 308A und Subtrahieren von V_TH– von der Spannung an dem Knoten 110B und Anlegen des Ergebnisses an einem zweiten Eingang des Komparators 308A, wobei das Vergleichsergebnis von dem Ausgang des Komparators 308A an die bedingte Ladungstransferschaltung 306A geliefert wird.
Beispiel eines mit einem Zurücksetzen von Integrationskondensator(en) kombinierten Ladungstransfers
Die Diskussion in diesem Dokument hat unter anderem ein Ausführen eines Ladungsneuausgleiches eines Integrationskondensators in einer Integrationsschaltung beschrieben, um einen Ausgangsknoten innerhalb eines spezifizierten Bereichs zu halten, indem additive oder subtraktive Ladungstransferereignisse (oder beide) durchgeführt werden, ohne dass ein Zurücksetzen des Integrationskondensators erforderlich ist. Es versteht sich jedoch, dass dies nicht bedeutet, dass das Zurücksetzen des Integrationskondensators ausgeschlossen ist.
Obwohl beispielsweise die Integrationskondensator-Rücksetzschalter 112A–B von 1–2 in 3–10 nicht gezeigt sind, dient dies nur der Klarheit, um die Aufmerksamkeit auf die beschriebenen Ladungstransfertechniken zu lenken. Die Kondensator-Rücksetzschalter 112A–B können in ähnlicher Weise an den jeweiligen Anschlüssen der Integrationskondensatoren 108 und 108A–B, die in 3, 9 und 10 gezeigt sind, enthalten sein. Dies ermöglicht, dass die Integrationskondensatoren in 3, 9 und 10 zwischen den Integrationszeitspannen zurückgesetzt werden. Die Frequenz des Zurücksetzens zwischen den Integrationszeitspannen kann unabhängig von der Ladungsneuausgleichshäufigkeit, d. h. der Häufigkeit der bedingten Ladungstransferereignisse, sein.
Als Ergebnis ist das maximale Eingangssignal bei der Ladungsausgleichsarchitektur, wie sie in den Beispielen von 3–10 gezeigt ist, nun eine Funktion der Häufigkeit, mit der die Ladungsneuausgleichs-(Ladungstransfer-)Ereignisse auftreten können, kombiniert mit der Ladungsmenge, die auf den Integrationskondensator durch ein einziges Neuausgleichsereignis transferiert werden kann. Die Häufigkeit des Neuausgleichs und die Zeitspanne der Integration können voneinander völlig unabhängig sein. Die Größe des Integrationskondensators 108 und damit das eingangsbezogene Backend-Rauschen 120 der Signalkette ist nun eine Funktion der Häufigkeit des Ladungsneuausgleichs und des Betrags der übertragenen Ladung während eines Neuausgleichsereignisses. Eine Integrationszeitspanne muss die Auswahl des Werts und der Größe der Integrationskapazität Cint 108 nicht mehr beeinflussen.
In einem Beispiel gleicht der Kanal seinen Integrationskondensator 108 nur bei Bedarf neu aus. Das Neuausgleichsereignis selbst kann zusätzliches Rauschen in das System einbringen. Allerdings können die mit den Neuausgleichsereignissen verknüpften Ladungstransfers im Einklang mit den hohen Dynamikbereichsanforderungen des Systems durchgeführt werden. Bei niedrigen Eingangssignalpegeln sind Neuausgleichsereignisse selten. Dies kommt daher, dass während der Integrationszeitspanne bei niedrigen Eingangssignalpegeln wahrscheinlich weniger Ladung auf dem Integrationskondensator integriert worden ist. Folglich ist das durch die Ereignisse eingebrachte Rauschen bei niedrigen Eingangssignalpegeln ähnlich niedrig. Wenn das Eingangssignal zunimmt, kann auch die Häufigkeit der Neuausgleichsereignisse und des damit verbundenen Rauschens zunehmen. Dies passt gut zu Systemen, die einen hohen Dynamikbereich benötigen, wie beispielsweise einem CT-System, bei dem Röntgenschrotrauschen bei höheren Signalpegeln, die auf die Röntgenempfängerschaltung 102 einfallen, dominieren kann.
Wie oben beschrieben kann in einem Beispiel der Ladungstransferkondensator Cref 310 innerhalb jedes Auffrischzyklus des Ladungsausgleichstaktes geladen und entladen werden, und zwar ungeachtet des Zustands der Komparatoren 308, die den Ausgangsknoten 110 der Integratorschaltung 104 überwachen. Dies kann eine gleichförmige Belastung der Referenzspannungsquelle darstellen, die den Ladungstransferkondensator Cref 310 wieder auflädt. Eine solche gleichförmige Last ist unabhängig von dem Eingangssignal und kann dazu beitragen, die Zwischenkanalkopplung zwischen verschiedenen Kanälen über eingangssignalabhängiges Rauschen auf der Referenzspannungsquelle zu reduzieren.
In einem Beispiel kann der Integrationskondensator nur bei einer Einschalt-Rücksetzung (POR) oder einem Hochfahrzustand des Systems zurückgesetzt werden, wobei der Ladungsneuausgleich danach, mit Ausnahme eines weiteren POR-Zustands, ohne weiteres Zurücksetzen des Integrationskondensators erfolgt. In einem Beispiel muss der Integrationskondensator beim POR oder beim Hochfahren nicht zurückgesetzt werden und der Ladungsausgleich kann verwendet werden, um die Integrationsschaltung in den Normalbetrieb zu bringen, und zwar entweder allmählich oder schnell, abhängig von der Größe des Integrationskondensators und den Fähigkeiten des Integrationsverstärkers, der in der Integrationsschaltung verwendet wird.
Kalibrierungsbeispiel
Ein Leistungsniveau kann unter anderem durch die Genauigkeit der Übereinstimmung zwischen dem Ladungstransferkondensator Cref 310 und dem Integrationskondensator Cint 108 beeinflusst werden. Das Leistungsniveau kann auch durch die Übereinstimmung zwischen einer von der ADC-Schaltung 114 verwendeten Referenzspannungsquelle und einer Referenzspannungsquelle, die verwendet wird, um Vref+ oder Vref– bereitzustellen, wie sie zum Zurücksetzen der Ladung auf dem Ladungstransferkondensator Cref 310 verwendet werden können, beeinflusst werden. Wenn die spezifizierte Ladungsmenge der Ladungstransferereignisse, die zum Neuausgleich des Integrationskondensators vorgesehen sind, im Hinblick auf ADC-Ausgangscodes ausgedrückt werden, und wenn die gleiche Referenzspannung zum Zurücksetzen des Ladungstransferkondensators Cref 310 und zur ADC-Umsetzung durch die ADC-Schaltung 114 angenommen wird, kann sich die folgende Beziehung ergeben:
Um Prozesseinschränkungen und andere Einschränkungen zu überwinden, kann es möglich sein, eine höhere Auflösung zu erreichen, indem ein Kalibrierungsschema angewendet wird, das die Auflösung der ADC-Schaltung 114 an die Ladung, die zu dem Integrationskondensator 108 durch das Ladungstransferereignis hinzugefügt wird oder von diesem entfernt wird, anpasst.
Mögliche Ansätze zum Kalibrieren dieser Beziehung können sein:

1. Unter Bedingungen von null Eingangsstromstärke, Erzwingen, dass der Kanal seinen Integrationskondensator durch Injizieren von Ladung während einer bestimmten Integrationszeitspanne neu ausgleicht und Vergleichen davon mit einer Integrationszeitspanne ohne irgendwelche Neuausgleichs-Ladungstransferereignisse, um die geeignete Kalibrierungsgewichtung zu bestimmen, die dem Neuausgleichs-Ladungstransferereignis zuzuordnen ist. Diese Kalibrierung kann separat für additive und subtraktive Ladungstransferereignisse durchgeführt werden.
2. Anlegen einer spezifizierten festen Eingangsstromstärke, mit einem Wert, der während einer bestimmten Integrationszeitspanne zu einem Neuausgleichs-Ladungstransferereignis führt, die mit einer Integrationszeitspanne ohne ein solches Neuausgleichsereignis verglichen werden kann, um die Kalibrierungsgewichtung zu bestimmen, die dem Neuausgleichs-Ladungstransferereignis zuzuordnen ist. Diese Kalibrierung kann separat für additive und subtraktive Ladungstransferereignisse durchgeführt werden. Beide Kalibrierungsverfahren (1) und (2) können auf der Basis arbeiten,

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Verschiedene Hinweise & Beispiele
Mehrere potenzielle Vorteile der oben genannten Techniken sind bemerkenswert. Die Änderung von einer festen Rücksetzspannung über den Integrationskondensator zu einer Technik, die eine spezifizierte feste Ladung verwendet, um den Integrator neu auszugleichen, kann einen Neuausgleich des Integrators mit einer viel höheren Rate als der der Abtastung der Integratorausgabe ermöglichen. Diese Technik bietet eine Reihe von Vorteilen, von denen einige Beispiele unten aufgeführt sind.

1. Der Integrationskondensator Cint 108 kann nun ausgewählt werden, um die Unterdrückung von Backend-Rauschen 120 zu optimieren, und muss nicht mehr durch die Anforderungen an den Signalbereich beeinflusst werden.
2. Die Kalibrierung kann einfacher sein, da der Integrationskondensator Cint 108 ein einzelner Kondensator sein kann und keine Array von Kapazitätswerten darstellen muss, von denen jeder ansonsten eine Kalibrierung erfordern könnte.
3. Der Systemanwender muss nur in einem einzigen definierten Bereich arbeiten und es ist nicht erforderlich, Bereiche zu wechseln, um die Leistung eines CT-Systems zu optimieren.
4. Ein Neuausgleich der Integratorschaltung 104 kann ohne Trennung von der Photodiode 106 durchgeführt werden, wodurch das Risiko eines Signalladungsverlustes verringert oder vermieden wird.

Andere Vorteile können einen hohen Dynamikbereich aufweisen und einen Rauschpegel aufweisen, der unabhängig von einem weiten Vollbereich ist. Obwohl diese Beschreibung mit der Computertomographie (CT) eine Zielanwendung hervorgehoben hat, kann dieser Ansatz jedoch auch auf andere Anwendungsgebiete angewendet werden, die beispielsweise eine Photodiode als Eingangssensor oder eine Signalkette mit einer Eingabe, die die Form einer Stromstärke oder Ladung hat, einsetzen und die von Lösungen mit höherem Dynamikbereich profitieren können.
Beispiele für andere Ansätze zum Reduzieren von Backend-Rauschen eines ADC mit einem analogen Frontend (AFE) können sein: (1) Bereitstellen einer auswählbaren Anordnung von verschiedenen Integrationskondensatoren, die ausgewählt werden können, um einen minimalen Kapazitätswert bereitzustellen, der mit dem maximalen Eingangssignal umgehen kann, und dadurch das eingangsbezogene Backend-Rauschen zu reduzieren oder zu minimieren; und (2) Überabtasten, um die Integrationszeitspanne zu reduzieren, während der der Integrator innerhalb seines spezifizierten Betriebsbereichs gehalten werden muss, was es ermöglicht, dass die Integrationskapazität verringert werden kann, und was das eingangsbezogene Backend-Rauschen reduziert, wobei überabgetastete Abtastwerte akkumuliert werden, um ein Ergebnis über eine längere Integrationszeitspanne zu erzeugen. Beide diese Ansätze können in Kombination mit den hier beschriebenen Ladungsneuausgleichstechniken verwendet werden. Wenn jedoch einer dieser Ansätze ohne die hier beschriebenen Ladungsneuausgleichstechniken verwendet wird, ist die Auswahl des Werts des Integrationskondensators immer noch von dem verfügbaren maximalen Eingangssignal abhängig. Die vorliegenden Ladungsneuausgleichstechniken können eine solche Einschränkung vermeiden.
Ein weiterer möglicher Ansatz, um ein geringeres Rauschen bei einem höheren Vollbereich zu erzielen, besteht darin, eine Autobereichsfunktion zu haben, bei der ein Signalverarbeitungskanal beispielsweise so initialisiert werden kann, dass er seine Integrationszeitspanne mit hoher Verstärkung (z. B. niedrigem Rauschen, niedrigem Vollbereich) beginnt, aber die Möglichkeit hat, während der Integrationszeitspanne zu einer niedrigeren Verstärkung (z. B. höherem Rauschen und höherem Vollbereich) zu wechseln. Dies kann erfordern, dass der Rücksetzpunkt für jede Verstärkungseinstellung an einem festen/wiederholbaren Punkt liegt und dass die relativen Verstärkungseinstellungen genau kalibriert sind. Eine wesentliche Herausforderung bei diesem Ansatz ist die Aufrechterhaltung der Linearität des Systems beim Übergang von hohem Verstärkungsbereich zu niedrigem Verstärkungsbereich. Dieser Ansatz kann auch in Kombination mit den hier beschriebenen Ladungsneuausgleichstechniken verwendet werden.
Die vorliegende Beschreibung hat Beispiele hervorgehoben, bei denen eine bestimmte feste Ladung in den Integrator eingebracht oder aus diesem entfernt werden kann, wie beispielsweise ein Verwenden eines Schaltkondensatoransatzes. Die während eines Neuausgleichs-Ladungstransferereignisses angelegte Ladung wurde im Hinblick auf einen einzelnen Kondensator mit einer festen Referenzspannung beschrieben.
Es ist möglich, diese veranschaulichenden Beispiele zu erweitern, um einen mehrstufigen Ladungsausgleichsansatz zu implementieren, wie beispielsweise durch Verwenden entweder eines programmierbaren Arrays oder einer Gruppe von Kondensatoren oder mehrerer Pegel der Referenzspannung oder von beidem. Beispielsweise kann es mehrere Komparatoren geben (z. B. mit unterschiedlichen entsprechenden Referenzspannungen zum Vornehmen der jeweiligen Vergleiche), die verwendet werden können, um zu bestimmen, ob das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten eine beliebige mehrerer jeweiliger spezifizierter Schwellenspannungen kreuzt. Die Größe des Ladungstransferkondensators, der verwendet wird, um Ladung auf den Integrationskondensator zu transferieren, um eine erneute Kreuzung (Über- bzw. Unterschreitung) der entsprechenden Schwellenspannung zu induzieren, kann programmierbar ausgewählt werden, beispielsweise basierend auf Informationen darüber, welche spezifizierte Schwellenspannung gekreuzt wurde.
Zusätzlich oder alternativ kann eine definierte spezifizierte Ladungsmenge, die auf den Integrationskondensator des Kanals transferiert wird, über eine Stromquelle implementiert werden, die angeschlossen ist, um eine spezifizierte Stromstärke für eine bestimmte Zeitspanne bereitzustellen. Die Stromquelle kann entweder einen einzelnen oder mehrere Stromstärkepegel aufweisen, die genau kalibriert werden können und die bidirektional sein können, um Korrekturen in beiden Richtungen vorzunehmen.
Die vorliegende Beschreibung hat Beispiele hervorgehoben, bei denen die Frontendschaltung abgetastet wird (z. B. einmal pro Integrationszeitspanne) und in einen Eingang einer ADC-Schaltung eingespeist wird. Nichtsdestotrotz kann die Frontendschaltung abgetastet (oder abgetastet und gehalten) und irgendeiner anderen Diskretzeit- oder Digitalschaltung, die keine ADC-Schaltung ist, oder in Kombination mit einer ADC-Schaltung zugeführt werden. Beispielsweise kann der Integrationsverstärkerausgang der hierin beschriebenen Frontendschaltung abgetastet werden (z. B. einmal pro Integrationszeitspanne) und einem Diskretzeit-Schaltkondensatorfilterschaltung oder Verstärkerschaltung zugeführt werden, die wiederum einer ADC-Schaltung zugeführt werden kann. Informationen über die Integrationskondensator-Neuausgleichs-Ladungstransferereignisse, die während einer bestimmten Integrationszeitspanne auftreten, können der Diskretzeit-Schaltkondensatorschaltung, der ADC-Schaltung oder beiden zum Anpassen des Betriebs einer oder beider dieser Schaltungen zugeführt werden.
Hinsichtlich der Umsetzung der Restspannung haben sich die Figuren auf die Konfiguration eines einzelnen Kanals konzentriert. Die Konfiguration in einem Mehrkanal-Beispiel kann durch Replizieren des gesamten Kanals, wie er gezeigt ist, und gemeinsames Nutzen der ADC-Schaltung zwischen oder unter mehreren Kanälen, beispielsweise unter Verwendung eines Multiplex-/Schaltnetzes, erreicht werden. Dies kann eine Verwendung eines Abtast-Halte-Netzes einschließen, wenn z. B. alle Kanäle gleichzeitig abgetastet werden sollen. Das Abtast-Halte-Netz ist möglicherweise nicht erforderlich, wenn eine solche gleichzeitige Abtastung nicht benötigt wird. In einem Beispiel kann die ADC-Schaltung 114 einen ADC mit einer Routine für sukzessive Approximation (SAR) umfassen. Es ist jedoch möglich, andere ADC-Umsetzungsansätze (z. B. Pipeline oder Sigma-Delta oder dergleichen) zu verwenden, wie beispielsweise Ansätze, bei denen die Umsetzung des Restes innerhalb einer Integrationszeitspanne abgeschlossen ist. Allerdings sind nicht alle ADC-Umsetzungsansätze für Anwendungen, bei denen die Integrationszeitspanne nicht festgelegt ist, sondern stattdessen wie nachfolgend erläutert eine Variabilität enthält, gleichermaßen gut geeignet.
Typischerweise integriert der Eingangskanal die Ladung in den Kanal über einen definierten Zeitraum. Die Ausgabe kann daher in Bezug auf Ladung in den Kanal ausgedrückt werden. Um die Ladung in den Kanal zu bestimmen, kann die Spannungsänderung während der Integrationszeitspanne in Kombination mit der Integrationskapazität zum Bestimmen der Ladung in den Kanal verwendet werden. Eine Möglichkeit, die Spannungsänderung während der Integrationszeitspanne zu bestimmen, kann die digitale Berechnung einer Differenz zwischen den am Anfang und am Ende der Integrationszeitspanne abgetasteten Spannungen verwenden, beispielsweise gemäß der folgenden Gleichung. Gesamte Ladung = Spannungsänderung × Integrationskapazität
Die Ausgabedaten können leicht angepasst werden, um eine Schätzung der Durchschnittsstromstärke in den Kanal zu liefern, vorausgesetzt, dass die Integrationszeitspanne spezifiziert ist, beispielsweise unter Verwendung der folgenden Gleichung. Durchschnittsstromstärke = Gesamtladung in Kanal × Integrationszeitspanne
Der Kanal kann auch umgewandelt werden, um die Durchschnittsspannung an dem Eingang zu messen, indem ein Widerstand in Reihe mit dem Eingang eingefügt wird, um die Spannung in eine Stromstärke umzuwandeln, die über die Integrationszeitspanne integriert werden kann, beispielsweise gemäß der folgenden Gleichung. Durchschnittsspannung am Eingang = Durchschnittsstromstärke × Widerstand am Eingang zum Kanal
Ein Problem bei der Anwendung der Computertomographie (CT) ist, dass Signalverarbeitungs- und Umsetzungsanforderungen an das analoge Frontend (AFE) und den Analog/Digital-Umsetzer (ADC) nicht bei einer festen Frequenz liegen. Insbesondere wurde hierin CT als ein spezieller Anwendungsfall des vorliegenden Analog/Digital-Umsetzers mit einem Integrator mit Ladungsneuausgleich beschrieben. Die vorliegenden Techniken eignen sich besonders gut für CT und andere Anwendungen, bei denen die Datenrate vielleicht nicht festgelegt ist, sondern stattdessen variabel sein kann. Beispielsweise kann ein CT-System ein teilweise mechanisches System sein, bei dem ein Scanner eine Person mechanisch mit einer Rate umlaufen kann, die eine gewisse Variabilität aufweisen kann. Daher kann die ”Betrachtungszeit” zwischen aufeinanderfolgenden Datenpunkten, die durch das CT-System bereitgestellt werden, beträchtlich variieren, beispielsweise um bis zu 1 Prozent, 2 Prozent, 5 Prozent oder sogar 10 Prozent oder mehr. Es wäre schwierig, dies mit einem Sigma-Delta-Umsetzer zu handhaben, der eine feste und genau definierte Integrationszeitspanne erfordert, die wiederum eine feste und klar definierte Datenrate erfordert.
Die vorliegenden Techniken und Architekturen, wie sie oben beschrieben sind, können jedoch eine variable Integrationszeitspanne und eine variable Datenrate handhaben, wie etwa die 1%, 2%, 5% oder sogar mehr als 10% Variabilität in einer CT-Anwendung. Die vorliegenden Techniken und Architekturen können tatsächlich aufeinanderfolgende Integrationszeiten um noch mehr variieren, beispielsweise um etwa 100%, 200% oder einen anderen gewünschten Betrag, wie er für andere Anwendungen als CT wünschenswert sein kann. Darüber hinaus können die vorliegenden Techniken und Architekturen sogar dazu verwendet werden, die Integrationszeitspanne in Echtzeit aufeinanderfolgend auf Zyklus-zu-Zyklus-Basis zu variieren, ohne irgendeine ”Speicherung” der vorhergehenden Integrationszeitspanne oder Integrationszeit zu aufzuweisen. In einem Beispiel können die hierin beschriebenen Ladungsneuausgleichstechniken verwendet werden, um die Ausgabe des Integrators 109 während der bestimmten Integrationszeitspanne innerhalb eines gewünschten Bereichs zu halten, wobei die Integrationszeitspanne dynamisch auf einer Zyklus-zu-Zyklus-Basis oder auf andere Weise geändert werden kann. In einem Beispiel muss die feste oder variable Integrationszeitspanne nicht vor Beginn der Integrationszeitspanne spezifiziert werden. Stattdessen kann eine neue Integrationszeitspanne beginnen (wenn sie z. B. durch eine weitere CT oder eine andere Anwendungsanforderung zum Abtasten des ADC 114 ausgelöst wird) und kann dann fortfahren, mit dem Integrator 109 zu integrieren, der durch die hierin beschriebenen Ladungsneuausgleichstechniken in einem gewünschten Bereich gehalten wird und die Integration kann dann wahlweise aufhören (wenn sie z. B. durch eine weitere CT oder eine andere Anwendungsanforderung zum Abtasten des ADC 114 ausgelöst wird) oder kann fortgesetzt werden. Eine solche Fähigkeit, die Integrationszeitspanne ”während des Ablaufs”, z. B. auch während einer bestimmten Integrationszeitspanne, zu ermitteln, kann bei der CT-Anwendung oder bei anderen Anwendungen, die einen gewissen Grad an Zeitvariabilität beinhalten, wie beispielsweise beim Liefern einer genauen Signalabtastung an den ADC, besonders nützlich sein.
Es ist kein Rücksetzsignal (wie z. B. in 1–2 gezeigt) erforderlich. Dieses kann aber, falls gewünscht, verwendet werden. Stattdessen können Integrationszeitspannen beliebig definiert werden, beispielsweise durch ein Auslösersignal von der CT oder einer anderen Anwendung, um den ADC 114 abzutasten, und der Integrationskondensator muss nicht zurückgesetzt werden. Stattdessen kann die Kanalspannung am Anfang und Ende der beliebig definierten Integrationszeitspanne vermerkt werden und die Anzahl und die Art der Ladungsneuausgleichsereignisse, die während einer solchen Integrationszeitspanne auftreten, können verfolgt werden, so dass die mit dem Neuausgleich verknüpfte Ladung in die Berechnungen für die Änderung der Kanalspannung zwischen Anfang und Ende der beliebig definierten Integrationszeitspanne einfließen kann.
Wenn beispielsweise das Abtastsignal (z. B. zum Abtasten des ADC 114) mit dem Ladungsausgleichstakt 305 synchronisiert ist, können es die vorliegenden Architekturen ermöglichen, dass ein gegebener Kanal mit einer beliebigen Frequenz des Ladungsausgleichstakts 305 abgetastet wird, nachdem die vorherige Abtastung durch den ADC zweiter Stufe 114 umgesetzt worden ist. Abgesehen davon gibt es keine weiteren Einschränkungen dafür, wann der gegebene Kanal abgetastet werden muss, um ein gültiges genaues Ergebnis zu erzeugen. Daher kann eine Anwendung mit variabler Datenrate wie beispielsweise CT durch die vorliegenden Techniken und Architekturen gehandhabt werden und kann von einem Sigma-Delta-Umsetzer, der typischerweise auf eine feste oder sich sehr langsam ändernde Abtastrate beschränkt ist, nicht leicht gehandhabt werden. Unter Verwendung der vorliegenden Techniken und der Architektur ist es zudem möglich, ein asynchrones Abtastsignal anzuwenden, das dann mit dem Ladungsausgleichstakt 305 synchronisiert werden kann, und eine Schätzung für die Ladung in den Kanal kann beispielsweise durch Interpolation der abgetasteten Daten abgeleitet werden.
Einige nummerierte Beispiele des vorliegenden Gegenstandes sind unten aufgelistet.
Beispiel 1 kann einen Gegenstand (wie etwa ein Einrichtung, ein System, ein Verfahren, ein Mittel zum Durchführen von Handlungen oder ein mit einer Vorrichtung lesbares Medium, das Befehle enthält, die, wenn sie durch die Vorrichtung ausgeführt werden, veranlassen können, dass die Vorrichtungen Handlungen ausführt) wie z. B. eine Frontend-Schnittstellenschaltung umfassen oder verwenden. Die Frontend-Schnittstellenschaltung kann eine Integrationsschaltung umfassen. Die Integrationsschaltung kann eine Integrationsverstärkerschaltung umfassen. Ein Integrationskondensator kann in einem Rückkopplungsweg von einem Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten zu einem ersten Verstärkerschaltungs-Eingangsknoten sein. Die Integrationsschaltung kann Ladung aus einem empfangenen Eingangssignal über eine spezifizierte Integrationszeitspanne auf dem Integrationskondensator integrieren, damit sie einmal pro Integrationszeitspanne abgetastet wird. Eine bedingte Ladungstransferschaltung kann mit dem ersten Verstärkerschaltungs-Eingangsknoten gekoppelt sein. Die bedingte Ladungstransferschaltung kann eine erste Komparatorschaltung umfassen oder mit dieser gekoppelt sein, um beispielsweise zu bestimmen, beispielsweise öfter als einmal pro Integrationszeitspanne, ob ein Signal an dem Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten einen spezifizierten ersten Schwellenpegel kreuzt. Die bedingte Ladungstransferschaltung kann eine Ladungstransferschaltung umfassen, um beispielsweise dann, wenn durch die erste Komparatorschaltung bestimmt wird, dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten ersten Schwellenpegel kreuzt, eine spezifizierte Ladungsmenge über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers auf den Integrationskondensator in einem Ladungstransferereignis zu transferieren, so dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten ersten Schwellenpegel in der anderen Richtung wieder kreuzt.
Beispiel 2 kann den Gegenstand von Beispiel 1 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um eine Analog/Digital-Umsetzerschaltung einzubeziehen oder zu verwenden. Die Analog/Digital-Umsetzerschaltung kann mit dem Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten gekoppelt sein, um ein analoges Signal zu empfangen und das analoge Signal in ein digitales Signal umzusetzen. Eine Benachrichtigungsschaltung kann eine Benachrichtigung über ein oder mehrere Ladungstransferereignisse, beispielsweise während der gleichen Integrationszeitspanne, an eine digitale Schaltung liefern, um so eine Anpassung eines digitalen Signalwerts des digitalen Signals, das durch den Analog/Digital-Umsetzerschaltung bereitgestellt wird, zu ermöglichen, um das eine oder die mehreren Ladungstransferereignisse während der gleichen Integrationszeitspanne zu berücksichtigen.
Beispiel 3 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–2 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um die Ladungstransferschaltung einzubeziehen oder zu verwenden, die dazu ausgelegt ist, Ladungstransferereignisse bedingt auszulösen, die zeitlich um mindestens eine spezifizierte Ladungstransferzeitspanne, die kürzer als die spezifizierte Integrationszeitspanne sein kann, getrennt sein können. Die Ladungstransferereignisse können zwischen Abtastungen des Integrationskondensators auftreten. Die Ladungstransferereignisse können auftreten, ohne den Integrationskondensator auf eine spezifizierte Spannung zurückzusetzen.
Beispiel 4 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–3 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um die Ladungstransferschaltung einzubeziehen oder zu verwenden, die eine spezifizierte Stromquelle aufweist, die für eine bestimmte Zeitdauer arbeitet, um die spezifizierte Ladungsmenge zu liefern, die von der Ladungstransferschaltung während des Ladungstransferereignisses über den ersten Eingangsknoten der Integrationsverstärkerschaltung auf den Integrationskondensator transferiert wird.
Beispiel 5 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–4 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um die Ladungstransferschaltung einzubeziehen oder zu verwenden, die einen Ladungstransferkondensator mit einem spezifizierten Ladungszustand aufweist, der durch einen Schalter mit dem ersten Eingangsknoten der Integrationsverstärkerschaltung gekoppelt ist, um die spezifizierte Ladungsmenge zu liefern, die von der Ladungstransferschaltung während des Ladungstransferereignisses über den ersten Verstärkereingangsknoten auf den Integrationskondensator transferiert wird.
Beispiel 6 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–5 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um mehrere Komparatorschaltungen zu umfassen oder zu verwenden, die die erste Komparatorschaltung umfassen, um z. B. zu bestimmen, beispielsweise öfter als einmal pro Integrationszeitspanne, ob ein Signal an dem Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten einen spezifizierten Schwellenpegel, der der jeweiligen Komparatorschaltung entspricht, kreuzt. Der Ladungstransferkondensator kann einen ausgewählten oder mehrere ausgewählte Kondensatoren aus einer Gruppe von Kondensatoren umfassen, um einen programmierbar auswählbaren Kapazitätswert des Ladungstransferkondensators bereitzustellen, der beispielsweise darauf basieren kann, welcher der spezifizierten Schwellenpegel durch den Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten gekreuzt wird.
Beispiel 7 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–6 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um beispielsweise zu umfassen oder zu verwenden, dass die Ladungstransferereignisse bedingt wiederholt bestimmt werden, beispielsweise mit einer spezifizierten Ladungstransferfrequenz. Der Ladungstransferkondensator kann bei Wiederholungen, bei denen ein Ladungstransferereignis kontraindiziert ist, auf einen anderen als den Integrationskondensator entladen werden.
Beispiel 8 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–7 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um die bedingte Ladungstransferschaltung zu umfassen oder zu verwenden, die eine zweite Komparatorschaltung umfassen kann, um beispielsweise zu bestimmen, beispielsweise öfter als einmal pro Integrationszeitspanne, ob ein Signal an dem Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten einen spezifizierten zweiten Schwellenpegel kreuzt. Eine Ladungstransferschaltung kann beispielsweise dann, wenn durch die Komparatorschaltung bestimmt wird, dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten zweiten Schwellenpegel kreuzt, eine spezifizierte Ladungsmenge auf den Integrationskondensator beispielsweise über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers beispielsweise bei einem Ladungstransferereignis zu transferieren, so dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten zweiten Schwellenpegel in der anderen Richtung erneut kreuzt.
Beispiel 9 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–8 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um beispielsweise eine Benachrichtigungsschaltung zu umfassen oder zu verwenden, die beispielsweise eine Benachrichtigung über ein oder mehrere Ladungstransferereignisse an eine digitale Schaltung liefern kann, um eine Anpassung eines digitalen Signalwerts zu ermöglichen, der von einer Analog/Digital-Umsetzerschaltung bereitgestellt wird, um das eine oder die mehreren Ladungstransferereignisse während der gleichen Integrationszeitspanne zu berücksichtigen. Die Benachrichtigungsschaltung kann eine Zählerschaltung umfassen, die beispielsweise über eine Integrationszeitspanne des Integrationskondensators hinweg eine erste Anzahl von spezifizierten Ladungsmengen, die über den ersten Verstärkereingangsknoten auf dem Integrationskondensator addiert werden, und eine zweite Anzahl von spezifizierten Ladungsmengen, die über den ersten Verstärkereingangsknoten von dem Integrationskondensator subtrahiert werden, zählt. Die Benachrichtigungsschaltung kann eine Differenzschaltung umfassen, um beispielsweise eine Differenz der ersten und der zweiten Anzahl zu erhalten, um so eine Angabe einer spezifizierten Netto-Ladungsmenge zu liefern, die über den ersten Verstärkereingangsknoten während der Integrationszeitspanne zu dem Integrationskondensator addiert oder von diesem subtrahiert wird, um eine Anpassung eines digitalen Signalwerts entsprechend der Integrationszeitspanne zu ermöglichen, der von der Analog/Digital-Umsetzerschaltung bereitgestellt wird, um das eine oder die mehreren Ladungstransferereignisse während der gleichen Integrationszeitspanne zu berücksichtigen.
Beispiel 10 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–9 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um beispielsweise zu umfassen oder zu verwenden, dass der erste Schwellenwert anpassbar oder mit Dither versehen ist.
Beispiel 11 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–10 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um beispielsweise eine Photodiode zu umfassen oder zu verwenden, die beispielsweise mit der Frontend-Schnittstellenschaltung so gekoppelt sein kann, dass eine Ladung von der Photodiode während der Integrationszeitspanne auf dem Integrationskondensator integriert werden kann.
Beispiel 12 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–11 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um eine Computertomographie-Detektionsempfängerschaltung (CT-Detektionsempfängerschaltung) zu umfassen oder zu verwenden, die beispielsweise mit der Frontend-Schnittstellenschaltung so gekoppelt sein kann, dass eine Ladung von der CT-Detektionsempfängerschaltung während der Integrationszeitspanne auf dem Integrationskondensator integriert werden kann.
Beispiel 13 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–12 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um beispielsweise eine Multiplexerschaltung zu umfassen oder zu verwenden, die beispielsweise eine Backend-Diskretzeitschaltung beispielsweise zwischen mehreren Frontend-Schnittstellenschaltungen zeitmultiplexen kann.
Beispiel 14 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–13 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um ein System zu umfassen oder zu verwenden, das eine Frontend-Schnittstellenschaltung umfassen kann, beispielsweise für eine Analog/Digital-Umsetzerschaltung. Die Frontend-Schnittstellenschaltung kann eine Integrationsschaltung umfassen. Die Integrationsschaltung kann eine Verstärkerschaltung und einen Integrationskondensator in einem Rückkopplungsweg von einem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten zu einem ersten Verstärkerschaltungs-Eingangsknoten umfassen. Die Integrationsschaltung kann Ladung aus einem empfangenen Eingangssignal auf dem Integrationskondensator integrieren, beispielsweise über eine spezifizierte Integrationszeitspanne, damit sie einmal pro Integrationszeitspanne abgetastet wird. Eine bedingte Ladungstransferschaltung kann mit dem ersten Verstärkerschaltungs-Eingangsknoten gekoppelt sein. Die bedingte Ladungstransferschaltung kann einen ersten Komparator umfassen oder mit diesem gekoppelt sein. Der erste Komparator kann mit dem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten gekoppelt sein, um mehr als einmal pro Integrationszeitspanne zu bestimmen, ob ein Signal an dem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten einen spezifizierten ersten Schwellenpegel kreuzt. Ein zweiter Komparator kann mit dem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten gekoppelt sein, um zu bestimmen, beispielsweise öfter als einmal pro Integrationszeitspanne, ob das Signal an dem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten unter einen spezifizierten zweiten Schwellenpegel fällt. Die bedingte Ladungstransferschaltung kann eine Ladungstransferschaltung umfassen, um dann, wenn durch die erste Komparatorschaltung bestimmt wird, dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten ersten Schwellenpegel kreuzt, eine spezifizierte Ladungsmenge über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers in einem Ladungstransferereignis auf den Integrationskondensator zu transferieren, so dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten ersten Schwellenpegel in der anderen Richtung wieder kreuzt. Die Ladungstransferschaltung kann dazu ausgelegt sein, dann, wenn durch die zweite Komparatorschaltung bestimmt wird, dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten zweiten Schwellenpegel kreuzt, eine spezifizierte Ladungsmenge über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers in einem Ladungstransferereignis auf den Integrationskondensator transferiert, so dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten zweiten Schwellenpegel in der anderen Richtung erneut kreuzt. Eine Analog/Digital-Umsetzerschaltung kann mit dem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten gekoppelt sein, um ein analoges Signal zu empfangen und das analoge Signal in ein digitales Signal umzusetzen. Das Ladungstransferereignis kann auftreten, ohne den Integrationskondensator auf eine bestimmte Spannung zurückzusetzen. Eine Benachrichtigungsschaltung kann eine Benachrichtigung über ein oder mehrere Ladungstransferereignisse an eine digitale Schaltung liefern, um so eine Anpassung eines digitalen Signalwerts zu ermöglichen, der durch die Analog/Digital-Umsetzerschaltung bereitgestellt wird, um beispielsweise eine Netto-Ladung zu berücksichtigen, die über den ersten Eingangsknoten des Integrationsverstärkers während eines oder mehrerer Ladungstransferereignisse, die während der gleichen Integrationszeitspanne des Integrationskondensators auftreten, an den Integrationskondensator geliefert wird.
Beispiel 15 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–14 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um ein Eingangssignal zu umfassen oder zu verwenden. Eine Ladung, die durch das Eingangssignal geliefert wird, kann auf einem Integrationskondensator integriert werden, wobei beispielsweise ein Integrationsverstärker über eine Integrationszeitspanne verwendet wird, um einmal pro Integrationszeitspanne abgetastet zu werden. Es kann bestimmt werden, beispielsweise öfter als einmal pro Integrationszeitspanne, ob ein Integrationsverstärker-Ausgangssignal einen spezifizierten ersten Schwellenpegel übersteigt. Wenn bestimmt wird, dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel kreuzt, kann eine spezifizierte Ladungsmenge auf den Integrationskondensator übertragen werden, beispielsweise über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers, so dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel nicht mehr übersteigt. Eine Abtastung des Integrationsverstärker-Ausgangssignals, beispielsweise am Ende der Integrationszeitspanne, kann bereitgestellt werden, beispielsweise für eine weitere Diskretzeitverarbeitung. Eine Angabe, die der Abtastung entspricht, über die Transfers der spezifizierten Ladungsmenge während der Integrationszeitspanne, die dieser Abtastung zugeordnet ist, kann bereitgestellt werden, um eine digitale Anpassung eines digitalen Signals, das der Abtastung entspricht, zu ermöglichen.
Beispiel 16 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–15 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um zu umfassen oder zu verwenden, dass die spezifizierte Ladungsmenge transferiert wird, ohne den Integrationskondensator auf eine spezifizierte Spannung zurückzusetzen. Ferner kann ein digitaler Signalwert, der von einer Analog/Digital-Umsetzerschaltung als Antwort auf einen Signalwert der Verstärkerausgabe an dem Ende der Integrationszeitspanne geliefert wird, angepasst werden, um Vorgänge des Transferierens der spezifizierten Ladungsmenge auf den Integrationskondensator über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers während einer Integrationszeitspanne zu berücksichtigen.
Beispiel 17 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–16 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um beispielsweise zu umfassen oder zu verwenden, dass ein oder mehrere Abtastungen aus früheren Integrationszeitspannen gespeichert werden, beispielsweise zur weiteren Verwendung in einer Diskretzeitsignalverarbeitung.
Beispiel 18 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–17 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um beispielsweise zu umfassen oder zu verwenden, dass die spezifizierte Ladungsmenge an einem ersten Eingang des Integrationsverstärkers zu transferieren, was beispielsweise ein Entladen eines Kondensators auf den Integrationskondensator, beispielsweise über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers, beispielsweise bei Wiederholungen, wenn bestimmt wird, dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel kreuzt, und ein Entladen des Kondensators nicht auf den Integrationskondensator über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers bei Wiederholungen, wenn bestimmt wird, dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel nicht kreuzt.
Beispiel 19 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–18 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um zu umfassen oder zu verwenden, dass dann, wenn ein Integrationsverstärker-Ausgangssignal unter einen spezifizierten zweiten Schwellenpegel fällt, eine spezifizierte Ladungsmenge über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers auf den Integrationskondensator transferiert wird, so dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal nicht mehr unterhalb des spezifizierten zweiten Schwellenpegels liegt.
Beispiel 20 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–19 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um beispielsweise zu umfassen oder zu verwenden, dass die spezifizierte Ladungsmenge auf den Integrationskondensator transferiert wird, ohne den Integrationskondensator auf eine spezifizierte Spannung zurückzusetzen, und umfasst ferner ein Anpassen eines digitalisierten Werts des Integrationsverstärker-Ausgangssignals, um jegliche Transfers der spezifizierten Ladungsmenge auf den Integrationskondensator über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers während der Integrationszeitspanne zu berücksichtigen.
Beispiel 21 kann den Gegenstand eines beliebigen der Beispiele 1–20 umfassen oder verwenden oder gegebenenfalls damit kombiniert sein, um zu umfassen oder zu verwenden, dass ein Computertomographie-Bildgebungseingangssignal (CT-Bildgebungseingangssignal) empfangen wird. Eine Ladung, die durch das Eingangssignal geliefert wird, kann auf einem Integrationskondensator integriert werden, wobei ein Integrationsverstärker über eine Integrationszeitspanne verwendet wird, damit eine Ladung, die durch das Eingangssignal bereitgestellt wird, einmal pro Integrationszeitspanne abgetastet wird. Es kann bestimmt werden, beispielsweise öfter als einmal pro Integrationszeitspanne, ob ein Integrationsverstärker-Ausgangssignal einen spezifizierten ersten Schwellenpegel übersteigt. Wenn bestimmt wird, dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel kreuzt, kann eine spezifizierte Ladungsmenge auf den Integrationskondensator während der Integrationsperiode über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers transferiert werden, so dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel nicht mehr übersteigt. Eine Angabe der Ladungsmenge, die über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers während der gleichen Integrationszeitspanne zu dem Integrationskondensator addiert oder von diesem subtrahiert wird, kann verfolgt werden. Eine Analog/Digital-Umsetzung des Verstärkerausgangssignalwerts an dem Ende der Integrationszeitspanne kann durchgeführt werden, um einen digitalen Wert zu erzeugen. Der digitale Wert kann unter Verwendung der Angabe der Ladungsmenge angepasst werden, die über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers während der gleichen Integrationszeitspanne, an deren Ende die Analog/Digital-Umsetzung durchgeführt wird, um den digitalen Wert zu erzeugen, zu dem Integrationskondensator addiert oder von diesem subtrahiert wird.
Jedes dieser nicht einschränkenden Beispiele kann für sich stehen oder kann in verschiedenen Permutationen oder Kombinationen mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden.
Die obige genaue Beschreibung nimmt auf die beigefügten Zeichnungen Bezug, die einen Teil der genauen Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen beispielhaft spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diese Ausführungsformen werden hier auch als ”Beispiele” bezeichnet. Solche Beispiele können zusätzlich zu den gezeigten oder beschriebenen Elementen weitere enthalten. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung ziehen jedoch auch Beispiele in Betracht, in denen nur die gezeigten oder beschriebenen Elemente bereitgestellt sind. Darüber hinaus ziehen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch Beispiele in Betracht, die eine beliebige Kombination oder Permutation der gezeigten oder beschriebenen Elemente (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) entweder in Bezug auf ein bestimmtes Beispiel (oder einen oder mehrere Aspekte davon) oder in Bezug auf andere Beispiele (oder einen oder mehrere Aspekte davon), die hierin gezeigt oder beschrieben sind, verwenden.
Im Fall von inkonsistenten Nutzungen zwischen diesem Dokument und jeglichen Dokumenten, die durch Bezugnahme aufgenommen sind, entscheidet die Nutzung in diesem Dokument.
In diesem Dokument werden die Begriffe ”ein”, ”eine” oder ”eines” wie in Patentdokumenten üblich so verwendet, dass sie ein Element oder mehr als ein Element umfassen, unabhängig von anderen Fällen oder Verwendungen von ”mindestens ein” oder ”ein oder mehrere”. In diesem Dokument wird der Begriff ”oder” verwendet, um auf eine Nicht-Ausschließlichkeit zu verweisen, so dass ”A oder B” ”A aber nicht B”, ”B aber nicht A” und ”A und B” umfasst, sofern es nicht anders angegeben ist. In diesem Dokument werden die Begriffe ”einschließen” und ”bei dem” als Äquivalente der jeweiligen Begriffe ”umfassen” und ”wobei” verwendet. Auch in den folgenden Ansprüchen sind die Begriffe ”aufweisen” und ”umfassen” nicht ausschließend, d. h. ein System, eine Vorrichtung, ein Element, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Prozess, der Elemente zusätzlich zu denjenigen enthält, die nach einem solchen Begriff in einem Anspruch aufgeführt sind, wird weiterhin als unter den Geltungsbereich dieses Anspruchs fallend angesehen. Darüber hinaus werden in den folgenden Ansprüchen die Begriffe ”erste(r/s)”, ”zweite(r/s)” und ”dritte(r/s)” usw. nur als Bezeichnungen verwendet und sollen keine numerischen Anforderungen an die zugehörigen Objekte stellen.
Geometrische Begriffe wie ”parallel”, ”senkrecht”, ”rund” oder ”quadratisch” sollen keine absolute mathematische Präzision erfordern, es sei denn, der Kontext deutet etwas anderes an. Stattdessen lassen solche geometrischen Begriffe Variationen aufgrund der Fertigung oder äquivalente Funktionen zu. Wenn beispielsweise ein Element als ”rund” oder ”im Allgemeinen rund” beschrieben wird, ist eine Komponente, die nicht genau kreisförmig ist (z. B. eine, die etwas länglich ist oder ein vielseitiges Polygon ist) noch von dieser Beschreibung eingeschlossen.
Die hierin beschriebenen Verfahrensbeispiele können zumindest teilweise maschinell implementiert oder computerimplementiert sein. Einige Beispiele können ein computerlesbares Medium oder ein maschinenlesbares Medium umfassen, das mit Befehlen kodiert ist, die betreibbar sind, um eine elektronische Vorrichtung dazu zu konfigurieren, Verfahren durchzuführen, wie sie in den obigen Beispielen beschrieben sind. Eine Implementierung solcher Verfahren kann Code wie etwa Mikrocode, Assemblersprachcode, höheren Sprachcode oder dergleichen umfassen. Ein solcher Code kann computerlesbare Befehle zum Durchführen verschiedener Verfahren enthalten. Der Code kann Teile von Computerprogrammprodukten bilden. Ferner kann in einem Beispiel der Code auf einem oder mehreren flüchtigen, nicht-transitorischen oder nicht-flüchtigen greifbaren computerlesbaren Medien konkret gespeichert sein, wie beispielsweise während der Ausführung oder zu anderen Zeiten. Beispiele für diese greifbaren computerlesbaren Medien können Festplatten, entfernbare Magnetplatten, entfernbare optische Platten (z. B. CDs und DVDs), magnetische Kassetten, Speicherkarten oder Speichersticks, Direktzugriffsspeicher (z. B. RAMs), Nur-Lese-Speicher (ROMs) und dergleichen sein.
Die obige Beschreibung soll illustrativ und nicht einschränkend sein. Beispielsweise können die oben beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können nach Ansicht der obigen genauen Beschreibung beispielsweise durch Fachleute eingesetzt werden. Zudem können in der obigen genauen Beschreibung verschiedene Merkmale zusammengefasst sein, um die Offenbarung effizienter zu gestalten. Dies sollte nicht dahingehend ausgelegt werden, dass ein nicht beanspruchtes Merkmal für irgendeinen Anspruch wesentlich ist. Vielmehr kann der Gegenstand der Erfindung in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform vorhanden sein. Deshalb sind die folgenden Ansprüche hierin als Beispiele oder Ausführungsformen in die genaue Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als eigenständige Ausführungsform betrachtet wird, und es wird in Betracht gezogen, dass solche Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen oder Permutationen miteinander kombiniert werden können. Der Umfang der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, die diesen Ansprüchen zuzurechnen sind, bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7136005 [0002]
US 8260565 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

G. Mazza u. a. erwähnen eine Ladungsausgleichs-Integrationstechnik in ”A 64-channel wide dynamic range charge measurement ASIC for strip and pixel ionization detectors”, Nuclear Science Symposium Conference Record, 2004 IEEE, S. 964–968 [0004]
G. C. Bonazzola u. a. erwähnen in ”A VLSI circuit for charge measurement of a strip ionization chamber”, Nuclear Instrumentation and Methods in Physics Research A 409 (1998), S. 336–338 [0005]

Claims

System, das Folgendesaufweist: eine Frontend-Schnittstellenschaltung, die aufweist: eine Integrationsschaltung, die eine Integrationsverstärkerschaltung und einen Integrationskondensator in einem Rückkopplungsweg von einem Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten zu einem ersten Verstärkerschaltungs-Eingangsknoten aufweist, wobei die Integrationsschaltung Ladung aus einem empfangenen Eingangssignal über eine Integrationszeitspanne auf dem Integrationskondensator integriert, um einmal pro Integrationszeitspanne abgetastet zu werden; und eine bedingte Ladungstransferschaltung, die mit dem ersten Verstärkerschaltungs-Eingangsknoten gekoppelt ist und aufweist: eine erste Komparatorschaltung, um öfter als einmal pro Integrationszeitspanne zu bestimmen, ob ein Signal an dem Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten einen spezifizierten ersten Schwellenpegel kreuzt; und eine Ladungstransferschaltung, um dann, wenn durch die erste Komparatorschaltung bestimmt wird, dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten ersten Schwellenpegelkreuzt, eine spezifizierte Ladungsmenge über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers auf den Integrationskondensator in einem Ladungstransferereignis zu transferieren, so dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten ersten Schwellenpegel in der anderen Richtung wieder kreuzt.
System nach Anspruch 1, das ferner Folgendes aufweist: eine Analog/Digital-Umsetzerschaltung, die mit dem Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten gekoppelt ist, um ein analoges Signal zu empfangen und das analoge Signal in ein digitales Signal umzusetzen; eine Benachrichtigungsschaltung, die eine Benachrichtigung über ein oder mehrere Ladungstransferereignisse während der gleichen Integrationszeitspanne an eine digitale Schaltung liefert, um eine Anpassung eines digitalen Signalwerts des digitalen Signals, das durch die Analog/Digital-Umsetzerschaltung bereitgestellt wird, zu ermöglichen, um das eine oder die mehreren Ladungstransferereignisse während der gleichen Integrationszeitspanne zu berücksichtigen.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ladungstransferschaltung dazu ausgelegt ist, Ladungstransferereignisse bedingt auszulösen, die zeitlich um mindestens eine spezifizierte Ladungstransferzeitspanne, die kürzer als die Integrationszeitspanne ist, getrennt sind, und wobei die Ladungstransferereignisse auftreten, ohne den Integrationskondensator auf eine spezifizierte Spannung zurückzusetzen.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Ladungstransferschaltung eine spezifizierte Stromquelle aufweist, die für eine bestimmte Zeitdauer arbeitet, um die spezifizierte Ladungsmenge zu liefern, die von der Ladungstransferschaltung während des Ladungstransferereignisses über den ersten Eingangsknoten der Integrationsverstärkerschaltung auf den Integrationskondensator transferiert wird.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Ladungstransferschaltung einen Ladungstransferkondensator mit einem spezifizierten Ladungszustand aufweist, der durch einen Schalter mit dem ersten Eingangsknoten der Integrationsverstärkerschaltung gekoppelt ist, um die spezifizierte Ladungsmenge zu liefern, die von der Ladungstransferschaltung während des Ladungstransferereignisses über den ersten Verstärkereingangsknoten auf den Integrationskondensator transferiert wird.
System nach Anspruch 5, das ferner Folgendes aufweist: mehrere Komparatorschaltungen, die die erste Komparatorschaltung umfassen, um öfter als einmal pro Integrationszeitspanne zu bestimmen, ob ein Signal an dem Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten einen spezifizierten Schwellenpegel, der der jeweiligen Komparatorschaltung entspricht, kreuzt; und wobei der Ladungstransferkondensator einen ausgewählten oder mehrere ausgewählte Kondensatoren aus einer Gruppe von Kondensatoren aufweist, um einen programmierbar auswählbaren Kapazitätswert des Ladungstransferkondensators bereitzustellen, der darauf basiert, welcher der spezifizierten Schwellenpegel durch den Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten gekreuzt wurde.
System nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Ladungstransferereignisse mit einer spezifizierten Ladungstransferfrequenz wiederholt bedingt bestimmt werden und wobei der Ladungstransferkondensator bei Wiederholungen, bei denen ein Ladungstransferereignis kontraindiziert ist, auf einen anderen als den Integrationskondensator entladen wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die bedingte Ladungstransferschaltung Folgendes aufweist: eine zweite Komparatorschaltung, um öfter als einmal pro Integrationszeitspanne zu bestimmen, ob ein Signal an dem Integrationsverstärkerschaltungs-Ausgangsknoten einen spezifizierten zweiten Schwellenpegel kreuzt; und eine Ladungstransferschaltung, die dann, wenn durch die Komparatorschaltung bestimmt wird, dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten zweiten Schwellenpegel kreuzt, eine spezifizierte Ladungsmenge auf den Integrationskondensator über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers bei einem Ladungstransferereignis transferiert, so dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten zweiten Schwellenpegel wieder in der anderen Richtung kreuzt.
System nach Anspruch 8, das eine Benachrichtigungsschaltung aufweist, die eine Benachrichtigung über ein oder mehrere Ladungstransferereignisse an eine digitale Schaltung liefert, um eine Anpassung eines digitalen Signalwerts zu ermöglichen, der von einer Analog/Digital-Umsetzerschaltung bereitgestellt wird, um das eine oder die mehreren Ladungstransferereignisse während der gleichen Integrationszeitspanne zu berücksichtigen, wobei die Benachrichtigungsschaltung Folgendes aufweist: eine Zählerschaltung, die über eine Integrationszeitspanne des Integrationskondensators hinweg eine erste Anzahl von spezifizierten Ladungsmengen, die über den ersten Verstärkereingangsknoten auf den Integrationskondensator addiert werden, und eine zweite Anzahl von spezifizierten Ladungsmengen, die über den ersten Verstärkereingangsknoten von dem Integrationskondensator subtrahiert werden, zählt; und eine Differenzschaltung, um eine Differenz der ersten und der zweiten Anzahl zu erhalten, um so eine Angabe einer spezifizierten Netto-Ladungsmenge zu liefern, die über den ersten Verstärkereingangsknoten während der Integrationszeitspanne zu dem Integrationskondensator addiert oder von diesem subtrahiert wird, um einen Anpassungswert zu liefern, um eine Anpassung eines digitalen Signalwerts, der der Integrationszeitspanne entspricht und von der Analog/Digital-Umsetzerschaltung bereitgestellt wird, zu ermöglichen, um das eine oder die mehreren Ladungstransferereignisse während der gleichen Integrationszeitspanne zu berücksichtigen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Schwellenwert anpassbar oder mit Dither versehen ist.
System nach Anspruch 10, das ferner eine Photodiode aufweist, die mit der Frontend-Schnittstellenschaltung so gekoppelt ist, dass eine Ladung von der Photodiode während der Integrationszeitspanne auf dem Integrationskondensator integriert wird.
System nach Anspruch 10 oder 11, das ferner eine Computertomographie-Detektionsempfängerschaltung (CT-Detektionsempfängerschaltung) aufweist, die mit der Frontend-Schnittstellenschaltung so gekoppelt ist, dass eine Ladung von der CT-Detektionsempfängerschaltung während der Integrationszeitspanne auf dem Integrationskondensator integriert wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Multiplexerschaltung aufweist, die beispielsweise eine Backend-Diskretzeitschaltung zwischen mehreren Frontend-Schnittstellenschaltungen zeitmultiplext.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Integrationszeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Integrationszeitspannen verschieden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dauer der Integrationszeitspanne während der gleichen bestimmten Integrationszeitspanne spezifiziert werden kann.
System, das Folgendes aufweist: eine Frontend-Schnittstellenschaltung für eine Analog/Digital-Umsetzerschaltung, wobei die Frontend-Schnittstellenschaltung aufweist: eine Integrationsschaltung, die eine Verstärkerschaltung und einen Integrationskondensator in einem Rückkopplungsweg von einem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten zu einem ersten Verstärkerschaltungs-Eingangsknoten aufweist, wobei die Integrationsschaltung Ladung aus einem empfangenen Eingangssignal auf dem Integrationskondensator über eine Integrationszeitspanne integriert, damit sie einmal pro Integrationszeitspanne abgetastet wird; und eine bedingte Ladungstransferschaltung, die mit dem ersten Verstärkerschaltungs-Eingangsknoten gekoppelt ist und aufweist: einen ersten Komparator, der mit dem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten gekoppelt ist, um mehr als einmal pro Integrationszeitspanne zu bestimmen, ob ein Signal an dem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten einen spezifizierten ersten Schwellenpegel übersteigt; einen zweiten Komparator, der mit dem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten gekoppelt ist, um mehr als einmal pro Integrationszeitspanne zu bestimmen, ob das Signal an dem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten unter einen spezifizierten zweiten Schwellenpegel fällt; und eine Ladungstransferschaltung, um dann, wenn durch die erste Komparatorschaltung bestimmt wird, dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten ersten Schwellenpegel kreuzt, eine spezifizierte Ladungsmenge über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers in einem Ladungstransferereignis auf den Integrationskondensator zu transferieren, so dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten ersten Schwellenpegel in der anderen Richtung wieder kreuzt, und dann, wenn durch die zweite Komparatorschaltung bestimmt wird, dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten zweiten Schwellenpegel kreuzt, eine spezifizierte Ladungsmenge über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers in einem Ladungstransferereignis auf den Integrationskondensator zu transferieren, so dass das Signal an dem Integrationsverstärker-Ausgangsknoten den spezifizierten zweiten Schwellenpegel in der anderen Richtung wieder kreuzt; eine Analog/Digital-Umsetzerschaltung, die mit dem Verstärkerschaltungs-Ausgangsknoten gekoppelt ist, um ein analoges Signal zu empfangen und das analoge Signal in ein digitales Signal umzusetzen; und wobei das Ladungstransferereignis auftritt, ohne den Integrationskondensator auf eine bestimmte Spannung zurückzusetzen, und das ferner eine Benachrichtigungsschaltung aufweist, die eine Benachrichtigung über ein oder mehrere Ladungstransferereignisse an eine digitale Schaltung liefert, um so eine Anpassung eines digitalen Signalwerts zu ermöglichen, der durch die Analog/Digital-Umsetzerschaltung bereitgestellt wird, um beispielsweise eine Netto-Ladung zu berücksichtigen, die über den ersten Eingangsknoten des Integrationsverstärkers während eines oder mehrerer Ladungstransferereignisse, die während der gleichen Integrationszeitspanne des Integrationskondensators auftreten, an den Integrationskondensator geliefert wird.
Verfahren, das Folgendes aufweist: Empfangen eines Eingangssignals; Integrieren einer Ladung, die durch das Eingangssignal geliefert wird, auf einem Integrationskondensator unter Verwendung eines Integrationsverstärkers über eine Integrationszeitspanne, um einmal pro Integrationszeitspanne abgetastet zu werden; Bestimmen, öfter als einmal pro Integrationszeitspanne, ob ein Integrationsverstärker-Ausgangssignal einen spezifizierten ersten Schwellenpegel übersteigt; wenn bestimmt wird, dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel übersteigt, Transferieren einer spezifizierten Ladungsmenge auf den Integrationskondensator über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers so, dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel nicht mehr übersteigt; Bereitstellen einer Abtastung des Integrationsverstärker-Ausgangssignals an dem Ende der Integrationszeitspanne für eine weitere Diskretzeitverarbeitung; und Bereitstellen einer Angabe, die der Abtastung entspricht, über die Transfers der spezifizierten Ladungsmenge während der Integrationszeitspanne, die dieser Abtastung zugeordnet ist, um eine digitale Anpassung eines digitalen Signalwerts, der der Abtastung entspricht, zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Transferieren der spezifizierten Ladungsmenge erfolgt, ohne den Integrationskondensator auf eine spezifizierte Spannung zurückzusetzen, und das ferner ein Anpassen eines digitalen Signalwerts, der von einer Analog/Digital-Umsetzerschaltung als Antwort auf einen Signalwert der Verstärkerausgabe an dem Ende der Integrationszeitspanne geliefert wird, um Vorgänge des Transferierens der spezifizierten Ladungsmenge auf den Integrationskondensator über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers während einer Integrationszeitspanne zu berücksichtigen.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, das ein Speichern einer oder mehrerer Abtastungen aus früheren Integrationszeitspannen zur weiteren Verwendung in einer Diskretzeitsignalverarbeitung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Transferieren der spezifizierten Ladungsmenge an einem ersten Eingang des Integrationsverstärkers ein Entladen eines Kondensators auf den Integrationskondensator über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers bei Wiederholungen, wenn bestimmt wird, dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel übersteigt, und ein Entladen des Kondensators nicht auf den Integrationskondensator über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers bei Wiederholungen, wenn bestimmt wird, dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel nicht übersteigt, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, 18, 19 oder 20, das dann, wenn ein Integrationsverstärker-Ausgangssignal unter einen spezifizierten zweiten Schwellenpegel fällt, ein Transferieren einer spezifizierten Ladungsmenge über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers auf den Integrationskondensator, so dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal nicht mehr unterhalb des spezifizierten zweiten Schwellenpegels liegt, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Transferieren der spezifizierten Ladungsmenge auf den Integrationskondensator erfolgt, ohne den Integrationskondensator auf eine spezifizierte Spannung zurückzusetzen, und das ferner ein Anpassen eines digitalisierten Werts des Integrationsverstärker-Ausgangssignals, um jegliche Transfers der spezifizierten Ladungsmenge auf den Integrationskondensator über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers während der Integrationszeitspanne zu berücksichtigen, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Integrationszeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Integrationszeitspannen variabel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei eine Dauer der Integrationszeitspanne während der gleichen bestimmten Integrationszeitspanne spezifiziert werden kann.
Verfahren, das Folgendes aufweist: Empfangen eines Computertomographie-Bildgebungseingangssignals (CT-Bildgebungseingangssignals); Integrieren einer Ladung, die durch das Eingangssignal geliefert wird, auf einem Integrationskondensator unter Verwendung eines Integrationsverstärkers über eine Integrationszeitspanne, um einmal pro Integrationszeitspanne abgetastet zu werden; Bestimmen, öfter als einmal pro Integrationszeitspanne, ob ein Integrationsverstärker-Ausgangssignal einen spezifizierten ersten Schwellenpegel übersteigt; wenn bestimmt wird, dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel übersteigt, Transferieren einer spezifizierten Ladungsmenge auf den Integrationskondensator über einen ersten Eingang des Integrationsverstärkers während der Integrationszeitspanne so, dass das Integrationsverstärker-Ausgangssignal den spezifizierten ersten Schwellenpegel nicht mehr übersteigt; Verfolgen einer Angabe der Ladungsmenge, die über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers während der gleichen Integrationszeitspanne zu dem Integrationskondensator addiert oder von diesem subtrahiert wird; Durchführen einer Analog/Digital-Umsetzung des Verstärkerausgangssignalwerts an dem Ende der Integrationszeitspanne, um einen digitalen Wert zu erzeugen; und Anpassen des digitalen Werts unter Verwendung der Angabe der Ladungsmenge, die über den ersten Eingang des Integrationsverstärkers während der gleichen Integrationszeitspanne, an deren Ende die Analog/Digital-Umsetzung durchgeführt wird, um den digitalen Wert zu erzeugen, zu dem Integrationskondensator addiert oder von diesem subtrahiert wird.