DE102020201668A1

DE102020201668A1 - Preamplifier for a photodiode

Info

Publication number: DE102020201668A1
Application number: DE102020201668.2A
Authority: DE
Inventors: Rainer Bohr; Nicolae Rusca
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2020-02-11
Filing date: 2020-02-11
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vorverstärker (130) für eine Photodiode (101), der einen Signaleingang (102) für ein Signal (S) der Photodiode (101) umfasst. Der Vorverstärker (130) umfasst zudem einen Transimpedanzverstärker (130), der mit einer asymmetrischen Betriebsspannung (U1, U2) versorgt ist. Der Transimpedanzverstärker (130) weist einen Transimpedanzverstärkerausgang (131) und einen ersten Transimpedanzverstärkereingang (104) auf, der als der Signaleingang (102) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Vorverstärkers (130), ein Verfahren zur Vorverstärkung, einen Verstärker (100) eine Ausleseeinheit (150), einen Strahlungsdetektor (21) sowie ein Röntgengerät (20).The invention relates to a preamplifier (130) for a photodiode (101) which comprises a signal input (102) for a signal (S) from the photodiode (101). The preamplifier (130) also includes a transimpedance amplifier (130) which is supplied with an asymmetrical operating voltage (U1, U2). The transimpedance amplifier (130) has a transimpedance amplifier output (131) and a first transimpedance amplifier input (104) which is designed as the signal input (102). The invention also relates to the use of the preamplifier (130), a method for preamplification, an amplifier (100), a readout unit (150), a radiation detector (21) and an X-ray device (20).

Description

Die Erfindung betrifft einen Vorverstärker für eine Photodiode sowie dessen Verwendung und ein Verfahren zur Vorverstärkung. Die Erfindung betrifft ferner einen Verstärker, eine Ausleseeinheit, einen Strahlungsdetektor sowie ein Röntgengerät.The invention relates to a preamplifier for a photodiode and its use and a method for preamplification. The invention also relates to an amplifier, a readout unit, a radiation detector and an X-ray device.

Im Rahmen der medizinischen Bildgebung kommen in vielen Bereichen Photodioden zum Einsatz. Zum Beispiel werden sie direkt zur Bildgebung oder in Form einer PSD (Position Sensitive Device, Doppel-Photodiode) als Phi-Z-Monitor in einem CT-Gerät bzw. CT-Scanner verwendet. Mit einer solchen Photodiode werden die Position des Röntgenstrahls in axialer Richtung und seine Winkelposition in der Rotationsebene senkrecht zur Achse gemessen. Für diese Messung sowie für die darauf basierende Regelung und für die Bildgebung an sich ist eine möglichst rauscharme Verstärkung des ursprünglichen Signals vorteilhaft. Denn so kann beispielsweise die Präzision bei einer Ausregelung der Position des Röntgenstrahls bereits bei geringerem Röntgenstrom (z. B. bei einem Low-Dose-Scan) verbessert werden.In the context of medical imaging, photodiodes are used in many areas. For example, they are used directly for imaging or in the form of a PSD (Position Sensitive Device, double photodiode) as a Phi-Z monitor in a CT device or CT scanner. Such a photodiode is used to measure the position of the X-ray beam in the axial direction and its angular position in the plane of rotation perpendicular to the axis. For this measurement as well as for the regulation based on it and for the imaging itself, a low-noise amplification of the original signal is advantageous. This is because, for example, the precision when adjusting the position of the X-ray beam can be improved even with a lower X-ray current (e.g. in the case of a low-dose scan).

Bisher sind hierzu aus der Praxis Vorverstärker bekannt, bei denen zusätzlich zum Photodiodenstrom ein sog. Biasstrom I_BIAS eingespeist wird. Der Biasstrom ist erforderlich, um bei einem invertierenden Transimpedanzverstärker (OP), der mit einer symmetrischen Betriebsspannung versorgt wird, den gesamten Aussteuerbereich nutzen zu können. Mit dem Biasstrom wird jedoch ein zusätzliches Rauschen eingebracht und aufgrund der Verstärkungsdrift wird dadurch zugleich eine ebenfalls nachteilhafte Nullpunktsverschiebung verursacht. Diese Effekte werden ggf. durch weitere nachgeschaltete Verstärkungsstufen unerwünscht mitverstärkt.So far, preamplifiers have been known from practice for this purpose, in which a so-called bias current in addition to the photodiode current I _BIAS is fed in. The bias current is required in order to be able to use the entire modulation range with an inverting transimpedance amplifier (OP) that is supplied with a symmetrical operating voltage. With the bias current, however, additional noise is introduced and, due to the gain drift, an equally disadvantageous zero point shift is caused at the same time. These effects are, if necessary, also undesirably amplified by further downstream amplification stages.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine rauschärmere Vorverstärkung eines Photodiodensignals zu ermöglichen.It is therefore an object of the present invention to enable a lower-noise pre-amplification of a photodiode signal.

Diese Aufgabe wird durch einen Vorverstärker gemäß Patentanspruch 1, einen Verstärker, eine Ausleseeinheit, einen Strahlungsdetektor, ein Röntgengerät, ein Verfahren zur Vorverstärkung sowie die Verwendung eines Vorverstärkers gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen gelöst.This object is achieved by a preamplifier according to patent claim 1, an amplifier, a read-out unit, a radiation detector, an X-ray device, a method for preamplification and the use of a preamplifier according to the independent patent claims.

Der eingangs genannte Vorverstärker für eine Photodiode umfasst einen Signaleingang für ein Signal der Photodiode.The preamplifier for a photodiode mentioned at the beginning comprises a signal input for a signal from the photodiode.

Der Vorverstärkter umfasst zudem einen Transimpedanzverstärker mit einem Transimpedanzverstärkerausgang und einem ersten Transimpedanzverstärkereingang. Der Transimpedanzverstärkereingang ist mit dem Signaleingang verbunden. Der Transimpedanzverstärker ist dabei mit einer asymmetrischen Betriebsspannung versorgt.The preamplifier also includes a transimpedance amplifier with a transimpedance amplifier output and a first transimpedance amplifier input. The transimpedance amplifier input is connected to the signal input. The transimpedance amplifier is supplied with an asymmetrical operating voltage.

In der folgenden Beschreibung werden die einzelnen Elemente und Funktionen des Vorverstärkers und der weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtungen so geschildert, wie sie im bestimmungsgemäßen Betrieb zusammenwirken. Es wird also insbesondere davon ausgegangen, dass ein geeignetes Signal am Signaleingang des Vorverstärkers anliegt, die Komponenten mit geeigneten Spannungen versorgt werden und auch etwaige weitere Voraussetzungen für den bestimmungsgemäßen Betrieb erfüllt sind.In the following description, the individual elements and functions of the preamplifier and the other devices according to the invention are described in such a way as they interact in normal operation. In particular, it is assumed that a suitable signal is present at the signal input of the preamplifier, that the components are supplied with suitable voltages and that any other requirements for proper operation are also met.

Sofern im Rahmen der Beschreibung Komponenten miteinander „verbunden“ sind, ist damit - sofern nicht anders angegeben - eine elektrisch leitende Verbindung gemeint. Im Rahmen der Offenbarung werden die Begriffe „Eingang“ und „Ausgang“ in Verbindung mit der betreffenden elektronischen Komponente verwendet, um deren Anschlüsse in Relation zum Signalfluss zu beschreiben. Dabei wird das Signal üblicherweise am Eingang der betreffenden Komponente empfangen und über den Ausgang an in Richtung des Signalflusses folgende Komponenten weitergeleitet.If components are “connected” to one another in the context of the description, this means an electrically conductive connection - unless otherwise stated. In the context of the disclosure, the terms “input” and “output” are used in connection with the relevant electronic component in order to describe its connections in relation to the signal flow. The signal is usually received at the input of the relevant component and passed on via the output to the following components in the direction of the signal flow.

Ein Vorverstärker bezeichnet allgemein einen Verstärker (z. B. für Messtechnik), der die Aufgabe hat, die Eingangssignale, die ggf. von unterschiedlichen Quellen stammen, so anzupassen, dass der eigentliche Verstärker in seinem optimalen Arbeitsbereich arbeitet. Ein Verstärker ist dabei allgemein eine elektronische Baugruppe mit mindestens einem aktiven Bauelement (meist einem Transistor), welche ein eingehendes Analogsignal so verarbeitet, dass die Ausgangsgröße größer wird als die Eingangsgröße.A preamplifier generally refers to an amplifier (e.g. for measurement technology) that has the task of adapting the input signals, which may come from different sources, so that the actual amplifier works in its optimal working range. An amplifier is generally an electronic assembly with at least one active component (usually a transistor), which processes an incoming analog signal in such a way that the output variable is greater than the input variable.

Der erfindungsgemäße Vorverstärker ist dazu geeignet, mit einer Photodiode zusammenzuwirken. Eine Photodiode ist eine Halbleiter-Diode, die elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht im sichtbaren, UV- und/oder IR-Bereich oder Röntgenstrahlung durch den inneren Photoeffekt in einen elektrischen Strom umwandelt. Dieser von der Photodiode ausgegebene Strom wird im Rahmen der Anmeldung auch als (Eingangs-)Signal bezeichnet, das im Betrieb am Signaleingang des Vorverstärkers anliegt und mittels des Vorverstärkers weiterverarbeitet wird.The preamplifier according to the invention is suitable for interacting with a photodiode. A photodiode is a semiconductor diode that converts electromagnetic radiation, in particular light in the visible, UV and / or IR range or X-rays into an electrical current through the internal photo effect. This current output by the photodiode is also referred to in the context of the application as an (input) signal, which is present at the signal input of the preamplifier during operation and is further processed by means of the preamplifier.

Der Transimpedanzverstärker - auch Strom-Spannungs-Wandler - ist ein elektrischer Verstärker, der einen Eingangsstrom in eine proportionale Ausgangsspannung umwandelt. Es handelt sich also um eine stromgesteuerte Spannungsquelle. Er umfasst üblicherweise einen „herkömmlichen“, spannungsgesteuerten Operationsverstärker (VV-OPV), der mit einem ohmschen Widerstand gegengekoppelt ist. Eine an den Transimpedanzverstärker angelegte Betriebsspannung bedeutet dabei insbesondere eine an den Operationsverstärker des Transimpedanzverstärkers angelegte Betriebsspannung.The transimpedance amplifier - also known as a current-voltage converter - is an electrical amplifier that converts an input current into a proportional output voltage. It is therefore a current-controlled voltage source. It usually comprises a “conventional”, voltage-controlled operational amplifier (VV-OPV), which is counter-coupled with an ohmic resistor. An operating voltage applied to the transimpedance amplifier means in particular an operating voltage applied to the operational amplifier of the transimpedance amplifier.

Das vorverstärkte bzw. primärverstärkte Signal wird mittels des Transimpedanzverstärkerausgangs ausgegeben bzw. weitergeleitet. Der Vorverstärker ist also so ausgelegt, dass er auf den Bereich der Amplitude des von der Photodiode generierten Signals justiert ist und diesen gesamten Bereich verstärken kann. Zugleich ist er so ausgelegt, dass er das verstärkte Signal in einem für nachfolgende Komponenten geeigneten Spannungsbereich ausgibt.The pre-amplified or primary amplified signal is output or forwarded by means of the transimpedance amplifier output. The preamplifier is therefore designed in such a way that it is adjusted to the range of the amplitude of the signal generated by the photodiode and can amplify this entire range. At the same time, it is designed so that it outputs the amplified signal in a voltage range suitable for downstream components.

Dass der Transimpedanzverstärker mit einer asymmetrischen Betriebsspannung versorgt wird, bedeutet, dass ein angelegtes positives Potential der Betriebsspannung betragsmäßig ungleich einem angelegten negativen Potential der Betriebsspannung ist. Das positive Potential und das negative Potential werden dabei in Relation zu einem Referenzpotential, z. B. der Erde oder einem anderweitig bereitgestelltem Referenzpotential gemessen. Durch die asymmetrische Betriebsspannung kann der gesamte Aussteuerbereich für das eingehende Signal der Photodiode unmittelbar genutzt werden.The fact that the transimpedance amplifier is supplied with an asymmetrical operating voltage means that an applied positive potential of the operating voltage is not equal in magnitude to an applied negative potential of the operating voltage. The positive potential and the negative potential are in relation to a reference potential, e.g. B. the earth or an otherwise provided reference potential measured. As a result of the asymmetrical operating voltage, the entire control range can be used directly for the incoming signal from the photodiode.

Der erfindungsgemäße Vorverstärker wird somit ohne Einbringen eines Biasstroms auf das Signal der Photodiode betrieben. Dadurch wird vorteilhafterweise das zusätzlich mit dem Biasstrom eingebrachte Rauschen vermieden und es wird keine Nullpunktsverschiebung aufgrund der Verstärkerdrift verursacht.The preamplifier according to the invention is thus operated without introducing a bias current to the signal from the photodiode. This advantageously avoids the additional noise introduced with the bias current and does not cause a zero point shift due to the amplifier drift.

Mittels des Transimpedanzverstärkerausgangs wird das vorverstärkte bzw. primärverstärkte Signal ausgegeben. Der Transimpedanzverstärkerausgang ist dazu beispielsweise mit weiteren Verstärkungsstufen verbunden. Dabei kann es sich grundsätzlich um Komponenten handeln, die das Signal insgesamt verstärken, oder um Filter, die folgend näher beschrieben sind.The pre-amplified or primary amplified signal is output via the transimpedance amplifier output. For this purpose, the transimpedance amplifier output is connected, for example, to further amplification stages. In principle, these can be components that amplify the signal as a whole, or filters, which are described in more detail below.

Der eingangs genannte Verstärker umfasst einen erfindungsgemäßen Vorverstärker und eine Anzahl, vorzugsweise eine Mehrzahl, von Filtern mit je einem ersten Filtereingang, der mit dem Transimpedanzverstärkerausgang verbunden ist.The amplifier mentioned at the beginning comprises a preamplifier according to the invention and a number, preferably a plurality, of filters, each with a first filter input which is connected to the transimpedance amplifier output.

Sofern im Rahmen der Offenbarung der Begriff „Anzahl“ verwendet wird, ist die entsprechende Komponente zumindest ein Mal umfasst. Demgegenüber bezeichnet der Begriff „Mehrzahl“, dass die betreffende Komponente zumindest zwei Mal vorhanden ist.If the term “number” is used in the context of the disclosure, the corresponding component is included at least once. In contrast, the term “plurality” denotes that the relevant component is present at least twice.

Bei den Filtern handelt es sich somit um weitere Verstärkerstufen, die dem Vorverstärker nachgeschaltet sind. Die Filter sind dabei so ausgelegt, dass sie selektiv bestimmte Bereiche des Signals verstärken. So sind beispielsweise Frequenzfilter wie Hochpassfilter, Tiefpassfilter oder Bandfilter bekannt. Vorliegend handelt es sich jedoch insbesondere um bestimmte Bereiche der Spannung des vom Transimpedanzverstärkerausgang am ersten Filtereingang empfangenen, vorverstärkten Signals, die mithilfe der Filter zusätzlich verstärkt werden.The filters are therefore additional amplifier stages that are connected downstream of the preamplifier. The filters are designed in such a way that they selectively amplify certain areas of the signal. For example, frequency filters such as high-pass filters, low-pass filters or band filters are known. In the present case, however, these are in particular certain ranges of the voltage of the pre-amplified signal received from the transimpedance amplifier output at the first filter input, which are additionally amplified with the aid of the filter.

Die eingangs genannte Ausleseeinheit für eine Photodiode umfasst einen erfindungsgemäßen Vorverstärker und eine Anzahl von AD-Wandlern mit je einem ersten AD-Wandlereingang. Dabei ist jeweils ein erster AD-Wandlereingang mit einem zugehörigen Filterausgang eines Filters verbunden und ein zweiter AD-Wandlereingang wird mit einer gemeinsamen Offset-Spannung versorgt.The readout unit for a photodiode mentioned at the beginning comprises a preamplifier according to the invention and a number of AD converters, each with a first AD converter input. A first AD converter input is connected to an associated filter output of a filter and a second AD converter input is supplied with a common offset voltage.

Das grundlegende Wirkungsprinzip von AD-Wandlern ist bekannt, weshalb an dieser Stelle auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet wird. Die AD-Wandler sind jeweils so ausgelegt, dass sie möglichst über den gesamten vom vorgeschalteten Filter ausgegebenen Signalbereich das analoge Signal in ein möglichst hoch aufgelöstes digitales Signal konvertieren. Aufgrund der gemeinsamen Offset-Spannung bzw. Referenzspannung wird dabei vorteilhafterweise eine Nullpunktverschiebung vermieden, wie später noch im Detail erläutert wird.The basic operating principle of AD converters is known, which is why a detailed explanation is dispensed with at this point. The AD converters are each designed in such a way that they convert the analog signal into a digital signal with as high a resolution as possible over the entire signal range output by the upstream filter. Due to the common offset voltage or reference voltage, a zero point shift is advantageously avoided, as will be explained in detail later.

Der eingangs genannte Strahlungsdetektor umfasst eine Anzahl von erfindungsgemäßen Vorverstärkern oder eine Anzahl von erfindungsgemäßen Verstärkern oder zumindest eine erfindungsgemäße Ausleseeinheit. Der Strahlungsdetektor umfasst zudem eine Anzahl von Photodioden, die jeweils mit einem Signaleingang eines zugehörigen Vorverstärkers verbunden sind.The radiation detector mentioned at the beginning comprises a number of preamplifiers according to the invention or a number of amplifiers according to the invention or at least one read-out unit according to the invention. The radiation detector also comprises a number of photodiodes which are each connected to a signal input of an associated preamplifier.

Als Strahlungsdetektor wird im Sinne der Erfindung ein Detektor verstanden, der elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht im sichtbaren, UV- und/oder IR-Bereich oder Röntgenstrahlung, erfasst. Zur Konvertierung der Strahlung in ein elektrisches Signal weist der Strahlungsdetektor zumindest eine Photodiode auf, die insbesondere als Doppel-Photodiode ausgebildet sein kann. Bei dem Strahlungsdetektor handelt es sich insbesondere um einen Röntgendetektor.In the context of the invention, a radiation detector is understood to be a detector which detects electromagnetic radiation, in particular light in the visible, UV and / or IR range or X-rays. To convert the radiation into an electrical signal, the radiation detector has at least one photodiode, which can in particular be designed as a double photodiode. The radiation detector is in particular an X-ray detector.

Das eingangs genannte Röntgengerät ist insbesondere als ein CT-Gerät bzw. CT-Scanner ausgebildet (Computertomographiegerät). Es umfasst zumindest einen erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor bzw. Röntgendetektor.The x-ray device mentioned at the beginning is designed in particular as a CT device or CT scanner (computed tomography device). It comprises at least one radiation detector or X-ray detector according to the invention.

Grundsätzlich kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Röntgengerät um ein beliebiges Röntgengerät handeln. So kann es in einfacher Weise als Röntgenquelle mit separatem Röntgendetektor ausgebildet sein. Das Röntgengerät kann aber auch beispielsweise als C-Bogen-Röntgengerät, Angiographiegerät oder dergleichen ausgebildet sein.In principle, the x-ray device according to the invention can be any x-ray device. So it can be easier Way be designed as an X-ray source with a separate X-ray detector. The x-ray device can, however, also be designed, for example, as a C-arm x-ray device, angiography device or the like.

Das eingangs genannte Verfahren zur Vorverstärkung eines Signals einer Photodiode umfasst zumindest die folgenden Schritte. In einem Schritt wird das Signal der Photodiode an einem ersten Transimpedanzverstärkereingang eines Transimpedanzverstärkers empfangen. In einem weiteren Schritt erfolgt ein primäres Verstärken des Signals mittels des Transimpedanzverstärkers, wobei der Transimpedanzverstärker mit einer asymmetrischen Betriebsspannung versorgt wird. Bevorzugt erfolgen in einem weiteren Schritt ein Filtern und sekundäres Verstärken des primärverstärkten Signals mittels einer Anzahl von Filtern. Das erfindungsgemäße Verfahren spiegelt somit die im erfindungsgemäßen Vorverstärker bzw. Verstärker ablaufenden Prozesse in funktionellen Merkmalen wider.The above-mentioned method for preamplifying a signal from a photodiode comprises at least the following steps. In one step, the signal from the photodiode is received at a first transimpedance amplifier input of a transimpedance amplifier. In a further step, the signal is primarily amplified by means of the transimpedance amplifier, the transimpedance amplifier being supplied with an asymmetrical operating voltage. In a further step, the primary amplified signal is preferably filtered and secondary amplified by means of a number of filters. The method according to the invention thus reflects the processes taking place in the preamplifier or amplifier according to the invention in functional features.

Der erfindungsgemäße Vorverstärker wird erfindungsgemäß zur Röntgenbildgebung verwendet, insbesondere zur Positionsregelung eines Röntgenstrahls bei geringem Röhrenstrom. Dabei wird ein Signal einer Photodiode, vorzugsweise einer Doppel-Photodiode, an einem Signaleingang des Vorverstärkers empfangen. Folgend wird das empfangene Signal mittels des Transimpedanzverstärkers primärverstärkt. Dabei wird der Transimpedanzverstärker mit einer asymmetrischen Betriebsspannung versorgt.The preamplifier according to the invention is used according to the invention for X-ray imaging, in particular for regulating the position of an X-ray beam with a low tube current. A signal from a photodiode, preferably a double photodiode, is received at a signal input of the preamplifier. The received signal is then primarily amplified by means of the transimpedance amplifier. The transimpedance amplifier is supplied with an asymmetrical operating voltage.

Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den Ansprüchen und Beschreibungsteilen zu einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.Further, particularly advantageous configurations and developments of the invention emerge from the dependent claims and the following description, whereby the claims of one claim category can also be developed analogously to the claims and parts of the description for another claim category and in particular also add individual features to different exemplary embodiments or variants new embodiments or variants can be combined.

Bevorzugt ist ein an den Transimpedanzverstärker angelegtes positives Potential der Betriebsspannung betragsmäßig kleiner als ein an den Transimpedanzverstärker angelegtes negatives Potential der Betriebsspannung. Besonders bevorzugt ist das positive Potential der Betriebsspannung betragsmäßig kleiner als ein Viertel, ganz besonders bevorzugt kleiner als ein Zehntel, am meisten bevorzugt kleiner als ein Zwanzigstel des negativen Potentials der Betriebsspannung.A positive potential of the operating voltage applied to the transimpedance amplifier is preferably smaller in magnitude than a negative potential of the operating voltage applied to the transimpedance amplifier. The positive potential of the operating voltage is particularly preferably less than a quarter, very particularly preferably less than a tenth, most preferably less than a twentieth of the negative potential of the operating voltage.

Dadurch wird es möglich, das positive Potential in Relation zu dem negativen Potential nahe an ein neutrales Potential bzw. Referenzpotential zu legen. So wird eine Verzerrung des Signals im Bereich um das neutrale Potential - also die „Null“ - vermieden, weil ansonsten Sättigungseffekte im Bereich um 0V auftreten und die Linearitätsanforderungen an die Verstärkung somit nicht erfüllt werden können.This makes it possible to place the positive potential in relation to the negative potential close to a neutral potential or reference potential. This avoids a distortion of the signal in the area around the neutral potential - ie the "zero" - because otherwise saturation effects in the area around 0V occur and the linearity requirements for the amplification cannot be met.

Demzufolge ist es bevorzugt, dass ein an den Transimpedanzverstärker angelegtes positives Potential der Betriebsspannung betragsmäßig kleiner als 5V, besonders bevorzugt kleiner als 2V, ganz besonders bevorzugt kleiner als 1V, ist. Dadurch kann ein umso größerer Teil der bereitgestellten Betriebsspannung auf das negative Potential verwendet werden.Accordingly, it is preferred that a positive potential of the operating voltage applied to the transimpedance amplifier is less than 5V in terms of amount, particularly preferably less than 2V, very particularly preferably less than 1V. As a result, a greater part of the operating voltage provided can be used at the negative potential.

Vorzugsweise ist ein an den Transimpedanzverstärker angelegtes negatives Potential der Betriebsspannung (U2) betragsmäßig größer oder gleich 4V, bevorzugt größer oder gleich 30V, besonders bevorzugt größer oder gleich 60V, ganz besonders bevorzugt größer oder gleich 200V. Generell können Operationsverstärker, also auch der Transimpedanzverstärker, nur Spannungen ausgeben, die innerhalb des durch die Betriebsspannung aufgespannten Bereichs liegen. Weitere bevorzugte Grenzen für das negative Potential der Betriebsspannung sind größer oder gleich 12V und größer oder gleich 24V.A negative potential of the operating voltage (U2) applied to the transimpedance amplifier is preferably greater than or equal to 4V, preferably greater than or equal to 30V, particularly preferably greater than or equal to 60V, very particularly preferably greater than or equal to 200V. In general, operational amplifiers, including the transimpedance amplifier, can only output voltages that are within the range spanned by the operating voltage. Further preferred limits for the negative potential of the operating voltage are greater than or equal to 12V and greater than or equal to 24V.

Dafür, dass eine möglichst große Verstärkung bereits mithilfe des erfindungsgemäßen Vorverstärkers realisiert wird, ist es somit vorteilhaft, im Bereich der Betriebsspannung möglichst groß zu dimensionieren und ihn möglichst vollständig auszuschöpfen. Hierfür können bevorzugt sogenannte „Rail-to-Rail“-Ausgänge genutzt werden, die bis auf wenige Volt - gegebenenfalls sogar näher als 100 mV - an die Betriebsspannung herankommen.To ensure that the greatest possible gain is already achieved with the aid of the preamplifier according to the invention, it is therefore advantageous to dimension the operating voltage as large as possible and to use it as fully as possible. For this purpose, so-called “rail-to-rail” outputs can preferably be used, which come within a few volts - possibly even closer than 100 mV - to the operating voltage.

Eine möglichst große Verstärkung des Signals bereits auf der Stufe des Vorverstärkers vorzunehmen, ist besonders vorteilhaft, da er besonders rauscharm arbeitet. Denn das Rauschen des Transimpedanzverstärkers ist proportional zur Wurzel seines Gegenkopplungswiderstands, wohingegen das Signal direkt proportional zum Gegenkopplungswiderstand verstärkt wird. Dadurch erhöht sich also der Signal-zu-Rausch-Abstand. Eine ggf. nachfolgende zusätzliche Verstärkung kann somit geringer ausfallen, wodurch das Rauschen insgesamt reduziert wird.Gaining the greatest possible amplification of the signal at the preamplifier stage is particularly advantageous because it operates with particularly low noise. This is because the noise of the transimpedance amplifier is proportional to the square root of its negative feedback resistance, whereas the signal is amplified in direct proportion to the negative feedback resistance. This increases the signal-to-noise ratio. Any subsequent additional amplification can thus turn out to be lower, as a result of which the noise is reduced overall.

Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Verstärker genau zwei Filter auf. Dies ist eine platzsparende und kostengünstigste Realisierung des Wirkungsprinzips, das im Folgenden näher beschrieben wird.The amplifier according to the invention preferably has exactly two filters. This is a space-saving and most cost-effective implementation of the operating principle, which is described in more detail below.

Vorzugsweise verstärkt ein erster Filter das Signal stark in einem Bereich kleiner Signale um bzw. nahe einer neutralen Spannung und zumindest ein zweiter Filter verstärkt das Signal im übrigen bzw. im gesamten Bereich. Der erste Filter arbeitet also in einem engen Bereich um eine neutrale Spannung - z. B. 0V oder bevorzugt die gemeinsame Offset-Spannung - mit einer starken Verstärkung. D. h. der erste Filter „zoomt“ bevorzugt in den Bereich eines Fünftels, besonders bevorzugt eines Fünfzehntels, ganz besonders bevorzugt eines Hundertstels des gesamten Signalbereichs hinein. Dadurch wurde bisher bei den nach dem Stand der Technik üblichen Verstärkern das Rauschen sichtbar. Dies wird durch den erfindungsgemäßen Vorverstärker vorteilhafterweise vermieden.Preferably, a first filter amplifies the signal strongly in a range of small signals by or near a neutral voltage and at least one second filter amplifies the signal in the rest or in the entire range. The first filter works in a narrow range around a neutral voltage - e.g. B. 0V or preferably the common offset voltage - with a strong gain. I. E. the first filter “zooms” preferably into the range of a fifth, particularly preferably a fifteenth, very particularly preferably a hundredth of the entire signal range. As a result, the noise was previously visible in the amplifiers customary according to the prior art. This is advantageously avoided by the preamplifier according to the invention.

Der Transimpedanzverstärker weist bevorzugt einen zweiten Transimpedanzverstärkereingang auf und die Filter weisen jeweils einen zweiten Filtereingang auf. Dabei sind die zweiten Filtereingänge und der zweite Transimpedanzverstärkereingang mit einer gemeinsamen Offset-Spannung versorgt.The transimpedance amplifier preferably has a second transimpedance amplifier input and the filters each have a second filter input. The second filter inputs and the second transimpedance amplifier input are supplied with a common offset voltage.

Diese gemeinsame Offset-Spannung liegt bevorzugt auch an den ggf. nachgeschalteten AD-Wandlern an. Durch die gemeinsame Offset-Spannung werden unnötige Driftquellen eliminiert und es wird im Wesentlichen vermieden, dass die einzelnen Komponenten eine Nullpunktdrift gegeneinander aufweisen.This common offset voltage is preferably also applied to any downstream AD converters. The common offset voltage eliminates unnecessary sources of drift and essentially prevents the individual components from drifting in the zero point relative to one another.

Die Photodioden des Strahlungsdetektors sind bevorzugt als Doppel-Photodioden (PSD, Position Sensitive Device) ausgebildet. Das heißt, sie sind positionssensitiv z. B. zur Messung der Position eines Röntgenstrahls).The photodiodes of the radiation detector are preferably designed as double photodiodes (PSD, Position Sensitive Device). That is, they are position sensitive z. B. to measure the position of an X-ray beam).

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines Verstärkers für eine Photodiode nach dem Stand der Technik,
2 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ausleseeinheit mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorverstärkers,
3 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorverstärkung und
4 eine grob schematische, perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Röntgengeräts.

The invention is explained in more detail below with reference to the attached figures on the basis of exemplary embodiments. The same components are provided with identical reference numbers in the various figures. The figures are usually not to scale. Show it:

1 a schematic block diagram of an amplifier for a photodiode according to the prior art,
2 a schematic block diagram of an embodiment of a readout unit according to the invention with an embodiment of a preamplifier according to the invention,
3 a schematic block diagram of an embodiment of a method according to the invention for pre-amplification and
4th a roughly schematic, perspective illustration of an embodiment of an X-ray device according to the invention.

1 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild eines Verstärkers 100' nach dem Stand der Technik. Der Verstärker 100' umfasst einen Vorverstärker 130' sowie zwei Filter 110', 120'. Der Vorverstärker 130' weist einen Signaleingang 102 auf, der mit einer Photodiode 101 verbunden ist. Zudem weist der Vorverstärker 130' einen Vorverstärkerausgang 131 auf, der mit den beiden Filtern 110', 120' verbunden ist. 1 shows an example of a block diagram of an amplifier 100 ' According to the state of the art. The amplifier 100 ' includes a preamplifier 130 ' as well as two filters 110 ' , 120 ' . The preamplifier 130 ' has a signal input 102 on that with a photodiode 101 connected is. In addition, the preamplifier 130 ' a preamp output 131 on the one with the two filters 110 ' , 120 ' connected is.

Elektromagnetische Strahlung, z. B. Röntgenstrahlung, die auf die Photodiode 101 einfällt, wird von der Photodiode 101 in ein Signal S, nämlich in einen elektrischen Strom umgewandelt. Das Signal S liegt dabei an dem Signaleingang 102 des Vorverstärkers 130' an. Der Signaleingang 102 ist somit zugleich ein erster Transimpedanzverstärkereingang 102. Zusätzlich zu dem Signal S wird auf den Signaleingang 102 ein Biasstrom I_BIAS eingespeist.Electromagnetic radiation, e.g. B. X-rays that hit the photodiode 101 incident is from the photodiode 101 into a signal S. , namely converted into an electric current. The signal S. is due to the signal input 102 of the preamplifier 130 ' on. The signal input 102 is thus also a first transimpedance amplifier input 102 . In addition to the signal S. is on the signal input 102 a bias current I _BIAS fed in.

Der Vorverstärker 130' ist im Wesentlichen als Transimpedanzverstärker 130' ausgebildet und umfasst einen Operationsverstärker 103', der einen invertierenden Eingang 104, einen nicht-invertierenden Eingang 105 sowie einen Operationsverstärkerausgang 106 aufweist. Parallel zum Operationsverstärker 103' ist ein Gegenwiderstand 107 geschaltet, der mit dem invertierenden Eingang 104 und dem Operationsverstärkerausgang 106 verbunden ist. Der nicht-invertierende Eingang 105 des Operationsverstärkers 103' ist direkt mit der Erde verbunden. An dem Operationsverstärker 103' liegt eine symmetrische Betriebsspannung +U1, -U1 an.The preamplifier 130 ' is essentially a transimpedance amplifier 130 ' formed and comprises an operational amplifier 103 ' having an inverting input 104 , a non-inverting input 105 as well as an operational amplifier output 106 having. In parallel with the operational amplifier 103 ' is a counter-resistance 107 switched, the one with the inverting input 104 and the operational amplifier output 106 connected is. The non-inverting input 105 of the operational amplifier 103 ' is directly connected to the earth. At the operational amplifier 103 ' there is a symmetrical operating voltage + U1 , -U1 on.

Das am Vorverstärkerausgang 131 anliegende, vorverstärkte bzw. primärverstärkte Signal kann höchstens in einem Bereich zwischen +U1, -U1 liegen, wie durch den Einsatz a' verdeutlicht wird. Zudem weist dieses Signal aufgrund des eingespeisten Biasstroms I_BIAS ein relativ hohes Rauschen auf.The one at the preamp output 131 applied, pre-amplified or primary amplified signal can be at most in a range between + U1 , -U1 lie as by use a ' is made clear. In addition, this signal exhibits due to the fed-in bias current I _BIAS a relatively high level of noise.

Die beiden Filter 110', 120', die im Wesentlichen den in 2 dargestellten Filtern 110, 120 entsprechen, werden auch anhand von 2 detailliert erläutert. Die Filter 110', 120' sind hier mittels eines zweiten Filtereingangs 114 mit einer separaten Offset-Spannung U_OFFSET verbunden. Zwischen dem Vorverstärker 130' und den Filtern 110', 120' kann sich dadurch eine unerwünschte Nullpunktsdrift ausbilden.The two filters 110 ' , 120 ' , which are essentially the same as in 2 shown filters 110 , 120 are also based on 2 explained in detail. The filters 110 ' , 120 ' are here by means of a second filter input 114 with a separate offset voltage U _OFFSET connected. Between the preamp 130 ' and the filters 110 ' , 120 ' This can result in an undesirable zero point drift.

Die weiteren Einsätze b' und c' geben die Bereiche der jeweils am Ausgang der Filter 110', 120' anliegenden Signale an.The other missions b ' and c ' give the areas of each at the output of the filter 110 ' , 120 ' pending signals.

2 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ausleseeinheit 150. Die Ausleseeinheit 150 umfasst einen Vorverstärker 130, zwei damit verbundene Filter 110, 120 sowie zwei jeweils mit einem der Filter 110, 120 verbundene AD-Wandler 151. Der Vorverstärker 130 und die Filter 110, 120 werden zusammenfassend auch als Verstärker 100 bezeichnet. 2 shows a block diagram of an embodiment of a readout unit according to the invention 150 . The readout unit 150 includes a preamplifier 130 , two associated filters 110 , 120 as well as two each with one of the filters 110 , 120 connected AD converters 151 . The preamplifier 130 and the filters 110 , 120 are summarized also as amplifiers 100 designated.

Der Vorverstärker 130 sowie die Filter 110, 120 sind ähnlich wie in 1 ausgebildet. Im Unterschied dazu liegt jedoch an dem Operationsverstärker 103 des Vorverstärkers 130 keine symmetrische Betriebsspannung an, sondern eine asymmetrische Betriebsspannung +U1, -U2. Dabei unterscheiden sich die Werte von U1 und U2, denn das positive Potential U1 ist kleiner als das negative Potential U2. Zum Beispiel kann eine Betriebsspannungsversorgung so ausgelegt sein, dass sie ein positives Potential von +2V und ein negatives Potential von -24V bereitstellt. Entsprechend ergibt sich für das am Vorverstärkerausgang 131 ausgegebene Signal ein maximaler Bereich, wie er im Einsatz a dargestellt ist.The preamplifier 130 as well as the filters 110 , 120 are similar to in 1 educated. In contrast, however, is due to the operational amplifier 103 of the preamplifier 130 no symmetrical operating voltage, but an asymmetrical operating voltage + U1 , -U2 . The values of U1 and U2 differ, because the positive potential U1 is smaller than the negative potential U2 . For example, an operating voltage supply can be designed in such a way that it provides a positive potential of + 2V and a negative potential of -24V. This results in the same at the preamplifier output 131 output signal a maximum range as it is in use a is shown.

Aufgrund der asymmetrischen Betriebsspannung +U1, -U2 ist es erfindungsgemäß nicht mehr erforderlich, zusätzlich zum Signal S der Photodiode 101 einen Biasstrom I_BIAS einzuspeisen.Due to the asymmetrical operating voltage + U1 , -U2 it is no longer necessary according to the invention, in addition to the signal S. the photodiode 101 a bias current I _BIAS to feed.

Ein weiterer Unterschied zu 1 besteht bei dem Ausführungsbeispiel des Vorverstärkers 130 darin, dass der nicht-invertierende Eingang 105 des Operationsverstärkers 103 nicht mehr geerdet, sondern als zweiter Transimpedanzverstärkereingang 105 mit der Offset-Spannung UOFFSET verbunden ist.Another difference too 1 exists in the embodiment of the preamplifier 130 in that the non-inverting input 105 of the operational amplifier 103 no longer grounded, but as a second transimpedance amplifier input 105 with the offset voltage UOFFSET connected is.

In Übereinstimmung mit 1 ist jeweils ein erster Filtereingang 113 der beiden Filter 110, 120 mit dem Transimpedanzverstärkerausgang 131 verbunden. Die beiden Filter 110, 120 sind ähnlich ausgestaltet und entsprechen üblichen Tiefpassfiltern zweiter Ordnung. Sie unterscheiden sich lediglich in den Werten der verbauten Widerstände 111, 111a, 111b, 111c und Kapazitäten 112, 112a, 112b. Sie weisen dabei zudem jeweils einen zweiten Filtereingang 114 sowie einen Filterausgang 117 auf. Im Folgenden wird daher beispielhaft lediglich der Filter 110 im Detail beschrieben.In accordance with 1 is a first filter input 113 of the two filters 110 , 120 with the transimpedance amplifier output 131 connected. The two filters 110 , 120 are designed similarly and correspond to conventional second-order low-pass filters. They only differ in the values of the built-in resistors 111 , 111a , 111b , 111c and capacities 112 , 112a , 112b . They also each have a second filter inlet 114 as well as a filter output 117 on. In the following, therefore, only the filter is given as an example 110 described in detail.

Mit dem ersten Filtereingang 113 ist ein erster Widerstand 111a verbunden. Auf diesen folgt ein erster Verzweigungspunkt 118, mit dem ein zweiter Widerstand 111b und ein dritter Widerstand 111c sowie eine erste Kapazität 112a verbunden sind. Der Verzweigungspunkt 118 ist über die erste Kapazität 112a mit der Erde verbunden. Der dritte Widerstand 111c ist an einen invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 116 angeschlossen. Der zweite Widerstand 111b ist parallel zum dritten Widerstand 111c und zum Operationsverstärker 116 geschaltet und mit dem Filterausgang 117 verbunden. Zudem ist der zweite Widerstand 111b an einem zweiten Verzweigungspunkt 119 über eine zweite Kapazität 112b mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 116 gekoppelt. Die Werte für die einzelnen Widerstände 111, 111a, 111b, 111c und Kapazitäten 112, 112a, 112b werden dabei vom Fachmann anwendungsspezifisch gewählt.With the first filter input 113 is a first resistance 111a connected. This is followed by a first branch point 118 with which a second resistor 111b and a third resistor 111c as well as a first capacity 112a are connected. The branch point 118 is about the first capacity 112a connected to the earth. The third resistance 111c is to an inverting input of an operational amplifier 116 connected. The second resistance 111b is parallel to the third resistor 111c and to the operational amplifier 116 switched and with the filter output 117 connected. Also is the second resistance 111b at a second branch point 119 a second capacity 112b to the inverting input of the operational amplifier 116 coupled. The values for the individual resistors 111 , 111a , 111b , 111c and capacities 112 , 112a , 112b are selected application-specifically by the specialist.

An dem Operationsverstärker 116 liegt als Betriebsspannung ein positives Potential +U3 gegen die Erde an. Am Operationsverstärker 116 des Filters 120 liegt ein positives Potential +U4 gegen Erde an. Die Einsätze a, b zeigen die Bereiche des jeweils am Filterausgang 117 ausgegebenen weiter verstärkten bzw. sekundärverstärkten Signals an.At the operational amplifier 116 there is a positive potential as the operating voltage + U3 against the earth. At the operational amplifier 116 of the filter 120 there is a positive potential + U4 against earth. The stakes a , b show the areas of each at the filter output 117 output further amplified or secondary amplified signal.

Der zweite Filtereingang 114 ist einerseits mit der gemeinsamen Offset-Spannung UOFFSET verbunden und andererseits an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 116 angeschlossen.The second filter input 114 is on the one hand with the common offset voltage UOFFSET connected and on the other hand to the non-inverting input of the operational amplifier 116 connected.

Mit dem Filterausgang 117 der Filter 110, 120 ist jeweils ein erster Wandlereingang 152 je eines AD-Wandlers 151 verbunden. Die AD-Wandler weisen jeweils einen zweiten Wandlereingang auf, der jeweils mit der gemeinsamen Offset-Spannung U_OFFSET verbunden ist. Die AD-Wandler konvertieren das verstärkte analoge Signal S in bekannter Weise in ein digitales Signal und geben dieses aus.With the filter outlet 117 the filter 110 , 120 is a first converter input 152 one AD converter each 151 connected. The AD converters each have a second converter input, each with the common offset voltage U _OFFSET connected is. The AD converters convert the amplified analog signal S. in a known manner into a digital signal and output it.

Durch die Offset-Spannung U_OFFSET , die der Vorverstärker 130, die Filter 110, 120 sowie die AD-Wandler als gemeinsame Referenz teilen, können unnötige Driftquellen eliminiert werden, sodass eine Nullpunktsdrift im Wesentlichen vernachlässigbar ist.By the offset voltage U _OFFSET who have favourited the preamp 130 who have favourited Filters 110 , 120 as well as the AD converters share as a common reference, unnecessary drift sources can be eliminated so that zero point drift is essentially negligible.

Die Filter 110, 120 sind hier also im Wesentlichen als Tiefpassfilter zweiter Ordnung ausgebildet, es können aber je nach Bedarf auch andere Filter eingesetzt werden. Zum Beispiel kann ein Filter lediglich Spannungen in einem Bereich nahe von Null sehr stark verstärken, also quasi in diesen Bereich „hineinzoomen“. Ergänzend dazu verstärkt zumindest ein anderer Filter den übrigen Signalbereich.The filters 110 , 120 are thus essentially designed as second-order low-pass filters, but other filters can also be used as required. For example, a filter can only amplify voltages in a range close to zero very strongly, so to speak “zoom in” into this range. In addition, at least one other filter amplifies the remaining signal range.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine besonders rauscharme Verstärkung des Signals S mittels des Vorverstärkers 130 möglich. Dadurch kann das Signal S bereits auf dieser Stufe stärker als bisher üblich verstärkt werden. Die folgenden Stufen, also die Filter 110, 120 können somit eine geringere Verstärkungswirkung aufweisen. Das Signal-zu Rauschen-Verhältnis kann hierdurch und auch durch die - wie beschrieben - reduzierte Nullpunktsdrift verbessert werden.The configuration according to the invention results in a particularly low-noise amplification of the signal S. by means of the preamplifier 130 possible. This allows the signal S. already at this stage are reinforced more than usual. The following stages, i.e. the filters 110 , 120 can thus have a lower reinforcing effect. The signal-to-noise ratio can be improved by this and also by the reduced zero point drift, as described.

3 zeigt schematisch ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorverstärkung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

In einem ersten Schritt I wird ein von einer Photodiode 101 generierter Strom als Signal S an einem Signaleingang 102 des Verstärkers 130 empfangen, der der auf die Photodiode 101 einfallenden Strahlung entspricht.

3 schematically shows a block diagram of an embodiment of a method according to the invention for preamplification. The procedure consists of the following steps:

In a first step I one is made by a photodiode 101 generated current as a signal S. at a signal input 102 of the amplifier 130 received that of the on the photodiode 101 corresponds to incident radiation.

In einem zweiten Schritt II wird das Signal S mittels eines Transimpedanzverstärkers 130 primärverstärkt, wobei der Transimpedanzverstärker 130 mit einer asymmetrischen Betriebsspannung +U1, -U2 betrieben wird.In a second step II, the signal S. by means of a transimpedance amplifier 130 primary amplified, the transimpedance amplifier 130 with an asymmetrical operating voltage + U1 , -U2 is operated.

In einem dritten Schritt III wird das Signal S mithilfe von zwei Filtern 110, 120 sekundärverstärkt. Dabei verstärkt ein erster Filter 110 das Signal lediglich in einem sehr engen Bereich der Spannung um die Offset-Spannung UOFFSET sehr stark. Ein zweiter Filter 120 verstärkt das Signal über den gesamten Signalbereich mit einer im Vergleich zum ersten Filter 110 geringeren Verstärkung.In a third step III, the signal S. using two filters 110 , 120 secondary reinforced. A first filter reinforces this 110 the signal only in a very narrow voltage range around the offset voltage UOFFSET very strong. A second filter 120 amplifies the signal over the entire signal range with a compared to the first filter 110 lower gain.

In einem vierten Schritt IV wird das analoge, sekundär verstärkte und jeweils am Filterausgang 117 der Filter 110, 120 ausgegebene Signal S von je einem AD-Wandler 151 in ein digitales Signal umgewandelt und als solches ausgegeben.In a fourth step IV, the analog, secondary amplified and each at the filter output 117 the filter 110 , 120 output signal S. of one AD converter each 151 converted into a digital signal and output as such.

In 4 ist beispielhaft und grob schematisch ein erfindungsgemäßes Röntgengerät 20, hier als konkretes Beispiel ein Computertomographiegerät (CT-Gerät) 20, gezeigt. Das Computertomographiegerät 20 umfasst einen Patiententisch 25 zur Lagerung eines Patienten 24 als Untersuchungsobjekt. Der Patiententisch 25 ist entlang einer Systemachse 26 in das Messfeld verstellbar, worüber der Patient 24 im Messfeld positioniert werden kann. Das Computertomographiegerät 20 umfasst ferner eine Gantry 22 mit einer um die Systemachse 26 drehbar gelagerten Quelle-Strahlungsdetektor-Anordnung 23, 21. Die Quelle-Strahlungsdetektor-Anordnung 23, 21 weist eine Röntgenstrahlungsquelle 23 und ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors 21 auf, die einander gegenüberliegend so ausgerichtet sind, dass im Betrieb eine von dem Fokus der Röntgenstrahlungsquelle 23 ausgehende Röntgenstrahlung auf den Strahlungsdetektor 21 trifft. Der Strahlungsdetektor 21 umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Ausleseeinheit 150, die hier lediglich grobschematisch angedeutet ist. Zu jeder Projektion erzeugt der Strahlungsdetektor 21 einen Satz von Projektionsdaten. Diese Projektionsdaten werden anschließend weiterverarbeitet und zu einem resultierenden Bild verrechnet.In 4th is an example and roughly schematically an X-ray device according to the invention 20th , here as a concrete example a computed tomography device (CT device) 20th shown. The computed tomography device 20th includes a patient table 25th for positioning a patient 24 as an object of investigation. The patient table 25th is along a system axis 26th adjustable in the measuring field, what the patient 24 can be positioned in the measuring field. The computed tomography device 20th also includes a gantry 22nd with one around the system axis 26th rotatably mounted source radiation detector arrangement 23 , 21 . The source radiation detector assembly 23 , 21 has an x-ray source 23 and an embodiment of a radiation detector according to the invention 21 on, which are aligned opposite one another so that, during operation, one of the focus of the X-ray source 23 outgoing X-rays on the radiation detector 21 meets. The radiation detector 21 comprises at least one readout unit according to the invention 150 , which is only indicated roughly schematically here. The radiation detector generates for each projection 21 a set of projection data. These projection data are then processed further and converted into a resulting image.

Die erfindungsgemäße Ausleseeinheit 150 kann beispielsweise ein Pixel des Strahlungsdetektors bilden. Sie kann aber auch in Verbindung mit einer Doppel-Photodiode als Phi-Z-Monitor in einem sog. „Low-Dose-Scan“ vor dem eigentlichen Bildgebungsprozess zur Ausregelung der Position des im Betrieb von der Röntgenquelle 23 ausgehenden Röntgenstrahls verwendet werden. Die Röntgenquelle 23 weist für diese Regelung die entsprechenden Einstellmöglichkeiten z. B. in Form von Blenden, Kollimatoren oder dergleichen auf (hier nicht gezeigt).The readout unit according to the invention 150 can for example form a pixel of the radiation detector. However, it can also be used in conjunction with a double photodiode as a Phi-Z monitor in a so-called “low-dose scan” before the actual imaging process to adjust the position of the X-ray source during operation 23 outgoing X-ray can be used. The X-ray source 23 shows the corresponding setting options for this scheme, e.g. B. in the form of diaphragms, collimators or the like (not shown here).

Ein solches Computertomographiegerät 20 wird bekanntermaßen zur 3D-Bildrekonstruktion eingesetzt. Zur Aufnahme eines Bildes von einem Untersuchungsgebiet (Region of Interest) werden bei Rotation der Quelle-Strahlungsdetektor-Anordnung 23, 21 Projektionsdaten aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen erfasst. Im Fall einer Spiralabtastung erfolgt während einer Rotation der Quelle-Strahlungsdetektor-Anordnung 23, 21 beispielsweise gleichzeitig eine kontinuierliche Verstellung des Patiententisches 25 in Richtung der Systemachse 26. Die Röntgenstrahlungsquelle 23 und der Strahlungsdetektor 21 bewegen sich bei dieser Art der Abtastung somit auf einer Helixbahn um den Patienten 24. Der genaue Aufbau und die konkrete Arbeitsweise eines solchen CTs sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht im Detail erläutert.Such a computed tomography machine 20th is known to be used for 3D image reconstruction. In order to record an image of an examination area (region of interest), upon rotation of the source radiation detector arrangement 23 , 21 Projection data captured from a variety of different projection directions. In the case of a spiral scan, the source radiation detector arrangement is rotated 23 , 21 for example, a continuous adjustment of the patient table at the same time 25th in the direction of the system axis 26th . The X-ray source 23 and the radiation detector 21 With this type of scanning move around the patient on a helical path 24 . The exact structure and the specific mode of operation of such a CT are known to the person skilled in the art and are therefore not explained in detail here.

Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. So können beispielsweise nicht nur Röntgen-Photodioden mit dem erfindungsgemäßen Vorverstärker verwendet werden, sondern beliebige Photodioden. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Einheit“ oder „Gerät“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.Finally, it is pointed out once again that the devices and methods described in detail above are merely exemplary embodiments which can be modified in the most varied of ways by the person skilled in the art without departing from the scope of the invention. For example, not only X-ray photodiodes can be used with the preamplifier according to the invention, but any photodiodes. Furthermore, the use of the indefinite article “a” or “an” does not exclude the possibility that the relevant features can also be present more than once. Likewise, the terms “unit” or “device” do not exclude the possibility that it consists of several components, which may also be spatially distributed.

Claims

A preamplifier (130) for a photodiode (101) comprising - A signal input (102) for a signal (S) of the photodiode (101), - A transimpedance amplifier (130) which is supplied with an asymmetrical operating voltage (U1, U2) and has a transimpedance amplifier output (131) and a first transimpedance amplifier input (102) which is designed as the signal input (102).

Preamplifier after Claim 1 , wherein a positive potential of the operating voltage (U1) applied to the transimpedance amplifier (130) is smaller in magnitude than a to the Transimpedance amplifier (130) is applied negative potential of the operating voltage (U2).

Preamplifier according to one of the preceding claims, wherein a positive potential of the operating voltage (U1) applied to the transimpedance amplifier (130) is less than 5V in terms of magnitude.

Preamplifier according to one of the preceding claims, wherein a negative potential of the operating voltage (U2) applied to the transimpedance amplifier (130) is greater than or equal to 4V in terms of amount.

Amplifier (100) with a preamplifier according to one of the preceding claims and a plurality of filters (110, 120) each with a first filter input (113) which is connected to the preamplifier output (131).

Amplifier after Claim 5 with exactly two filters (110, 120).

Amplifier after Claim 5 or 6th , wherein a first filter (110) greatly amplifies the signal (S) in a range around a neutral voltage, preferably an offset voltage (U _OFFSET ), and at least one second filter (120) amplifies the signal (S) in the remaining range .

Amplifier according to one of the Claims 5 until 7th , wherein the transimpedance amplifier (130) has a second transimpedance amplifier input (105) and the filters (110, 120) each have a second filter input (114), the second filter inputs (114) and the second transimpedance amplifier input (105) having a common offset Voltage (U _OFFSET ) are supplied.

Readout unit (150) for a photodiode (101) with an amplifier (100) Claim 8 and a number of AD converters (151) each having a first AD converter input (152), the first AD converter input (152) being connected to an associated filter output (117) of a filter (110, 120) and a second AD converter input is supplied with the common offset voltage (U _OFFSET ).

Radiation detector (21) comprising - a number of preamplifiers (130) according to one of the Claims 1 until 4th , a number of amplifiers (100) according to one of the Claims 5 until 8th or at least one readout unit (150) Claim 9 and - a number of photodiodes (101), each of which is connected to a signal input (102) of an associated preamplifier (130).

X-ray device (20), in particular CT device (20), with at least one radiation detector (21) Claim 10 .

A method for preamplifying a signal (S) of a photodiode (101) comprising at least the following steps: - Receiving the signal (S) at a signal input (102) of the preamplifier (130) and - Primary amplification of the received signal (S) by means of a transimpedance amplifier (130), the transimpedance amplifier (130) being supplied with an asymmetrical operating voltage (U1, U2).

Use of a preamplifier (130) according to one of the Claims 1 until 5 for X-ray imaging, in particular for position control of an X-ray beam when the tube current is low, with - a signal (S) from a photodiode (101) being received at a signal input (102) of the preamplifier (130), - the received signal (S) by means of a transimpedance amplifier (130) ) is primarily amplified, the transimpedance amplifier (130) being supplied with an asymmetrical operating voltage (U1, U2).