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Die
vorliegende Erfindung betrifft integrierte Schaltungen und insbesondere
eine Verbesserung des Kompromisses zwischen dem Rauschverhalten und
dem Leistungsverbrauch einer kundenspezifischen integrierten Schaltung.
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In
Anwendungen, wie beispielsweise Röntgenbildgebungsanwendungen,
die eine Verarbeitung analoger Kleinsignale mit niedrigem Rauschen
erfordern, wird häufig
ein Feldeffekttransistor (FET) oder eine Baugruuppe mit einem FET
als die Eingangsbaugruppe bzw. -vorrichtung gewählt. FET-Baugruppen weisen
gewünschte
Eigenschaften mit hoher Impedanz und niedrigem Rauschen auf. Es
ist bekannt, dass das Rauschen einer FET-Baugruppe, wenn sie richtig
unter Vorspannung gesetzt ist, zu der vierten Wurzel der Stärke des
Vorspannungsstroms (Biasstroms) des Kanals (der Source-Drain-Strecke) umgekehrt
proportional ist. Ein Weg zur Verbesserung des Rauschverhaltens
der Schaltung besteht dann darin, den Biasstrom durch den Eingangs-FET
zu erhöhen.
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Eine
Erhöhung
des Biasstroms vergrößert den
Leistungsverlust in einer zu dem Biasstrom direktproportionalen
Weise, was einen unerwünschten Nebeneffekt
darstellt. Dieser wird weiter verstärkt, wenn eine große Anzahl
unabhängiger
Kanäle
auf der Systemebene erforderlich ist, da der Leistungsverlust für das System
nun proportional zu der Anzahl der erforderlichen Kanäle steigt.
Jedoch wird diese erhöhte
Leistungsdissipation verschwendet, wenn die Schaltung in Verbindung
mit stärker
rauschbehafteten Eingangssignalen eingesetzt wird.
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In
Shin et al., „Design
of a Programmable Slew-rate Op Amp", IEEE Proc. Midwest Symposium an Circuits
and Systems, Vol. 1, Nr. Symp 37, 3. August 1994, Seiten 142–146, ist
ein Operationsverstärker
mit programmierbarer Anstiegszeit beschrieben, bei dem der Biasstrom
durch Programmierung verändert
wird. Es können
vier Schalter programmiert werden, damit sie in Kombination derart
funktionieren, dass sie den Strom in sechzehn Stufen verändern können.
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Es
wäre dann
erwünscht,
eine Einrichtung zur Auswahl eines rauscharmen Verhaltens oder eines
geringen Leistungsverlustes in dem analogen Eingang (Front End)
einer kunden bzw. anwendungsspezifischen integrierten Schaltung
zu haben. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es erwünscht, diejenige kundenspezifische
integrierte Schaltung anzuwenden, die die analoge Signalverarbeitung
für so
viele Anwendungen wie möglich
implementiert, wobei ein Schaltungsaufbau mehrere Probleme löst, anstatt eine
besondere Lösung
für jedes
Problem zu erfordern.
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Röntgenanwendungen
können
diagnostischer Natur, so dass sie hohe Eingangssignalpegel benötigen und
folglich eine geringere Kontrolle des Schaltungsrauschens erfordern,
oder fluoroskopischer Natur sein, so dass sie ein kleines Eingangssignal
mit Rauschen aufweisen und folglich eine verbesserte Schaltungsrauschkontrolle
erfordern. Wenn der Signalpegel vor der analogen Verarbeitung ermittelt
werden kann, sorgt die vorliegende Erfindung für eine Einrichtung zur Auswahl
zwischen niedriger Leistung oder niedrigem Rauschen für die Schaltung.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Signalverarbeitungsschaltung geschaffen, die
aufweist:
eine erste Stromquelle zur Lieferung eines ersten
minimalen Strompegels durch eine Eingangsvorrichtung;
eine
zusätzliche
Stromquelleneinrichtung zur Lieferung eines zweiten zusätzlichen
Stroms durch die Eingangsvorrichtung; und
eine Schalteinrichtung
zur Ein- und Ausschaltung der zweiten zusätzlichen Stromquelleneinrichtung
in die oder aus der Schaltung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schalteinrichtung eingerichtet ist, um den zweiten zusätzlichen
Strom zu liefern, wenn eine verstärkte Rauschkontrolle erforderlich
ist, und die zweite zusätzliche
Stromquelleneinrichtung aus der Schaltung abzuschalten, um Leistung
zu sparen, wenn eine verstärkte
Rauschkontrolle nicht erforderlich ist.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung werden zusätzliche Stromquellen, die das Rauschverhalten
der Schaltung verbessern, in die Schaltung eingeschaltet, wenn ein
besseres Rauschverhalten erforderlich ist, und sie werden in der Schaltung
abgeschaltet, um Leistung einzusparen, wenn ein schlechteres Rauschverhalten
toleriert werden kann.
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Auswahl
zwischen einem niedrigen Rauschverhalten und einer niedrigen Verlustleistung
für eine
kundenspezifische integrierte Schaltung zu schaffen. Diese hat den
Vorteil, dass sie Leistung einspart und die Wärmemenge für die Schaltung reduziert,
je nach den tatsächlichen Anforderungen
eines Benutzers.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der folgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen
zeigen:
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1 ein
schematisiertes Blockschaltbild der Differenzeingangsstufe einer
typischen analogen Signalverarbeitungsschaltung nach dem Stand der Technik
und
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2 ein
schematisiertes Blockschaltbild der Differenzeingangsstufe einer
Analogsignal-Verarbeitungsschaltung, die die Option zur Auswahl
zwischen einem niedrigen Rauschen und einer geringen Leistung entsprechend
der vorliegenden Erfindung enthält.
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In
Röntgenanwendungen
diagnostischer Art, die nur höhere
Strahlungsdosen einsetzen, wie beispielsweise der Mammographie,
radiographischen und zahnmedizinischen Anwendungen wäre es erwünscht, die
Schaltung im Hinblick auf einen niedrigen Leistungsverlust zu konfigurieren.
Da in derartigen Anwendungen die hohe Signalstärke, die von der hohen Röntgendosis
herrührt,
elektronisches Rauschen zu keinem großen Problem macht, braucht
das Rauschverhalten der Schaltung nicht verbessert zu werden, so
dass folglich der Vorspannungs- bzw. Biasstrom nicht erhöht werden
muss. Umgekehrt ist es in Röntgenanwendungen
fluoroskopischer Art erwünscht,
das elektronische Rauschniveau unterhalb des niedrigen Röntgenrauschens
zu halten. Somit ist es in diesen Anwendungen erforderlich, die
Schaltung für
ein viel kleineres Rauschen zu konfigurieren und eine Erhöhung des
Leistungsverlustes zu tolerieren. Eine Verbesserung des Rauschverhaltens
kann durch Vergrößerung des
Biasstroms und dadurch des Leistungsverlustes bewerkstelligt werden.
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Das
Vorstehende gilt ferner für
eine beliebige Anwendung, die Eingangssignale geringen Pegels umfasst,
so dass es für
Fachleute offensichtlich ist, dass das Konzept der vorliegenden
Erfindung nicht nur auf die Erfassung von Röntgenstrahlen beschränkt ist.
Eine Erfassung von geringen Pegeln von Licht, Schall oder sonstigen
Formen einer elektromagnetischen Energie und alle Kleinsignale könnten von
einer Realisierung der vorliegenden Erfindung profitieren.
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Indem
nun auf 1 Bezug genommen wird, ist dort
ein schematisiertes Blockschaltbild der Differenzeingangsstufe einer
typischen analogen Signalverarbeitungsschaltung 10 nach
dem Stand der Technik veranschaulicht. Wie es für Anwendungen, die eine Verarbeitung
von analogen Kleinsignalen mit niedrigem Rauschen erfordern, typisch
ist, weist die Schaltung zwei Eingangsvorrichtungen oder FETs 12 auf,
die Eigenschaften einer hohen Impedanz und eines niedrigen Rauschens
aufweisen. Die Schaltung weist ferner einen Differenzausgang 14,
eine Spannungsquelle 16, Biasstromquellen 18,
eine Differenzstromquelle 20 und eine Masse 22 auf.
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Wenn
der Biasstrom durch die FETs 12 erhöht wird, nimmt das Rauschniveau
ab. Wenn es erwünscht
ist, das Rauschverhalten der Schaltung zu verbessern, kann folglich
der Biasstrom 18 durch die FETs 12 erhöht werden.
Unglücklicherweise
vergrößert dies
wiederum die Verlustleistung direktproportional zu dem Biasstrom.
Wenn der Eingangssignal-Rauschpegel vor der analogen Verarbeitung,
entweder durch Erfassung oder anhand einer vorherigen Kenntnis der
speziellen Anwendung, bestimmt werden kann, liefert die vorliegende
Erfindung einen Weg, um zwischen einem Betriebspunkt mit hohem Biasstrom/niedrigem
Rauschen (rauscharmem Eingangssignal) und einem Betriebspunkt mit
geringer Leistung/höherem
Rauschen (mehr rauschbehaftetem Eingangssignal) zu wählen.
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Indem
nun auf 2 Bezug genommen wird, ist dort
ein schematisiertes Blockschaltbild der Differenzeingangsstufe einer
analogen Signalverarbeitungsschaltung 24 veranschaulicht,
die die Option zur Auswahl eines niedrigen Rauschens oder einer geringen
Leistung gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält.
Die Einrichtung zur Wahl zwischen niedrigem Rauschen oder geringer
Leistung weist drei zusätzliche
Stromquellen auf, von denen zwei identisch sind, N × Ibias,
26, und eine dritte, N × 2 × Ibias,
34, die sich von diesen unterscheidet, wobei jede mit einem Schalter 28 in
Reihe verbunden ist. Der Schalter 28 kann durch einen Logikeingang,
den Bias-Steuereingang 30 für die Schaltung 24,
gesteuert werden. Eine Steuerung wird in einer derartigen Weise
bewerkstelligt, dass sämtliche
Schalter 28 gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet sind.
Es sollte beachtet wer den, dass das Umschalten auf unterschiedliche
Weise, einschließlich,
jedoch nicht ausschließlich,
mit Festkörperbauteilen,
realisiert werden kann.
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In
Situationen mit geringem Eingangssignalpegel, wie beispielsweise
bei fluoroskopischen Röntgenanwendungen,
würden
alle Schalter 28 geschlossen sein, so dass der Biasstrom
der FETs 12 und damit gemeinsam die Verlustleistung höher wären, während das
Schaltungsrauschen kleiner wäre.
Dies ermöglicht
dem Bediener, das elektronische Rauschniveau unter dem Eingangssignal-Rauschpegel
zu halten.
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In
Situationen mit hohem Eingangssignalpegel, wie beispielsweise bei
radiographischen Röntgenanwendungen,
würden
alle Schalter 28 offen sein, was einen kleineren Biasstrom,
einen kleineren Leistungsverlust, jedoch ein höheres Rauschen ergibt. Jedoch
ist das Rauschniveau der Schaltung in derartigen Situationen weniger
relevant, da der hohe Rauschpegel des Eingangssignals größer als
das Schaltungsrauschen ist.
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Die
beiden Eingangs-FETs 12 nach 1 können als
Vorrichtungen mit variabler Impedanz bezeichnet werden, deren Impedanz
durch die Spannung zwischen dem Gate-Anschluss (dem Eingangs- bzw.
Masseanschluss für
den linken bzw. den rechten FET) und dem gemeinsamen Source-Anschluss beider
FETs gesteuert ist. Der Source-Anschluss jeder dieser beiden Vorrichtungen
ist an denselben Knoten, nämlich
denjenigen des positiven Endes der Differenzstromquelle 20 angebunden.
Beide diese Vorrichtungen weisen folglich identische Referenzspannungen
auf. Außerdem
kann die Summe der durch die beiden Eingangs-FETs 12 zugelassenen Ströme lediglich
2 × Ibias
betragen. Das Ausgangssignal ist durch die Spannungsdifferenz zwischen
den Drain-Anschlüssen
der beiden FETs 12 gebildet. Die Spannung an einem Drain-Anschluss
ist das Produkt aus der Impedanz dieses FETs, wie sie durch die Gate-Spannung
bestimmt ist, und dem Source-Drain-Strom (Ibias), zuzüglich der
Quellenspannung. Wenn man den Ausgang in Differenzform betrachtet,
subtrahiert sich die Quellenspannung (als Gleichtaktspannung) heraus.
Da die FETs 12 hinsichtlich ihres Aufbaus identisch sind
und beide denselben Source-Drain-Strom (Ibias) aufweisen, ist die differenzielle
Ausgangsspannung zu der Spannungsdifferenz zwischen den Gate-Anschlüssen der
beiden FETs 12 oder in dem Fall nach 1 der
Spannungsdifferenz zwischen dem Eingang und der Masse proportional.
Im Allgemeinen werden die Bias- und Differenzströme passend zu der erwarteten
Lastimpedanz sowie weiteren gewünschten
Leistungseigenschaften der Schaltung, wie beispielsweise Rauschen,
Bandbreite, Verstärkung
und Verlustleistung, gewählt.
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Die
Schaltung nach 2 unterscheidet sich darin,
dass die Bias- und Differenzströme
zwischen Ibias und (N + 1) × Ibias
bzw. 2 × Ibias
und (N + 1) × 2 × Ibias
wählbar
sind. Da die vorliegende Erfindung in Bezug auf die Eingangsstufe
einer differenziellen analogen Signalverarbeitungsschaltung beschrieben ist,
werden alle Stromquellen beim Umschalten zwischen dem rauscharmen
und dem leistungsarmen Betriebsmodus um ein proportionales Maß vergrößert oder
verringert. Somit wird eine zusätzliche Stromquelle
gemeinsam mit einem Steuerschalter in 2 für jede der
in 1 dargestellten Stromquellen vorhanden sein.
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Wenn
die Signalverarbeitungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
als Teil einer anwendungs- bzw. kundenspezifischen integrierten
Schaltung hergestellt ist, ermöglicht
die Schaltung es, entweder auf rauscharme oder leistungsarme Anwendungen
angewandt zu werden. Dies hat aufgrund der Wirtschaftlichkeit durch
Massenproduktion kostengünstigere
Lösungen
zur Folge. Außerdem
ergibt die Signalverarbeitungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wenn sie auf Anwendungen angewandt wird, die sowohl eine geringe
Leistung als auch ein niedriges Rauschen erfordern, eine Lösung, die,
abgesehen wenn eine höhere
Leistung erforderlich ist, weniger Leistung verbraucht.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf Röntgenanwendungen
beschrieben worden ist, ist es für Fachleute
offensicht lich, dass das Konzept der Bereitstellung einer Einrichtung
zur Auswahl zwischen einem niedrigen Leistungsverlust und einem
niedrigen Rauschen auf vielfältige
weitere Anwendungen anwendbar ist. Außerdem kann die tatsächliche
Auswahleinrichtung verändert
oder modifiziert werden, ohne dass von dem Rahmen der Erfindung
abgewichen wird. Beispielsweise können in Abhängigkeit von der gewünschten
analogen Signalverarbeitung andere Implementierungen, einschließlich unsymmetrischer,
einpolig geerdeter Schaltungen und anderer Schaltungen, die andere
Eingangsvorrichtungen, wie beispielsweise bipolare Sperrschichttransistoren (BJCs)
und JFET-Transistoren, verwenden, möglich sein.