JP2000505927A - リセット電荷補償回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 関連リセット・スイッチ（３０）のオン／オフにより発生した電荷を吸収するための補償回路を含む電荷−電圧コンバータ（１７−ｊ）。上記補償回路は、上記リセット・スイッチ（３０）の固有容量をバランスさせる寄生容量（６０）を提供する。上記補償回路は、上記リセット・スイッチから逆相で動作し、そのため、上記リセット・スイッチが放電中は、上記補償回路は充電し、またその逆が行われる。本発明は、さらに、上記補償回路を駆動する信号のレベルを調整するための電圧レベル調整装置（５６）を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 リセット電荷補償回路 関連技術 本出願は、下記出願に関連する。すなわち、ハンス・ウィードンおよびロジャ ー・フィンチの、「電荷−電圧コンバータの入力を自動的にゼロ復帰するための 装置および方法」という名称の米国特許出願０８／５９４，１２２（弁理士整理 番号ＡＮＡ５１）；エンリコ・ドラザ、ハンス・ウィードンおよびロジャー・フ ィンチの「電荷−電圧コンバータの出力を自動的にゼロ復帰するための装置およ び方法」という名称の米国特許出願０８／５９４，４２６（弁理士整理番号ＡＮ Ａ−５２）；およびエンリコ・ドラザおよびロジャー・フィンチの「連続自己校 正データ取得システム」という名称の米国特許出願０８／５９４，４２４（弁理 士整理番号ＡＮＡ−５４）に関する。上記米国特許出願は、すべて本出願と同じ 日付で出願されたもので、すべて引用によって本明細書の記載に援用する。 発明の分野 本発明は、概して、電荷−電圧コンバータへの入力をリセットするための装置 に関し、特に非常に振幅の小さい入力信号と一緒に使用するための上記装置に関 する。 発明の背景 ディジタルまたはコンピュータ放射線写真法は、Ｘ線の潜像がＸ線フィルム上 ではなく、特殊基板またはプレート上に形成される周知の技術である。コンピュ ータ放射線写真法のある方法の場合には、潜像は、レーザにより走査され、各画 像ピクセルが電気電荷として読み取られる。各ピクセル上の電荷は、通常、非常 に小さい、すなわち、数ピコクーロン全スケール程度である。このような小さな 信号を正確に読み取るには、感度のよい装置を必要とし、また非常に小さなノイ ズ源でも抑制しなければならない。 上記の小さな信号を測定しなければならないが、コンピュータ放射線写真法は 、いくつかの理由によりＸ線フィルムより優れている。上記基板は、通常、消去 可能で、再使用することができる。しかし、Ｘ線フィルムの場合にはそれができ ない。第二に、身体検査の場合には、予め定めたレベルのＸ線エネルギー、すな わち、Ｘ線源に電力を供給するためのピーク電圧および最大ミリアンペアの電流 が必要であり、パルスＸ線源の場合には、パルスＸ線源を駆動するために各パル スを一定時間継続しなければならない。Ｘ線による露出のパラメータが正しく設 定されていないと、Ｘ線フラックスとフィルム・ダイナミック・レンジとの間の 不整合により、フィルム上に記録されたＸ線画像が、露出不足または露出過度に なる傾向があり、その結果、画像の品質が悪くなり正しい診断を行うことができ ない。 コンピュータ放射線写真法のさらにもう一つの利点は、基板に形成された潜像 から得られる情報を、そのままディジタル・データ・ファイルとして形成するこ とができることである。それ故、上記データは、メモリ内に容易に記憶し、保管 することができ、Ｘ線フィルムに含まれている情報より、もっと容易に転送する ことができることである。それ故、空間周波数濾過および他の画像強化技術のよ うな、種々のディジタル処理アルゴリズムおよび技術を利用することができるよ うになり、データの処理がもっと容易になる。 少なくともある種の基板材料を使用した場合の、コンピュータ放射線写真法の 四番目の利点は、Ｘ線の線量を減らすことができることである。何故なら、上記 基板材料が標準Ｘ線フィルムより高いＤＱＥを持っているからである。 米国においては、画像を再度撮影（「リコール」）しなければならないほど品 質の悪い、フィルム上の記録画像の百分率は、約２０％と推定されている。放射 線写真技師は、Ｘ線技術者の知識が少なく技術も劣っているので、この数字はさ らに増大するだろうと考えている。一方、コンピュータ放射線写真法の場合には 、プレート上の潜像のピクセルを表す信号を、十分広いダイナミク・レンジ内で ディジタル化することができるので、Ｘ線画像を再度撮影する必要はない。 コンピュータ放射線写真法のある実施形態の場合には、露出したＸ線プレート は、例えば、レーザ・ビームにより走査され、プレートの各ピクセル形成領域が 、読み取った全電荷を電荷−電圧コンバータに集めることができるように、積分 窓と呼ばれる、３０〜７０マイクロ秒の間読み取られる。その結果得られる電圧 は、その後、通常、ディジタル・フォーマットに変換され、記憶、処理および表 示される。各プレートから通常数百万のピクセルを、一本の情報チャンネルにシ ーケンシャルに読み取るのは、明らかに非常に時間が掛かる作業である。プレー トを読み取るために、複数（例えば、６４）のチャンネルまたは電荷−電圧コン バータを使用すれば、Ｘ線プレートを読取るのに必要な時間をかなり短縮するこ とができる。 すでに説明したように、コンピュータ放射線写真法の場合には、ノイズを抑制 しなければならない。何故なら、個々のピクセルの信号レベルは、非常に小さく なる傾向があるからである。例えば、実際、従来の設計の場合には、通常無視さ れるある種のノイズ源からのノイズすら抑制しなければならない。コンピュータ 放射線写真法システムのノイズまたは寄生電荷の不確実性の一つの重要な発生源 は、電荷−電圧コンバータに関連するリセット構成部品によるものである。すで に説明したように、一つのピクセルは、積分窓と呼ばれる時間の間、電荷−電圧 コンバータ上に、そのピクセルに溜った電荷を自由に蓄積させることにより読み 出される。積分窓の終わりに、電荷−電圧コンバータの出力のところに発生した 電圧は、そのピクセル上に溜った電荷を表す。その後、電荷−電圧コンバータは 「リセット」または「クリア」され、このリセット動作中、従来技術によるシス テムは、通常、リセット回路で使用するスイッチの固有の容量による、少量の電 荷を電荷−電圧コンバータに注入する。注入電荷の量は、小さいけれども、ピク セル値と比較すれば有意な量である。 それ故、コンピュータ放射線写真法のプレートからピクセル値を正確に読み取 るには、リセット回路により、電荷−電圧コンバータに注入される電荷を補償す ることが重要である。 発明の目的 従って、本発明の主な目的は、上記問題の解決する装置を提供することである 。 本発明の他の目的は、関連リセット回路の不確実さを抑制する電荷−電圧コン バータを提供することである。 本発明のさらに他の目的は、上記リセット回路の漂遊容量による電荷注入の影 響を低減するための、補償回路を含む電荷−電圧コンバータを提供することであ る。 本発明さらに他の目的は、リセット回路の漂遊容量の温度プロファイルにマッ チする、容量性装置を有する電荷−電圧コンバータを提供することである。 本発明のさらに他の目的は、リセット回路の漂遊容量と逆相の容量性負荷を駆 動する、電荷−電圧コンバータを提供することである。 本発明の他の目的および利点は、添付の図面とその説明を読めば明らかになる 。 発明の概要 上記および他の目的は、リセット回路で使用されている電界効果トランジスタ （ＦＥＴ）スイッチとは逆相の、補償ＦＥＴスイッチを含む電荷−電圧コンバー タにより達成される。上記補償ＦＥＴは、リセットＦＥＴの寄生容量に関連する 寄生容量を持つ。二つのＣＦＥＴスイッチを逆相で動作させることにより、一方 のＦＥＴを充電している時、確実に他方のＦＥＴは放電する。それ故、リセット ＦＥＴのオン／オフによるすべての電荷の注入は、補償ＦＥＴによる電荷の吸収 により補償されるし、またその逆のプロセスも行われる。 他の実施形態の場合には、補償回路は、補償ＦＥＴを駆動している信号の電圧 レベルを調整するための電位計を含むことができる。このレベル調整により、補 償回路は、リセットＦＥＴが注入した電荷、および電荷−電圧コンバータに存在 するかも知れない、他の漂遊容量を補償することができる。 図面の簡単な説明 本発明の性質および目的をよりよく理解するためには、添付の図面を参照しな がら下記の詳細な説明を読んでほしい。図面中、類似の番号は類似の部品を表す 。 図１は、従来技術の電荷−電圧コンバータの、簡単な部分ブロック図である。 図２は、図１の電荷−電圧コンバータで使用される、ＦＥＴリセット・スイッ チ用の等価回路の略図である。 図３は、本発明の電荷−電圧コンバータの、簡単な部分ブロック図である。 図４は、本発明の好適な電荷−電圧コンバータの、簡単な部分ブロック図であ る。 図５は、図４の電荷−電圧コンバータで使用される、ＦＥＴ補償スイッチの等 価回路の略図である。 図面の詳細な説明 図１は、Ｎ個の同じ電荷−電圧コンバータ１５の一組に接続している、コンピ ュータ放射線写真法のプレート１２である。コンピュータ放射線写真法のプレー トは、通常、ピクセルがマトリックスの形に配列されている。ある好適な実施形 態の場合には、プレート１２は、ピクセルの約５，０００の横列とピクセルの約 ４，０００の縦列を含む。プレート１２をＸ線で照射すると、プレート１２の各 ピクセルは、ピクセルを照射したＸ線の量を示す電荷を蓄積する。ピクセル・デ ータは、その後、一組のＮ本の情報チャンネルにより、プレート１２から読み出 されるが、各情報チャンネルは一つの電荷−電圧コンバータを含む。通常、各情 報チャンネルは、予め定めた数のピクセル・データ・コラムの読み出し専用に使 用される。 図１は、ｊ番目の電荷−電圧コンバータ１５−ｊの詳細図である。従来技術の コンバータ１５は、各ピクセルの数値を表す入力信号を受信するための、通常の 反転入力ターミナル２２と、非反転入力ターミナル２４と、出力ターミナル２６ と、ターミナル２６および２２の間の負のフィードバック経路に接続している、 積分コンデンサ２８と、コンデンサ２８に並列接続している電界効果トランジス タ（ＦＥＴ）リセット・スイッチのようなスイッチ手段とを備える、周知の積分 演算増幅器２０のような積分装置を含む。この場合、スイッチ３０のソースおよ びドレインは、上記コンデンサ２８の両端に接続し、ゲートはリセット制御ライ ン５２に接続している。 出力２６のところで発生したアナログ信号は、通常、フィルタ３２に送られ、 その出力はアンプ３４の入力に接続している。上記アンプからのアナログ出力信 号は、好適には、Ａ／Ｄコンバータ３６により、ディジタル信号に変換するのが 好ましい。アンプ３４は、Ａ／Ｄコンバータ３６にマッチするように、電圧を調 整する働きをする。Ａ／Ｄコンバータ３６の出力は、通常、ディジタル的に濾過 され、例えば、ディスプレイまたは通信装置（図示せず）に送られる。後処理構 成部品３２、３４、３６は、多重化装置を通して、すべてのＮ個の情報チャンネ ルにより共有することもできるし、別な方法としては、各情報チャンネルは、そ れ自身の一組の構成部品を含むこともできる。 反転入力２２は、コンピュータ放射線写真法のプレート１２に接続していて、 非反転入力２４は、アースに接続している。動作中、リセット・スイッチ３０が オフの状態（すなわち、高インピーダンス状態）で、反転入力２２は、通常、ピ クセルをレーザにより走査することにより、一つのピクセルに接続し、それによ り、そのピクセルの電荷は、積分窓と呼ばれる時間の間、コンデンサ２８に蓄積 することができる。積分窓の終了時、演算増幅器２０は、そのピクセルの電荷を 示すアナログ電圧信号を出力２６のところで発生する。 コントローラ５０は、リセット制御ライン５２を通して、リセット・スイッチ ３０にリセット制御信号を送る。各積分窓の終了時に、コントローラは、スイッ チ３０をオン（すなわち、低インピーダンス状態）にして、コンデンサ２８に蓄 積した電荷をクリアする。このリセット動作の後で、コントローラ５０は、スイ ッチ３０をオフにし、その結果、コンバータ１５は、次のピクセル値を読み取る ことができる。コントローラ５０としては、適当にプログラムしたコンピュータ 、プロセッサ等を使用することができる。 従来技術のコンバータ１５は、リセット・スイッチ３０のゲート−ソース間の 固有の容量に関連した欠点を持つ。この固有の容量により、リセット・スイッチ ３０がオン／オフされる度に、遷移信号または電荷が、反転入力２２に接続して いるノードに注入される。この注入された電荷は少ないが、ピクセル当たりの平 均電荷が非常に小さく、プレート１２は密度の高い容量性マトリックスであるの で、注入された電荷は、従来技術のコンバータ１５にとっては重要な不確実性の 原因になる。 図２は、ＦＥＴリセット・スイッチ３０の等価回路である。図２に示すように 、ＦＥＴスイッチ３０のオン／オフによる電荷の注入を調査するためには、スイ ッチ３０を直列に接続している二つのコンデンサ、すなわち、ゲート−ソース容 量７２およびゲート−ドレイン容量７４としてモデル化するのが効果的である。 ＦＥＴスイッチは、基本的には対称であるので、数値的には容量７２は、ほぼ容 量７４に等しく、両方の容量は、通常、１ピコファラッドの半分程度である。 積分窓の開始時に、スイッチ３０のゲートに高電圧（通常、約５ボルト）を掛 けて、コンバータ５０がスイッチ３０をオフにすると、少量の電荷がゲートーソ ース容量を通して、反転入力２２に接続しているノードに注入される。同様に、 スイッチ３０のゲートに低電圧（通常、ゼロボルトに近い電圧）を掛けて、コン バータ５０がコンバータ１５−ｊをリセットすると、ゲート−ソース容量７２が 、反転入力２２に接続しているノードから少量の電荷を吸収する。これら電荷は 、まとめて、「切り替え電荷」と呼ぶことができる。何故なら、従来技術のコン バータ１５は、補償回路を持たないので、これら切り替え電荷が、ピクセル数値 の測定を不確実なものにする。 図３は、切り替え電荷補償回路を含む、本発明の電荷−電圧コンバータの一実 施形態である。図１と同じように、プレート１２からデータを読み出すために、 一組のＮ本の情報チャンネルが使用され、各チャンネルは、一つの電荷−電圧コ ンバータ１６を含む。上記コンバータ１６は、コンバータ１５（図１に示す）に 類似しているが、他にインバータ５４およびコンデンサ５５を含む。ＦＥＴスイ ッチ３０のゲートを駆動する他に、リセット制御ライン５２は、またインバータ ５４の入力を駆動する。インバータ５４の出力は、コンデンサ５５の一方の電極 を駆動し、コンデンサ５５の他方の電極は、演算増幅器２０の反転入力２２に接 続している。 インバータ５４は、ＦＥＴリセット・スイッチ３０から逆相で、コンデンサ５ ５を駆動するので、コンデンサ５５は、切り替え電荷を補償する。切り替え電荷 は逆相で駆動されるので、ゲート−ソース容量７２（図２に示す）が放電してい る場合は何時でも、コンデンサ５５は、充電中である。同様に、ゲート−ソース 容量７２が充電中である場合は何時でも、コンデンサ５５は放電中である。さら に、コンデンサ５５は、ゲート−ソース容量７２に等しくなるように選択され、 その結果、コンデンサ５５は、スイッチ３０がオフになったとき、容量７２が放 電するのと同じ量の電荷を吸収し、同様に、スイッチ３０がオンになったとき、 容量７２が吸収するのと同じ量の電荷を放電する。コンデンサ５５は、ＦＥＴス イッチ３０の寄生ゲート−ソース容量に正確にマッチし、補償する寄生容量とし て機能する。電荷−電圧コンバータ１６は、それ故、切り替え電荷に関連する不 確実性を抑制する。 コンバータ１６−ｊに関連する一つの問題は、スイッチ３０のゲート−ソース 容量７２に正確にマッチする、個々のコンデンサ５５を見つけることが難しいと いうことである。さらに、ゲート−ソース容量７２は、温度に従って変化するの で、ゲート−ソース容量７２の温度プロファイルに、正確にマッチする温度プロ ファイルを持つ、個々のコンデンサ５５を見つけることがさらに難しくなる。 図４は、本発明の電荷−電圧コンバータ１７の好適な実施形態である。図３の 場合のように、一組のＮ本の情報チャンネルが、データをプレート１２から読出 すのに使用されるが、各チャンネルは一つの電荷−電圧コンバータ１７を含む。 コンバータ１７の場合には、コンデンサ５５の代わりに、ＦＥＴ６０および電圧 レベル調整装置５６が、使用されているという点を除けば、コンバータ１７は、 コンバータ１６（図３に示す）に類似している。電圧レベル調整装置は、電位差 計の形をしているが、どのようなレベル調整装置であってもよい。インバータ５ ４の出力は、電位差計５６の一方の端部を駆動し、その他方の端部はアースして いる。電位差計５６のセンター・タップ５８は、ＦＥＴ６０のゲートに接続して いる。ＦＥＴ６０のドレインとソースは、一緒に接続していて、また演算アンプ ２０の反転入力２２に接続している。 図５はＦＥＴ６０の等価回路である。ドレインおよびソースは一緒に接続して いるので、ＦＥＴ６０は、ゲート−ドレイン容量７８に並列に接続している、ゲ ート−ソース容量７６でモデル化される。ＦＥＴスイッチ３０の場合と同様に、 容量７６および７８は等しく、それぞれが１ピコファラッドの半分程度である。 それ故、ＦＥＴ６０は、スイッチ３０のゲート−ソース容量７２の二倍の等価容 量を供給する。 ＦＥＴ６０は、ゲート−ソース容量７２の二倍の容量を持っているので、ＦＥ Ｔ６０は、そのゲートを駆動する電圧が係数２だけ減少する場合には、スイッチ ３０に関連する切り替え電荷を補償するだけである。電位差計５６は、ＦＥＴ６ ０のゲートを駆動する電圧を必要なレベルに下げるために使用される。理論的に は、ＦＥＴ６０のゲートを駆動する電圧は、正確に係数２だけ下げなければなら ないが、実際には、他の漂遊容量のような、回路の他の固有の特性を補償するた めには、通常、係数２から少しずれているのが好ましい。電位差計５６は、上記 電圧を理想的なレベルに設定するのに十分な柔軟性を持つ。 ＦＥＴ６０およびＦＥＴ３０は、好適には、同じプロセスにより製造するのが 好ましいので、ＦＥＴ６０の固有の容量の温度プロファイルは、ＦＥＴ３０の温 度プロファイルにマッチする。それ故、ＦＥＴ６０は、ＦＥＴ３０による切り替 え電荷を有効に補償し、コンバータ１７は、切り替え電荷に関連する不確実性を 低減する。 本発明の電荷−電圧コンバータの他の実施形態の場合には、図４に示すように 、ドレインおよびソースを一緒に接続するのではなく、ＦＥＴ６０のドレイン（ またはソース）を接続しないままにし、ＦＥＴ６０のソース（またはドレイン） を接続したままにしておく。この実施形態の場合には、ＦＥＴ６０による容量は 、係数２による容量７２以上にはならないで、ＦＥＴ３０のゲート−ソース容量 ７２に等しい。容量が等しいので、電位差計５６による電圧調整は必要ない。 しかし、図４のコンバータ１７は、十分正確である。何故なら、ＦＥＴ６０が ＦＥＴ３０のゲート−ソース容量７２より大きい容量を提供するからである。こ れにより、導入された寄生容量は、確実にＦＥＴスイッチ３０の、ゲート−ソー ス容量７２とバランスするだけの十分な大きさになり、さらに、ＦＥＴ６０は、 電位差計５８を正しく調整することにより、コンバータに存在するかも知れない 他の漂遊容量を補償することができる。 本明細書に記載した本発明の範囲から逸脱することなしに、上記装置で種々に 変更を行うことができるので、上記説明に記載し、添付の図面に図示したすべて のものは、例示としてのもので、本発明を制限するものではないと解釈されたい 。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．放射線を検出し、コンバータの入力に送られ、また検出した放射線の強度 を表す電荷の関数として、コンバータの出力のところで、出力信号を供給するた めの装置と一緒に使用するための電荷−電圧コンバータであって、該コンバータ の入力を該コンバータの出力に選択的に接続し、それにより前記入力に加えられ た電荷を入力からクリアするリセット・スイッチを含み、該コンバータが、さら に、 第一の電荷が、前記リセット・スイッチをオフにした時に発生する場合に、前 記第一の電荷を吸収するための補償手段を備える電荷−電圧コンバータ。 ２．請求項１に記載の電荷−電圧コンバータにおいて、前記補償手段が、さら に第二の電荷を発生するための手段を含み、前記第二の電荷が前記リセットスイ ッチをオンにしたとき、前記リセット・スイッチにより吸収される電荷−電圧コ ンバータ。 ３．請求項１に記載の電荷−電圧コンバータにおいて、さらに、第一の制御信 号を発生し、また前記第一の制御信号を、前記リセット・スイッチを選択的にオ ン／オフするために、前記リセット・スイッチの制御装置に接続するための手段 を含み、前記リセット・スイッチをオンにすると、前記コンバータの入力と前記 コンバータの出力とを一緒に接続し、前記スイッチをオフにすると、前記コンバ ータの入力と前記コンバータの出力とが切り離される電荷−電圧コンバータ。 ４．請求項３に記載の電荷−電圧コンバータにおいて、さらに第二の制御信号 を発生するための手段を含み、前記補償手段が、前記コンバータの入力に接続し ている、第一のターミナルを有し、また前記第二の制御信号を受信するために接 続している、第二のターミナルを有する容量性装置を備える電荷−電圧コンバー タ。 ５．請求項４に記載の電荷−電圧コンバータにおいて、前記容量性装置が、ソ ースおよびドレインを有する、第一のＦＥＴスイッチを備え、前記第一のＦＥＴ スイッチの、ドレインおよびソースが一緒に接続し、前記第一のＦＥＴスイッチ のゲートが、前記第二の制御信号を受信するために接続している電荷−電圧コン バータ。 ６．請求項５に記載の電荷−電圧コンバータにおいて、前記リセット・スイッ チが第二のＦＥＴスイッチを備える電荷−電圧コンバータ。 ７．請求項５に記載の電荷−電圧コンバータにおいて、前記第二の制御信号を 発生するための前記手段が、インバータを備える電荷−電圧コンバータ。 ８．請求項７に記載の電荷−電圧コンバータにおいて、前記第二の制御信号を 発生するための前記手段が、さらに、二つのターミナルと一つのタップとを有す る電位差計を備え、前記インバータが、前記電位差計の一方のターミナルを駆動 し、前記他の電位差計ターミナルがアースに接続していて、前記タップが、前記 第一のＦＥＴスイッチの前記ゲートを駆動する電荷−電圧コンバータ。