JP2004031658A

JP2004031658A - 信号増幅用集積回路

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Publication number: JP2004031658A
Application number: JP2002186100A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Yoshimuta; 吉牟田　利典; Susumu Adachi; 足立　晋
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】入力信号に応じた適切な増幅回路の消費電流となるように積極的に消費電流を可変することにより、入力信号を適切に増幅することができつつも、消費電流を抑制して発熱を軽減することができる。
【解決手段】入力される信号強度に応じてスイッチ切換え制御部３７が増幅回路ＣＳＡ，ＭＡ１，ＭＡ２の消費電流を可変する。その可変は、信号強度が強い場合には増幅度が低く設定され、ノイズの影響が小さいので消費電流を小さくし、信号強度が弱い場合には増幅度が高く設定され、ノイズの影響が無視できないのでノイズの影響が抑制できる大消費電流に設定するように行う。これにより、入力信号を適切に増幅することができつつも、消費電流を抑制して発熱を軽減することができる。
【選択図】　　　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光や放射線等を電荷に変換するための変換層を備え、電荷に応じた信号を増幅するための増幅回路を備えた信号増幅用集積回路に係り、医用放射線撮像装置や産業用非破壊検査装置などに用いられる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の信号増幅用集積回路は、増幅回路に対して十分な信号強度である場合には増幅度を小さく設定し、不十分な信号強度である場合には増幅度を大きく設定している。一般的に増幅回路は、入力される信号強度によって消費電流が若干変化することがあるものの、設定された増幅度によってその消費電流が大きく変化することはなく、ほぼ一定となっている。
【０００３】
例えば、医用放射線撮像装置においては、「透視」や「撮影」といった撮影手法があるが、これらはそれぞれ放射線の強度が異なるので、増幅度の設定を変えることが一般的である。
【０００４】
具体的には、「透視」の場合には、信号強度が弱いので増幅度を大きく設定するが、Ｓ／Ｎ比を向上させるために増幅回路には多くの消費電流を必要とする。増幅の際には、所要の信号だけでなく不要なノイズ成分までもが同様に増幅されてしまうので、増幅度を大きく設定する場合には消費電流を大きくして増幅回路自身のノイズを抑える。
【０００５】
一方、「撮影」の場合には、信号強度が強いので１倍や３倍程度の小さな増幅度に設定している。したがって、増幅回路は少ない消費電流でも十分なＳ／Ｎ比とすることができる。
【０００６】
このように医用技術においては、撮影手法に応じて増幅回路の増幅度が異なるが、一般的に信号増幅用集積回路は、両撮影手法に対応できるように、高い増幅度を要する「透視」に合わせて回路設計が行われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、従来の装置では、高い増幅度を要する「透視」に合わせて回路設計が行われている関係上、増幅回路の消費電流が高くなる。したがって、多くの電流が消費され、信号増幅用集積回路が発熱するだけでなく、この回路に電力を供給する電源自体も大型化するという問題がある。
【０００８】
例えば、変換層にはアモルファスセレン（ａ−Ｓｅ）という材料が用いられることが多いが、この物質は熱に弱く、４０数℃で結晶化することが知られている。したがって、消費電流の増大による信号増幅用集積回路の発熱は極めて問題となる。このような問題を回避するためには、ヒートパイプやファン等を取り付けるなど放熱対策を講じる必要があって、形状の巨大化、重量の増大、ひいては取り付け位置の制限が生じる。
【０００９】
この発明は、入力信号に応じた適切な増幅回路の消費電流となるように積極的に消費電流を可変することにより、入力信号を適切に増幅することができつつも、消費電流を抑制して発熱を軽減することができる信号増幅用集積回路を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、光や放射線を電荷に変換するための変換層からの信号を増幅する増幅回路を備えた信号増幅用集積回路において、入力される信号強度に応じて前記増幅回路の消費電流を可変する消費電流可変手段を備え、信号強度が強い場合には消費電流を小さくし、信号強度が弱い場合には消費電流を大きくすることを特徴とするものである。
【００１１】
（作用・効果）
一般的に、増幅回路における回路自身の消費電流とノイズは反比例の関係にあるので、消費電流を小さくすればノイズが増大し、消費電流を大きくすればノイズが減少する。このような増幅回路の特性を積極的に利用し、入力される信号強度に応じて消費電流可変手段が増幅回路の消費電流を可変する。その可変は、信号強度が強い場合には増幅度が低く設定され、ノイズの影響が小さいので消費電流を小さくし、信号強度が弱い場合には増幅度が高く設定され、ノイズの影響が無視できないのでノイズの影響が抑制できる大消費電流に設定するように行う。これにより、入力信号を適切に増幅することができつつも、消費電流を抑制して発熱を軽減することができる。よって、形状の巨大化、重量の増大を抑制することができ、取り付け位置の自由度を高めることができる。
【００１２】
また、前記増幅回路が複数段で構成され、前記消費電流可変手段は、全ての増幅回路の消費電流を可変することが好ましい（請求項２）。
【００１３】
（作用・効果）全ての増幅回路について消費電流を可変することにより、効率的に消費電流を抑制することができる。
【００１４】
また、前記増幅回路が複数段で構成され、前記消費電流可変手段は、一部の増幅回路に対する消費電流を遮断または供給することが好ましい（請求項３）。
【００１５】
（作用・効果）複数の増幅回路のうち、一部の増幅回路に対する消費電流を遮断または供給することにより、増幅回路全体としての消費電流を可変することができる。
【００１６】
また、前記消費電流可変手段は、入射する平均放射線強度にして１〜１０００ｍＲ／ｍｉｎの範囲の所定値を境にして消費電流を可変することが好ましい（請求項４）。
【００１７】
また、前記消費電流可変手段は、入力される信号強度に基づいて動作する制御スイッチを備えていることが好ましい（請求項５）。
【００１８】
（作用・効果）制御スイッチは、増幅回路の電源ライン等について導通・非道通を切換えることができ、消費電流を可変することができる。
【００１９】
なお、この明細書は、次のような信号増幅用集積回路についても開示している。
【００２０】
（技術的課題）通常、信号増幅用集積回路は、「透視」や「撮影」といった撮影手法に応じて増幅度が決められるので、信号増幅用集積回路はいずれか一方に適するように集積回路がそれぞれに製造されている。そのため少なくとも二種類の集積回路を作り込む必要があり、集積回路製造用のマスクが全マスクプロセス数の二倍必要となる。また、品種が異なるので、最初のプロセスから区別して管理する必要がある。
【００２１】
（１）光や放射線を電荷に変換するための変換層からの信号を増幅する増幅回路を備えた信号増幅用集積回路において、配線プロセス以前のプロセスを共通とし、入力される信号強度が強い場合には消費電流を小さくする配線パターンで製造し、入力される信号強度が弱い場合には消費電流を大きくする配線パターンで製造することを特徴とする信号増幅用集積回路。
【００２２】
（作用・効果）配線プロセス以前のプロセスを共通で製造し、配線プロセス（コンタクトホールの形成も含む）における配線用のマスクだけを異なるものとして作り分ける。つまり、入力される信号強度が強い場合には、消費電流を小さくする配線パターンで製造し、入力される信号強度が弱い場合には、消費電流を大きくする配線パターンで製造する。
【００２３】
これにより、そのため配線プロセスまでは共通のプロセスで製造することができ、マスクも配線用マスク以外を共通で使用することができる。したがって、配線プロセス以前においては、区別して管理しなくてもよく、管理を容易化することができる。
【００２４】
（２）上記の（１）において、前記配線パターンは、全ての増幅器における電源ラインの配線を形成することを特徴とする信号増幅用集積回路。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
図１ないし図３はこの発明の一実施例に係り、図１はＸ線撮影装置の概略構成を示したブロック図であり、図２Ｘ線フラットパネル検出器の概略構成を示す斜視図であり、図３はＸ線フラットパネル検出器の層構造を示す断面図であり、図３はＸ線フラットパネル検出器の周辺回路の構成を示すブロック図である。
【００２６】
天板１は、検査対象である被検体Ｍが載置されるものである。この天板１はＸ線透過材料などで構成されている。天板１を挟む位置には、Ｘ線管３とＸ線フラットパネル検出器５とが対向配備されている。
【００２７】
撮影制御部７は、Ｘ線管３からのＸ線照射を制御する照射制御部９を制御する。照射制御部９の制御は、撮影者によって操作されるキーボード１１やマウス１３からの指示に応じて、撮影制御部１１から出力される指令信号によって行われる。キーボード１１やマウス１３からは、「Ｘ線照射強度」と「増幅度」に関する情報が指示される。
【００２８】
上述したＸ線フラットパネル検出器５は次のように構成されている。
【００２９】
Ｘ線フラットパネル検出器５は、Ｘ線検出素子の配列として、例えば、横１５３６×縦１５３６（ｘ×ｙ）の正方形マトリックス構成が挙げられる。また、この平面寸法としては、縦横約４３ｃｍが例示される。外形としては平面形状を呈することから、胸部や腹部などの大きな部位を撮影するのに適した方形の検出面を構成させることが可能であること、視野周辺の歪みがほとんどなく高解像度であること、薄型・軽量であることなどの多くの利点を有する。
【００３０】
このように多くの利点を備えたＸ線フラットパネル検出器５の具体的な構成は、次のようなものである。
すなわち、入射Ｘ線を電荷あるいは光に変換するＸ線変換層１５と、このＸ線変換層１５で生じた電荷あるいは光を検出する素子が縦横にマトリックス状に配置されてなる検出アレイ層１７との積層構造を有する。
【００３１】
このＸ線フラットパネル検出器５としては、図３に示す構造を採用した直接変換タイプを例に採って以下に説明するが、Ｘ線変換層１５がシンチレータ層からなり、検出アレイ層１７の表面に形成されたフォトダイオードなどの光検出素子によって光検出を行い、コンデンサに電荷を蓄える構成の間接変換タイプであってもよい。
【００３２】
この発明の変換層に相当するＸ線変換層１５は、入射Ｘ線を直ちに電荷に変換するセレン層（アモルファスセレン層）やＣｄＺｎＴｅ層などから構成されている。その下層に位置する検出アレイ層１７の表面には電荷検出素子１９が形成されており、表面電極２１に対向形成された電荷収集電極により電荷の検出を行ってコンデンサＣ１に蓄電する構成となっている。上記各電荷検出素子１９と、その上層のＸ線変換層１５の一部と、上記コンデンサＣ１とが一つのＸ線検出素子ＸＤを構成している。
【００３３】
各Ｘ線検出素子ＸＤは、図４に示すように、それぞれＴＦＴ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２３を介して縦横に延出された読み出し配線Ｒ１，Ｒ２に接続されている。これらの読み出し配線Ｒ１，Ｒ２は、それぞれが横読み出し駆動部ＲＣ１または縦読み出し駆動部ＲＣ２に接続されており、これらには読み出し用の走査信号与えられる。Ｘ線フラットパネル検出器５に形成されている複数個のＸ線検出素子ＸＤを特定するには、横方向アドレスと縦方向アドレスを指定する縦・横の走査信号を出力すればよい。
【００３４】
横読み出し駆動部ＲＣ１及び縦読み出し駆動部ＲＣ２では、縦・横の走査信号にしたがって各々の読み出し配線Ｒ１，Ｒ２に読み出し用の電圧が印加されるのに伴って、各Ｘ線検出素子ＸＤから順にＸ線検出信号が出力信号として出力される。その際、ＴＦＴ２３及び読み出し配線Ｒ２を通り、さらにＸ線フラットパネル検出器５の後段に配備された、後述する信号収集部（２９）の各増幅器２５及びマルチプレクサ２７を経て、出力信号がＸ線検出データとして収集されることになる。
【００３５】
図１に戻る。
上記のように構成されたＸ線フラットパネル検出器５の後段には、データメモリを備えた信号収集部２９が配備されている。信号収集部２９は、Ｘ線フラットパネル検出器５で検出された透過Ｘ線の出力信号を記憶してゆく。そのときの記憶の仕方やＸ線フラットパネル検出器５の特定部分にあるＸ線検出素子ＸＤの指定にあたる制御は、信号収集部２９によって行われる。
【００３６】
信号収集部２９によって収集・記憶された透過Ｘ線の出力信号は、データ処理部３１によって処理される。このデータ処理部３１は透過Ｘ線の出力信号を処理対象とする。さらに処理部３１には、モニタ３３が接続されており、データ処理部３１によって処理されたデータに基づいて画像が出力可能に構成されている。
【００３７】
次に、図５を参照して、上述した検出アレイ層１７における増幅回路を含む周辺回路について説明する。なお、図５は、増幅回路を含む周辺回路を示し、（ａ）は消費電流が大きい設定であり、（ｂ）は消費電流が小さい設定である。また、上述した検出アレイ層１７は、この発明における信号増幅用集積回路に相当する。
【００３８】
各増幅器２５は、信号の入力側から順に、チャージセンシングアンプＣＳＡと、第１アンプＭＡ１と、第２アンプＭＡ２とを直列に備えている。各アンプＣＳＡ，ＭＡ１，ＭＡ２には、それぞれ制御スイッチ３５を介して電力が供給される。制御スイッチ３５は、二つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２を備え、一方が閉止の場合には他方が開放し、一方が開放の場合には他方が閉止するように動作する。
【００３９】
チャージセンシングアンプＣＳＡの電源ラインには、第１電源Ｖｃｃ１と第２電源Ｖｃｃ２が制御スイッチ３５を介して接続され、第１アンプＭＡ１の電源ラインには、第３電源Ｖｃｃ３と第４電源Ｖｃｃ４が制御スイッチ３５を介して接続され、第２アンプＭＡ２の電源ラインには、第４電源Ｖｃｃ４と第５電源Ｖｃｃ６が制御スイッチ３５を介して接続されている。各電源の奇数番号のものと偶数番号のものとでは、奇数番号（第１電源Ｖｃｃ１、第３電源Ｖｃｃ３、第５電源Ｖｃｃ５）の電源が、偶数番号（第２電源Ｖｃｃ２、第４電源Ｖｃｃ４、第６電源Ｖｃｃ６）の電源に比較して大電流を供給可能となっている。
【００４０】
具体的には、第１電源Ｖｃｃ１は消費電流Ｉ１、第２電源Ｖｃｃ２は消費電流Ｉ１、電源Ｖｃｃ３は消費電流Ｉ３、電源Ｖｃｃ４は消費電流Ｉ４、電源Ｖｃｃ５は消費電流Ｉ５、電源Ｖｃｃ６は消費電流Ｉ６を供給する。そして、消費電流Ｉ１，Ｉ３，Ｉ５＞消費電流Ｉ２，Ｉ４，Ｉ６となっている。なお、消費電流Ｉ２，Ｉ４，Ｉ６は、増幅器ＣＳＡ，ＭＡ１，ＭＡ２が動作するのに必要な最低限の電流に設定してある。
【００４１】
各制御スイッチ３５は、スイッチ切換え制御部３７によって制御される。このスイッチ切換え制御部３７には、撮影者によってキーボード１１等を介して設定された「Ｘ線照射強度」と「増幅度」に関する情報が撮影制御部７から与えられる。これらの情報に基づいて、スイッチ切換え制御部３７が各制御スイッチ３５のスイッチＳＷ１，ＳＷ２を切換える。Ｘ線平均照射強度としては、透視や撮影の双方に対応可能なように１〜１０００ｍＲ／ｍｉｎの範囲で設定されるが、この範囲内の所定値を境にして、後述するスイッチの切換が行われる。所定値としては、例えば、５〜１５ｍＲ／ｍｉｎが例示され、これより強い強度は撮影に利用され、弱い強度は透視に利用されるのが一般的である。もちろん、切換の設定が行われる所定値は複数あってもよく、消費電流の切換えスイッチも複数による多段切換であってもよい。さらには、制御スイッチ３５による段階的な切換ではなく、リニアに消費電流を変更する手段を用いることも可能である。
【００４２】
なお、上記のスイッチ切換え制御部３７がこの発明における消費電流可変手段に相当する。
【００４３】
動作を具体的に説明する。
「Ｘ線照射強度」が弱く、「増幅度」が高い場合には、図５（ａ）に示すように、スイッチ切換え制御部３７が各制御スイッチ３５をスイッチＳＷ１側に切換え、チャージセンシングアンプＣＳＡには大きな消費電流Ｉ１を供給し、第１アンプＭＡ１にも大きな消費電流Ｉ３を供給し、第２アンプＭＡ２にも大きな消費電流Ｉ５を供給する。つまり、入力される信号強度が弱い場合には、各アンプの消費電流が大きくなるようにする。
【００４４】
また、「Ｘ線照射強度」が強く、「増幅度」が低い場合には、図５（ｂ）に示すように、スイッチ切換え制御部３７が各制御スイッチ３５をスイッチＳＷ２側に切換え、チャージセンシングアンプＣＳＡには小さな消費電流Ｉ２を供給し、第１アンプＭＡ１にも小さな消費電流Ｉ４を供給し、第２アンプＭＡ２にも小さな消費電流Ｉ６を供給する。つまり、入力される信号強度が強い場合には、各アンプの消費電流が小さくなるようにする。
【００４５】
一般的に、増幅回路における回路自身の消費電流とノイズは反比例の関係にあるので、消費電流を小さくすればノイズが増大し、消費電流を大きくすればノイズが減少する。このような増幅回路の特性を積極的に利用し、入力される信号強度に応じてスイッチ切換え制御部３７が増幅回路ＣＳＡ，ＭＡ１，ＭＡ２の消費電流を可変する。その可変は、信号強度が強い場合には増幅度が低く設定され、ノイズの影響が小さいので消費電流を小さくし、信号強度が弱い場合には増幅度が高く設定され、ノイズの影響が無視できないのでノイズの影響が抑制できる大消費電流に設定するように行う。これにより、入力信号を適切に増幅することができつつも、消費電流を抑制して発熱を軽減することができる。よって、検出アレイ層１７の形状の巨大化、重量の増大を抑制することができ、取り付け位置の自由度を高めることができる。
【００４６】
また、上記のように各増幅器ＣＳＡ，ＭＡ１，ＭＡ２の全ての消費電流を可変することなく、図６に示すように消費電流を可変するようにしてもよい。
【００４７】
すなわち、チャージセンシングアンプＣＳＡには電源Ｖｃｃ１が固定的に接続され、第１及び第２アンプＭＡ１，ＭＡ２には、それぞれ電源Ｖｃｃ３，Ｖｃｃ５がスイッチＳＷ３，ＳＷ４を介して接続されている。また、チャージセンシングアンプＣＳＡの出力と第１アンプＭＡ１の入力と、第２アンプＭＡ２の出力は、スイッチＳＷ５を介してバイパスするように接続されている。各スイッチＳＷ３〜ＳＷ５は、スイッチ切換え制御部３７によって開閉が制御される。
【００４８】
動作を具体的に説明する。
「Ｘ線照射強度」が弱く、「増幅度」が高い場合には、図６（ａ）に示すように、スイッチ切換え制御部３７がスイッチＳＷ３，ＳＷ４を閉止するとともにスイッチＳＷ５を開放して、チャージセンシングアンプＣＳＡには大きな消費電流Ｉ１を供給し、第１アンプＭＡ１にも大きな消費電流Ｉ３を供給し、第２アンプＭＡ２にも大きな消費電流Ｉ５を供給する。つまり、入力される信号強度が弱い場合には、各アンプの消費電流が大きくなるようにする。
【００４９】
また、「Ｘ線照射強度」が強く、「増幅度」が低い場合には、図６（ｂ）に示すように、スイッチ切換え制御部３７がスイッチＳＷ３，ＳＷ４を開放するとともにスイッチＳＷ５を閉止して、チャージセンシングアンプＣＳＡには大きな消費電流Ｉ１で動作を継続させ、第１アンプＭＡ１及び第２アンプＭＡ２には大きな消費電流Ｉ３，Ｉ５の供給を遮断する。つまり、入力される信号強度が強い場合には、初段アンプＣＳＡのみを動作させ、他のアンプＭＡ１，ＭＡ２を非動作とする。
【００５０】
このように一部の増幅器に対する消費電流を遮断または供給するように制御しても上述した構成と同様の効果を奏する。
【００５１】
なお、この発明は上述した実施例に限定されるものではなく、以下のように変形実施が可能である。
【００５２】
（１）スイッチ切換え制御部３７は、「Ｘ線照射強度」と「増幅度」に関連する情報に基づいてスイッチを切換えるようにしたが、「Ｘ線照射強度」の情報だけに基づいてスイッチを切換えるようにしてもよいし、「増幅度」の情報のみに基づいてスイッチを切換えるようにしてもよい。
【００５３】
（２）上記の実施例では、Ｘ線に基づいて画像化する装置に配備された信号増幅用集積回路を例に採って説明したが、γ線等の他の放射線や光などに基づき変換した電荷を増幅する信号増幅用集積回路に配備されたものであってもこの発明を適用することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、増幅回路における回路自身の消費電流とノイズは反比例の関係という特性を積極的に利用し、入力される信号強度に応じて消費電流可変手段が増幅回路の消費電流を可変する。その可変は、信号強度が強い場合には増幅度が低く設定され、ノイズの影響が小さいので消費電流を小さくし、信号強度が弱い場合には増幅度が高く設定され、ノイズの影響が無視できないのでノイズの影響が抑制できる大消費電流に設定するように行う。これにより、入力信号を適切に増幅することができつつも、消費電流を抑制して発熱を軽減することができる。その結果、形状の巨大化、重量の増大を抑制することができ、取り付け位置の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｘ線撮影装置の概略構成を示したブロック図である。
【図２】Ｘ線フラットパネル検出器の概略構成を示す斜視図である。
【図３】Ｘ線フラットパネル検出器の層構造を示す断面図である。
【図４】Ｘ線フラットパネル検出器の周辺回路の構成を示すブロック図である。
【図５】増幅回路を含む周辺回路を示し、（ａ）は消費電流が大きい設定であり、（ｂ）は消費電流が小さい設定である。
【図６】増幅回路を含む周辺回路の他の例を示し、（ａ）は消費電流が大きい設定であり、（ｂ）は消費電流が小さい設定である。
【符号の説明】
１　…　天板
５　…　Ｘ線フラットパネル検出器
１５　…　Ｘ線変換層（変換層）
１７　…　検出アレイ層（信号増幅用集積回路）
２５　…　増幅器
ＣＳＡ　…　チャージセンシングアンプ
ＭＡ１　…　第１アンプ
ＭＡ２　…　第２アンプ
３５　…　制御スイッチ
Ｖｃｃ１〜６　…　第１〜第６電源
Ｉ１〜６　…　消費電流

Claims

光や放射線を電荷に変換するための変換層からの信号を増幅する増幅回路を備えた信号増幅用集積回路において、入力される信号強度に応じて前記増幅回路の消費電流を可変する消費電流可変手段を備え、信号強度が強い場合には消費電流を小さくし、信号強度が弱い場合には消費電流を大きくすることを特徴とする信号増幅用集積回路。
請求項１に記載の信号増幅用集積回路において、前記増幅回路が複数段で構成され、前記消費電流可変手段は、全ての増幅回路の消費電流を可変することを特徴とする信号増幅用集積回路。
請求項１に記載の信号増幅用集積回路において、前記増幅回路が複数段で構成され、前記消費電流可変手段は、一部の増幅回路に対する消費電流を遮断または供給することを特徴とする信号増幅用集積回路。
請求項１ないし３のいずれかに記載の信号増幅用集積回路において、前記消費電流可変手段は、入射する平均放射線強度にして１〜１０００ｍＲ／ｍｉｎの範囲の所定値を境にして消費電流を可変することを特徴とする信号増幅用集積回路。
請求項１ないし４のいずれかに記載の信号増幅用集積回路において、前記消費電流可変手段は、入力される信号強度に基づいて動作する制御スイッチを備えていることを特徴とする信号増幅用集積回路。