KR101725063B1 - X선 검출기의 리드아웃 회로 - Google Patents

X선 검출기의 리드아웃 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 X선 검출기의 리드아웃 회로에 관한 것으로, 픽셀로부터 출력되는 전기신호를 저장하는 데이터 라인 커패시터, 상기 픽셀로부터의 전기신호를 증폭하는 증폭기 및 상기 픽셀의 출력단에 연결된 가변 전류 부하를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

X선 검출기의 리드아웃 회로{READOUT CIRCUIT OF X-RAY DETECTOR}
본 발명은 X선 검출기의 리드아웃 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류 부하를 구비한 X선 검출기의 리드아웃 회로에 관한 것이다.
X선 검출기는 X선 신호를 검출하여 전기적인 신호로 변환하는 장치로서, 포토다이오드(photodiode)를 사용하여 X선 신호를 전기적인 신호로 변환하는 것이 일반적이다.
즉 포토다이오드의 앞에 위치한 신틸레이터(scintillator)나 형광체(phosphor)가 엑스선을 흡수하고 이에 따른 가시광을 방출하면, 포토다이오드는 이러한 가시광을, 그 양에 비례하는 광전류로 변환하며, 이렇게 변환된 광전류를 측정하여 X선을 검출할 수 있다.
일반적인 X선 검출기는 이러한 포토다이오드를 포함하는 픽셀(pixel)을 복수개 구비하고 있으며, 이러한 픽셀들은 보통 매트릭스(matrix)의 형태로 배치되어 X선을 검출한다.
또한 X선 검출기는 이러한 픽셀들 중 신호가 수집될 하나의 행을 순차적으로 선택하는 게이트 드라이버 및 이렇게 선택된 행의 픽셀들로부터 신호를 수집하는 리드아웃 회로를 포함하여 검출된 X선의 세기를 읽어낼 수 있으며, 리드아웃 회로를 통해 독출(readout)된 신호 ADC 등의 후처리단을 통해 디지털 데이터로 변환되어 X선 영상을 생성하는데 사용된다.
한편 본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2014-0087247호(2014.07.09)에 개시되어 있다.
이와 같이, X선 검출기의 리드아웃 회로는 픽셀과 후처리단을 아날로그 형태로 연결시켜 주기 때문에, 픽셀이나 ADC 등 후처리단의 구조에 많은 제약을 받는다.
즉 픽셀이나 ADC 등의 구조, X선 검출기의 용도(예: 이미지 촬영용, 동영상 촬영용) 등에 따라 최적의 형태로 리드아웃 회로를 설계하여야, 원하는 다이내믹 레인지(dynamic range)나 지연시간(delay time) 등을 획득할 수 있다.
그러나 회로설계에 소요되는 시간이나 비용 등의 문제로 인해 최적의 리드아웃 회로를 매번 설계하는 것은 현실적으로 불가능하며, 기존에 사용하던 리드아웃 회로를 그대로 사용하는 경우가 많다.
이에 따라 리드아웃 회로의 처리속도 저하나 픽셀간의 불균일성에서 오는 데이터 처리의 어려움, 누설 전류에 의한 악영향 등이 발생할 수 있다는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 X선 검출기의 리드아웃 회로의 문제점을 해결하기 위한 것으로, X선 검출기의 정상 동작을 보장하면서 그 검출 속도를 향상시킬 수 있는 X선 검출기의 리드아웃 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로는 픽셀로부터 출력되는 전기신호를 저장하는 데이터 라인 커패시터; 상기 픽셀로부터의 전기신호를 증폭하는 증폭기; 및 상기 픽셀의 출력단에 연결된 가변 전류 부하를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 증폭기는 상기 픽셀의 출력단을 입력으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로는 상기 픽셀의 출력단과 상기 증폭기의 출력단 사이에 연결된 피드백 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 데이터 라인 커패시터는 상기 픽셀의 출력단에 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 가변 전류 부하는 서로 다른 세기를 갖는 적어도 두 종류의 전류를 공급할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 가변 전류 부하는, X선 검출기의 동작 시작부터 리드아웃까지는 제1세기의 전류를 공급하고, X선 검출기의 리드아웃 직후부터 다음 동작 시작까지는 상기 제1세기 보다 큰 제2세기의 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 가변 전류 부하는, 전류 미러를 구성하는 두 개의 트랜지스터; 및 상기 전류 미러에 전압을 공급할 수 있는 적어도 두 개의 전압원을 포함하되, 상기 적어도 두 개의 전압원은 X선 검출기의 동작에 따라 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 가변 전류 부하는, 상기 픽셀의 출력단에 연결된 트랜지스터; 및 상기 트랜지스터에 바이어스 전압을 공급할 수 있는 적어도 두 개의 전압원을 포함하되, 상기 적어도 두 개의 전압원은 X선 검출기의 동작에 따라 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로는 픽셀의 출력단에 연결된 가변 전류 부하를 포함함으로써 X선 검출기의 정상 동작을 보장할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로는 가변 전류 부하를 통해, X선 검출기의 동작 시작부터 리드아웃까지는 낮은 세기의 전류를 공급하고, X선 검출기의 리드아웃 직후부터 다음 동작 시작까지는 높은 세기의 전류를 공급함으로써, X선 검출기의 검출 속도를 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로의 가변 전류 부하를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로의 가변 전류 부하를 나타낸 다른 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로를 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로의 구성을 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로의 가변 전류 부하를 나타낸 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로의 가변 전류 부하를 나타낸 다른 예시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로를 설명하기 위한 예시도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로를 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로는 가변 전류 부하(100), 피드백 커패시터(Cf), 데이터 라인 커패시터(Cdata) 및 증폭기(Charge amplifier)를 포함한다.
가변 전류 부하(100)는 픽셀(110)의 출력단, 즉 픽셀(110)의 데이터 라인에 연결되어 픽셀(110)에 전류 부하를 제공할 수 있다.
즉 능동형 픽셀 센서(Active pixel sensor, APS)에서 소스 팔로워(source follower)로 사용되는 트랜지스터(M2)는 항상 포화 상태에서 동작하여야 하므로 전류 부하(Iload)가 필요하다. 특히 넓은 면적으로 낮은 기판온도에서 생산할 수 있고, 생산 비용이 비교적 저렴하다는 이유로 많은 X선 검출기에서 사용되고 있는 박막 트랜지스터로 구성된 픽셀 센서는, 밴드갭 내에 상태 밀도가 많아 전계효과 이동도가 떨어지므로, 전류 부하가 반드시 필요하다.
다만 과도하게 큰 부하는 소스 팔로워(M2)의 입출력 간 차이를 크게 만들어 X선 검출기의 다이내믹 레인지(dynamic range)를 줄일 수 있으므로, 소스 팔로워로 사용되는 트랜지스터(M2)의 포화상태를 유지하는 정도에서 작은 전류 부하를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 픽셀(110)에 존재하는 트랜지스터에 적절한 오프 전압(트랜지스터를 턴-오프(turn-off) 시키는 전압을 의미한다.)이 적용되지 아니하였거나, 포토다이오드(photodiode)의 암전류(dark current)로 인해, 픽셀(110)에 누설 전류(leakage current)가 존재할 수 있다. 이러한 누설 전류가 존재하면, 포토다이오드의 전압이, 입사된 X선으로 인해 떨어진 전압을 유지하지 못하고 점차 리셋전압(Vreset) 쪽으로 상승할 수 있다. 그러나 본 실시예와 같이, 픽셀(110)에 적절한 전류 부하를 제공한다면 포토다이오드의 전압이 일정한 전압 이상으로 상승되는 것을 방지할 수 있다.
한편 이러한 픽셀(110)은 그 제작 공정의 특성상 패널(panel)간 혹은 패널 내 픽셀(pixel)간의 균일성(uniformity)을 완벽히 보장할 수 없다. 그러나 X선 검출기의 후처리단의 아날로그 디지털 변환기(analog to digital converter, ADC)는 항상 일정한 범위 내의 전압만을 디지털화 할 수 있기 때문에, 매 픽셀 및 패널별 적절한 구동점(driving point)을 찾아야 한다. 따라서 본 실시예와 같이, 가변 전류 부하(100)를 사용한다면, 리드아웃 회로의 조정을 통해, 즉 가변 전류 부하(100)의 전류값을 조정하여, 픽셀 및 패널별 구동점을 일정하게 맞출 수 있으므로, ADC 등의 후처리단의 설계를 보다 간단하게 할 수 있도록 한다.
또한 전류 부하가 클수록 커패시터의 전압이 안정화 되는 시간이 짧아지므로(I=C*(dV(t))/dt) 동영상의 촬영에 유리하고, 이와는 반대로 정지영상의 촬영 시에는 작은 전류 부하를 사용하여 다이내믹 레인지를 최대로 확보하는 것이 유리하다. 따라서 가변 전류 부하(100)를 사용할 경우 촬영 모드에 따라 적절한 전류 부하를 제공해 줄 수 있다.
픽셀(110)은 X선 입사량에 대응하는 전기신호를 출력할 수 있다.
좀 더 구체적으로, M1이 온 상태, 즉 X선 검출기가 리셋(reset) 상태일 때 포토다이오드의 전압은 기준전압을 유지한다. 즉 포토다이오드 자체의 정전용량이 존재하므로, 포토다이오드와 병렬로 커패시터가 연결되어 있다고 볼 수 있으며, 이러한 커패시터에 전하가 축척된다고 볼 수 있다.
이후 X선 검출기가 인터그레이션(integration) 상태, 즉 M1이 오프되면, 입사된 X선의 양과 비례하는 △Q의 전하가 상기 커패시터를 방전시킨다. 따라서 포토다이오드의 전압레벨은 △Q에 비례하는 △V만큼 떨어지게 된다.
마지막으로 X선 검출기가 리드아웃(readout) 상태, 즉 M3이 온되면, 포토다이오드의 전압이 소스 팔로워(source follower, M2)의 소스(source)단에 반영되고, M3을 통해 출력된다.
이렇게 출력된 전압은 픽셀(110)의 데이터 라인에 연결된 데이터 라인 커패시터(Cdata)에 전하를 축척하게 된다. 즉 데이터 라인 커패시터(Cdata)는 픽셀(110)로부터의 전기신호를 저장할 수 있다. 이후 데이터 라인 커패시터(Cdata)에 축척된 전하는 피드백 커패시터(Cf)에 축적되어 출력된다. 즉 증폭기는 포토다이오드의 전압을 증폭 및 독출하는 역할을 수행한다.
그런데 일반적으로, X선 검출기의 리드아웃 회로에서 사용되는 증폭기의 피드백 커패시터(Cf)는, 증폭기를 통해 높은 게인(gain)을 얻을 수 있도록 하기 위해 매우 작은 값을 사용한다. 이러한 경우, 가변 전류 부하(100)에서 공급하는 전류 부하에 의해 피드백 커패시터(Cf)가 포화되지 않도록 주의하여야 한다. 예를 들어, 1pF 피드백 커패시터(Cf)를 가진 증폭기의 최대 출력 전압이 15V이고, 전류 부하가 1.5uA일 경우, 피드백 커패시터(Cf)는 10us에 포화된다.
V = Q/C = I*T/C
즉 일반적으로 피드백 커패시터(Cf)의 포화시간은 매우 짧은 경우가 많은데, X선 검출기의 리드아웃 동작 시 피드백 커패시터(Cf)에 전하가 축적되는 시간이 전류 부하에 의해 피드백 커패시터(Cf)가 포화되는 시간보다 크다면, X선 검출기가 정상적으로 동작할 수 없기 때문이다.
따라서 상술한 소스 팔로워(M2)의 정상 동작 보장과 마찬가지로, X선 검출기의 정상 동작 보장을 위해서는 가능한 범위 내에서 작은 값의 전류 부하를 제공하여야 한다.
그러나 작은 값의 전류 부하를 제공할 경우, X선 검출기의 리드아웃 직후, 데이터 라인 커패시터(Cdata)를 방전시키는데 많은 시간이 소모되게 된다. 특히 전류 구동 능력이 CMOS보다 떨어지는 박막 트랜지스터는 방전 시간이 매우 길어 X선 검출기 전체 속도를 저하시키는 문제가 있다.
즉, 가변 전류 부하(100)는 서로 다른 세기를 갖는 두 종류의 전류를 공급하되, X선 검출기의 동작 시작부터 리드아웃까지는 낮은 세기의 전류를 공급하고, X선 검출기의 리드아웃 직후부터 다음 동작 시작까지는 높은 세기의 전류를 공급할 수 있다.
다시 말해, 가변 전류 부하(100)는, X선 검출기의 동작 시작부터 리드아웃까지는 낮은 세기의 전류를 공급하여, 소스 팔로워(M2) 및 피드백 커패시터(Cf)의 정상 동작을 보장하고, X선 검출기의 리드아웃 직후부터 다음 동작 시작까지는 높은 세기의 전류를 공급하여 데이터 라인 커패시터(Cdata)의 방전시간을 줄임으로써, X선 검출기의 검출 속도를 향상시킬 수 있다.
이러한 가변 전류 부하(100)는, 예를 들어, 전류 미러의 형태일 수 있다. 즉 도 2에서 볼 수 있듯이, 가변 전류 부하(100)는 전류 미러를 구성하는 두 개의 트랜지스터와 전류 미러에 전압을 공급하는 두 개의 전압원을 포함하되, 이러한 두 개의 전압원은 X선 검출기의 동작에 따라 선택적으로 절환되는 형태일 수 있다.
예를 들어, V1보다 V2가 높은 전압으로 설정되는 경우, X선 검출기의 동작 시작부터 리드아웃까지는 S1이 닫히고 S2가 열려 V1이 전류 미러에 공급되고, X선 검출기의 리드아웃 직후부터 다음 동작 시작까지는 S1이 열리고 S2가 닫혀 V2가 전류 미러에 공급된다면, X선 검출기의 정상 동작을 보장하면서 그 검출 속도를 향상시킬 수 있다.
또한 도 3에 도시된 것과 같이, 가변 전류 부하(100)는 픽셀(110)의 출력단에 연결된 트랜지스터 및 상기 트랜지스터에 바이어스 전압을 공급하는 두 개의 전압원을 포함할 수 있으며, 이러한 두 개의 전압원은 X선 검출기의 동작에 따라 선택적으로 절환되는 형태일 수도 있다.
가변 전류 부하(100)를 전류 미러의 형태로 구현하면, 회로에 의한 부하 전류 변동이 발생하지 않으므로, 트랜지스터의 포화를 이용한 경우보다 보다 안정적인 회로 구현을 가능하게 한다.
한편 본 실시예에서는 능동형 픽셀 센서를 기준으로 설명하였으나, 수동형 픽셀 센서(Passive pixel sensor, PPS) 또한 X선 입사량에 대응하는 전기신호를 출력할 수 있으며, 이러한 경우에는 전압 신호 대신 축적된 전하 자체가 이동하게 된다.
또한 도 4에 도시된 것과 같이, 본 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로는 4가지 모드(mode)의 동작이 가능한 리드아웃 회로일 수 있다.
즉 본 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로는, 픽셀(110)이 능동형 픽셀 센서일 경우에, S12, S13, S14 및 S16을 연결하는 Voltage mode, S12 및 S15를 연결하고 S11 및 S14를 가변 제어하는 Charge mode, S15를 연결하고 S11을 가변 제어하는 Current mode로 동작할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로는 픽셀(110)이 수동형 픽셀 센서일 경우에, S11 및 S15를 연결하는 Charge mode로 동작할 수 있다.
다만 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자라면 회로의 구성으로부터 각 모드의 구체적인 동작을 파악할 수 있으므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
즉 리드아웃 회로의 모드를 변경할 때, 각 모드별 전류 부하의 최적값이 다를 수 있으며, 전류 부하가 필요한 모드와 전류 부하가 필요하지 않은 모드로 나누어지므로, 가변 전류 부하(100)를 사용한다면, 보다 최적화된 조건하에서 X선을 검출할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로는 픽셀의 출력단에 연결된 가변 전류 부하를 포함함으로써 X선 검출기의 정상 동작을 보장할 수 있도록 한다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 X선 검출기의 리드아웃 회로는 가변 전류 부하를 통해, X선 검출기의 동작 시작부터 리드아웃까지는 낮은 세기의 전류를 공급하고, X선 검출기의 리드아웃 직후부터 다음 동작 시작까지는 높은 세기의 전류를 공급함으로써, X선 검출기의 검출 속도를 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 가변 전류 부하
110: 픽셀
Cf: 피드백 커패시터
Cdata: 데이터 라인 커패시터

Claims (8)

  1. 픽셀로부터 출력되는 전기신호를 저장하는 데이터 라인 커패시터;
    상기 픽셀로부터의 전기신호를 증폭하는 증폭기; 및
    상기 픽셀의 출력단에 연결된 가변 전류 부하를 포함하고,
    상기 가변 전류 부하는, 서로 다른 세기를 갖는 적어도 두 종류의 전류를 공급할 수 있으며, X선 검출기의 동작 시작부터 리드아웃까지는 제1세기의 전류를 공급하고, X선 검출기의 리드아웃 직후부터 다음 동작 시작까지는 상기 제1세기 보다 큰 제2세기의 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 X선 검출기의 리드아웃 회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 증폭기는 상기 픽셀의 출력단을 입력으로 하는 것을 특징으로 하는 X선 검출기의 리드아웃 회로.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 픽셀의 출력단과 상기 증폭기의 출력단 사이에 연결된 피드백 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 검출기의 리드아웃 회로.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 라인 커패시터는 상기 픽셀의 출력단에 연결된 것을 특징으로 하는 X선 검출기의 리드아웃 회로.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 가변 전류 부하는,
    전류 미러를 구성하는 두 개의 트랜지스터; 및
    상기 전류 미러에 전압을 공급할 수 있는 적어도 두 개의 전압원을 포함하되,
    상기 적어도 두 개의 전압원은 X선 검출기의 동작에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 X선 검출기의 리드아웃 회로.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 가변 전류 부하는,
    상기 픽셀의 출력단에 연결된 트랜지스터; 및
    상기 트랜지스터에 바이어스 전압을 공급할 수 있는 적어도 두 개의 전압원을 포함하되,
    상기 적어도 두 개의 전압원은 X선 검출기의 동작에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 X선 검출기의 리드아웃 회로.
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