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JP2004112077A - AD converter, multi-channel AD converter, X-ray sensor module, and control method thereof - Google Patents

AD converter, multi-channel AD converter, X-ray sensor module, and control method thereof Download PDF

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JP2004112077A
JP2004112077A JP2002268637A JP2002268637A JP2004112077A JP 2004112077 A JP2004112077 A JP 2004112077A JP 2002268637 A JP2002268637 A JP 2002268637A JP 2002268637 A JP2002268637 A JP 2002268637A JP 2004112077 A JP2004112077 A JP 2004112077A
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Abstract

【課題】基板ノイズの影響を抑制するとともに、高精度および高速に信号読み出し動作を可能にする。
【解決手段】電荷検出回路10からの出力信号レベルをサンプリングするサンプリングホールド回路6と、サンプリングホールド回路6でサンプリングしたサンプリングホールド回路出力信号レベルを、電荷検出回路10が外部の電荷発生回路8から信号電荷を読み出す電荷読み出し期間から安定読み出し期間(T4)を除いた所定期間(T3)内でAD変換用にサンプリングしてAD変換するAD変換回路であるオーバーサンプリングAD変換器7とを有している。
【選択図】 図1
An object of the present invention is to suppress the influence of substrate noise and enable a signal reading operation with high accuracy and high speed.
A sampling and holding circuit for sampling an output signal level from a charge detection circuit, and a sampling and holding circuit output signal level sampled by the sampling and holding circuit, the charge detection circuit receiving a signal from an external charge generation circuit. An oversampling AD converter 7 which is an AD conversion circuit which performs AD conversion by sampling for AD conversion within a predetermined period (T3) excluding a stable read period (T4) from a charge read period for reading charges. .
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、AD変換装置、多チャンネルAD変換装置、X線センサーモジュールおよびそれらの制御方法に関し、特に、電荷検出回路、増幅回路、サンプルホールド回路およびオーバーサンプリングAD(Analog to Digital)変換器を有するAD変換装置、上記回路系が複数配置された多チャンネルAD変換装置、上記回路系にX線センサーが設けられたX線センサーモジュールおよびそれらの制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
医療用のX線撮影検査装置の分野では、X線フィルムおよびイメージインテンシファイア(光増倍管)に代わりX線画像センサーが開発されつつある。X線画像センサーは、画素の高解像度、画素信号の高速処理等の特性を有しており、動画像撮影にも対応可能であり、デジタル化も容易である。また、X線画像センサーは、一般の静止画像撮影から消化器、心臓、血管等の造影検査まで幅広い検査に応用できるので,これからの医療情報のネットワーク時代に向けて重要となる。このようなX線画像センサーに使用される信号読み出し回路には、上記のように高解像度にて静止画像から動画像の読み出しに対応するために、画素信号を高精度および高速に読み出すAD変換器が不可欠となる。
【0003】
図4は、特開2002−94379号公報に開示されているX線画像センサーの信号読み出し回路に用いる多チャンネルAD変換装置の構成を示すブロック図である。
【0004】
図4に示す多チャンネルAD変換装置は、多チャンネルに対応して複数の信号入力端子1〜nを有している。多チャンネルAD変換装置は、各信号入力端子1〜nに、それぞれ電荷検出回路100、増幅回路110、サンプルホールド回路60、オーバーサンプリングAD変換器70およびAD変換器の出力部のラッチ回路120が接続されてそれぞれ配置されており、各ラッチ回路120には、それぞれのチャンネルから入力される信号のAD変換された出力信号からいずれか1つを選択して出力するマルチプレクサ(マルチプレクス回路)130が接続され、さらにマルチプレクサ130の出力信号を増幅し外部回路に出力するバッファー140が接続されている。
【0005】
このような構成により図4に示す多チャンネルAD変換装置は、各信号入力端子1〜nに接続される回路系において、多数の画素データーを同時に処理してAD変換された出力信号をラッチ回路120に蓄え、その出力信号をマルチプレクサ130によって時分割に選択しバッファー140を介して外部回路に出力する。
【0006】
図5は、図4に示す多チャンネルAD変換装置が使用されるX線センサーモジュールの構成を示すブロック図である。
【0007】
図5に示すX線センサーモジュールは、センサー画面16を有しており、センサー画面160は、画面に照射されたX線を信号電荷に変換するため、例えば、マトリクス状に2880×2880画素のX線変換素子が配置された9インチパネルである。各X線変換素子には、それぞれのX線変換素子に発生した信号電荷を取り出すためのTFT(薄膜トランジスタ)がそれぞれ配置されている。さらに図5に示すX線センサーモジュールには、上記X線変換素子の信号電荷を取り出すためのTFTを駆動するゲートドライバ回路150およびTFTから出力される信号電荷を電気信号に変換する多チャンネルAD変換装置を用いた信号変換回路170が設けられており、ゲートドライバ回路150および信号変換回路170は、それぞれゲートラインおよびデーターラインによってセンサー画面160に接続されている。
【0008】
図6は、センサー画面160を構成するX線変換素子の一部を示す回路図である。
【0009】
図6に示す回路図は、ゲートライン330および320がデーターライン190および200と直交しており、それぞれの交差部に4個のTFT210、220、230および240と、4個のX線変換素子250、260、270および280とがそれぞれ対を成して配置されている。例えば、TFT210のドレイン端子およびゲート端子は、それぞれデーターライン190およびゲートライン330にそれぞれ接続され、TFT210のソース端子は、X線変換素子250に接続されている。TFT220のドレイン端子およびゲート端子は、それぞれデーターライン190およびゲートライン320にそれぞれ接続され、TFT220のソース端子は、X線変換素子260に接続されている。TFT230のドレイン端子およびゲート端子は、それぞれデーターライン200およびゲートライン330にそれぞれ接続され、TFT230のソース端子は、X線変換素子270に接続されている。TFT240のドレイン端子およびゲート端子は、それぞれデーターライン200およびゲートライン320にそれぞれ接続され、TFT240のソース端子は、X線変換素子280に接続されている。
【0010】
図6に示す回路図を用いて上記X線センサーモジュールの動作を説明する。尚、図5に示すゲートラインは、全部で2880本であるが、動作において2分割され信号読み出し時には、分割された1440本からなるゲートラインの各組のうちからいずれか1本のみが選択されるように制御されている。
【0011】
図6に示す回路図において、ゲートライン330が選択された場合には、TFT210および230がオン状態となり、データーライン190にはX線変換素子250で発生した信号電荷のみが読み出され、同様にデーターライン200にはX線変換素子270で発生した信号電荷のみが読み出される。データーライン190および200から読み出された信号電荷は、上記の多チャンネルAD変換装置が組み込まれた信号変換回路170でデジタル化される。
【0012】
この場合、X線センサーモジュールで動画像を撮影するためには、1秒間に30画面の画像データーに対応する信号電荷をAD変換する必要がある。
【0013】
また1画面にて駆動制御されるゲートラインの数は、上記のように1440本である。したがって、1つのゲートラインが選択され読み出された信号をAD変換する時間は、1秒÷30画面÷1440本≒23μs(43.2Kサンプル/sec)となる。
【0014】
図7は、多チャンネルAD変換装置の信号読み出し部およびX線センサーモジュールのX線センサー画素部の詳細な回路図である。
【0015】
図7に示す信号読み出し部250は、図4に示す多チャンネルAD変換装置の電荷検出回路100、増幅回路110およびサンプルホールド回路60に相当し、図5に示すX線センサーモジュールのX線センサー画素部180は、上記のX線変換素子およびTFTを含む電荷発生源である。
【0016】
図7に示すX線センサー画素部180のX線センサーにX線が入射するとX線変換素子の光電変換層において一対の電子(e)および正孔(h)が発生する。この電子(e)または正孔(h)がバイアス電圧によりX線変換素子の画素電極に到達し電荷保持容量101にて保持される。電荷保持容量101は、画素電極とアース(接地)との間に接続されている。画素電極は、例えば、TFT102のソース端子の接続されている。電荷保持容量101に保持された信号電荷は、TFT102のゲート端子が接続されているゲートラインにTFTゲートクロックaが印加されてTFT102がオン状態になることによって、TFT102のソース端子からドレイン端子を経て、ドレイン端子が接続されているデーターラインに流出しデーターラインに接続された信号読み出し部250の電荷検出回路100に入力されその電荷量が検出される。
【0017】
信号読み出し部250の電荷検出回路100は、演算増幅器105、帰還容量104およびリセットスイッチ103から成り、演算増幅器105の非反転入力端子(+)には基準電圧Vrが入力されて固定されており、演算増幅器105の反転入力端子(−)および出力端子間には帰還容量104が接続され、負帰還回路が構成されている。そして、第1リセットクロックbにてオン/オフ状態を制御されるリセットスイッチ103が帰還容量104に並列接続されている。
【0018】
電荷検出回路100の次段に設けられた増幅回路110は、演算増幅器133、帰還容量132およびリセットスイッチ131から成り、演算増幅器133の非反転入力端子(+)には基準電圧Vrが入力されて固定されており、演算増幅器133の反転入力端子(−)および出力端子間には帰還容量132が接続されて、負帰還回路が構成されている。そして、第2リセットクロックfにてオン/オフ状態を制御されるリセットスイッチ131が帰還容量132に並列接続されている。
【0019】
増幅回路110は、電荷検出回路100の出力電圧が小さい場合に、AD変換器のダイナミックレンジを有効に活用できる電圧範囲まで、信号電圧を増幅するために設けられている。X線センサーの場合、静止画像撮影の撮影モードではX線を照射する期間が短いため、X線量を十分に大きくしても人体への影響は小さい。したがって、静止画像撮影の撮影モードでは、X線量が大きく、信号電荷量が大きくなり増幅回路11は必ずしも必要ではない。
【0020】
しかし、動画像撮影の撮影モードでは、X線の照射期間を分単位にする必要があり、人体への影響を避けるため、動画像撮影の照射X線量は、静止画像撮影の照射X線量に比較し2桁程度弱くする必要がある。したがって、動画像撮影の撮影モードでは、動画像撮影時の信号電荷量は極めて小さくなり、これにより電荷検出回路100の出力電圧が小さくなるため増幅回路11が必要となる。具体的には、700e(eは単位電荷量を示す)程度の電荷量を扱う必要がある。
【0021】
電荷検出回路100の演算増幅器105の出力端子と、増幅回路110の演算増幅器133の反転入力端子との間には、抵抗素子290および容量300が直列接続されている。直列接続された抵抗素子290および容量300は、ローパスフィルターを構成し、ローパスフィルターを構成する容量300は、増幅回路110の演算増幅器133の反転入力端子に対する入力容量Cinとしても作用する。上記のように、演算増幅器133の反転入力端子および出力端子間には帰還容量132が接続されて負帰還回路を構成し、この場合の演算増幅器133の増幅率(G)は、帰還容量132をCfとすると、G=Cin/Cfにて表される。
【0022】
増幅回路111の出力信号は、サンプルホールド回路60に入力され、サンプルホールド回路60によりサンプルホールドされオーバーサンプリングAD変換器70に送られる構成となっている。前述のように、動画像撮影の撮影モードの動作に対応するためには、43.2Kサンプル/sec(23μs)のサンプルホールドクロックcによりサンプルホールド回路60の動作を制御する必要がある。
【0023】
このような構成は、特開2002−51264号公報に開示されており、この構成によって相関2重サンプリング法によりX線センサーから出力される低周波ノイズ等を除去するとともに、抵抗素子、容量等から成るローパスフィルターによりX線センサー内のデーターラインの寄生抵抗による熱雑音が除去される。
【0024】
すなわち、一般に固体撮像素子から出力される信号には低周波ノイズが重畳していて画像品質に悪影響を及ぼすため、信号を読み出してAD変換するためには、相関2重サンプリング法によりノイズを低減する必要がある。相関2重サンプリング法とは、時間的に連続入力される基準入力(INrとする)と、データー入力(INdとする)とをそれぞれサンプリングし、その差分信号(INr−INd)を実際の画素出力データーとする方式である。これにより、入力信号に低周波数ノイズが重畳していたとしても差分処理によりキャンセルできる。この相関2重サンプリング回路に抵抗素子290および容量300を追加するだけでX線センサー内のデーターラインの熱雑音をも減らすことができるローパスフィルターが構成できる。
【0025】
図8は、オーバーサンプリングAD変換器70の構成を示すブロック図である。X線センサーの用途では、高解像度の実現のため14ビットクラスの高精度化が必要でありオーバーサンプリングΔΣ方式を使用する必要がある。
【0026】
図8に示すオーバーサンプリングAD変換器70は、演算増幅器、容量およびスイッチを使用したスイッチドキャパシター型積分器とコンパレータ−で構成されるA/Dアナログ部340と、デジタルフィルター処理を行うA/Dデジタル部350から構成される。A/Dアナログ部340は、サンプルホールド回路60の出力信号を受け取り、A/Dデジタル部350は、AD変換処理された信号をラッチ120に出力する。ラッチ回路120は、サンプルホールドクロックfに基づいて制御される。
【0027】
A/Dアナログ部340は、前述のようにオーバーサンプリングΔΣ方式AD変換器の構成を有し、AD変換処理の結果を1ビットのビットストリームとして出力し、その出力信号は次段のデシメーションフィルタとして機能するA/Dデジタル部350に入力される。オーバーサンプリングAD変換器70にて使用されるオーバーサンプリングクロックdは、前述のサンプルホールド回路60の動作を制御するサンプルホールドクロックfの43.2Kサンプル/secに対して、256倍程度の11MHz程度でオーバーサンプリングする必要がある。
【0028】
サンプルホールド回路60のサンプルホールド周波数の256倍のオーバーサンプリング周波数がオーバーサンプリングAD変換器70の動作に必要な理由を説明する。オーバーサンプリングΔΣ方式とは、オーバーサンプリングとΔΣ回路とによるノイズシェーピングの2つの高精度化技術を用いている。
【0029】
オーバーサンプリングとは、必要信号帯域の2倍より早い速度でサンプリングすることにより、信号帯域内の量子化雑音を低下させ、信号を高精度化する技術である。例えば、N倍のオーバーサンプリングにより信号帯域内の量子化雑音は1/Nとなる。
【0030】
ノイズシェーピングは、オーバーサンプリングAD変換器70において、信号に対して積分→量子化→微分することにより、量子化雑音のみに微分特性を乗じ、低周波領域の量子化雑音を低下させ、信号を高精度化する技術である。
【0031】
オーバーサンプリングおよびノイズシェーピングの2つの技術を組み合わせると、信号帯域内の量子化雑音が大幅に低減できる。このように、量子化分解能が1ビット、ノイズシェーピングの次数が2次の場合には、14ビット以上の精度を確保しようとすると理論上256倍のオーバーサンプリングが必要となる。
【0032】
これにより、オーバーサンプリングAD変換器70は、11MHz程度のオーバーサンプリングクロックdがA/Dアナログ部340およびA/Dデジタル部350に入力され、オーバーサンプリングAD変換器70の高速動作が実行されている。
【0033】
サンプルホールド回路60から出力されてオーバーサンプリングAD変換器70に入力される信号は、A/Dアナログ部340では1ビットΔΣ回路により11MHzの1ビット信号に変調され、A/Dデジタル部350ではデシメーションフィルタにより43.2KHzまで間引かれながら14ビットデーターに変換される。
【0034】
このようにA/Dデジタル部350のデシメーションフィルタは、A/Dアナログ部340から出力される11MHzの1ビットの出力信号に含まれる高域の量子化ノイズを除去して目的の43.2KHzの14ビット信号に1/256倍間引く動作をデジタル回路にて実行している。
【0035】
図9は、図4に示す多チャンネルAD変換装置のAD変換処理された出力データーの読み出し部のブロック図である。
【0036】
図9に示すAD変換処理された出力データーの読み出し部は、マルチプレクサ130およびバッファー140を有する。各チャンネルのオーバーサンプリングAD変換器にて同時に処理され43.2Kサンプル/sec周期でサンプリングされた14ビットのデーターは、各チャンネル毎に同時にそれぞれのラッチ120でラッチされた後、マルチプレクサ130により多系列のデーターが系列別に時分割されたデーターに変換される。その変換されたデーターは、バッファー140により多チャンネルAD変換装置から外部回路に順番に出力され、多チャンネルAD変換装置の動作が完了する。この場合、マルチプレクサ130およびバッファー140は、AD読み出しクロックgに基づいて動作を行う。
【0037】
次に、図4に示す多チャンネルAD変換装置の全体の動作を、図10(a)に示す各信号のタイミングチャートによって説明する。
【0038】
図10(a)に示すタイミングチャートのリセット期間である期間T1では、第1リセットクロックbおよび第2リセットクロックfがそれぞれオン状態であり、図7に示す信号読み出し部250の電荷検出回路100のリセットスイッチ103および増幅回路110のリセットスイッチ131を、それぞれ第1リセットクロックbおよび第2リセットクロックfにより共にオン状態にして、演算増幅器105および133のそれぞれの反転入力端子と出力端子との間を共に短絡してリセットする。この時、TFTゲートクロックaはオフ状態であるので、X線センサーパネルのX線センサー画素部180のTFT2はオフ状態である。この時、増幅回路110の出力端子は、リセット状態であり基準電圧Vrが出力されている。
【0039】
続いて、期間T8では、第1リセットクロックbがオフ状態となり、この第1リセットクロックbにより電荷検出回路100のリセットスイッチ103がオフ状態となり電荷検出回路100の演算増幅器105が動作を開始する。ー方、第2リセットクロックfはオン状態を維持しており、この第2リセットクロックfにより増幅回路110のリセットスイッチ131のオン状態を維持し、演算増幅器105のオフセットノイズおよびフリッカーノイズと、X線センサー画素部180の低周波成分ノイズとを容量300に吸収させる(相関2重サンプリング法)。この時、増幅回路110の出力端子は、リセット状態であり基準電圧Vrが出力されている。
【0040】
次に、期間T2に入ると、第2リセットクロックfもオフ状態となり、第2リセットクロックfにより増幅回路110のリセットスイッチ131もオフ状態にして、増幅回路110の演算増幅器133が動作を開始する。
【0041】
次に、電荷読み出し期間である期間T3では、TFTゲートクロックaがオン状態となり、このTFTゲートクロックaによりTFT102がオン状態となりX線センサーパネルを構成する各X線センサー画素部180の電荷保持容量101から受光X線量に応じた信号電荷がTET102のソース端子からドレイン端子に伝達されし、さらにドレイン端子が接続されているデーターラインを介して電荷検出回路100に伝達され信号電圧に変換される。
【0042】
電荷保持容量101から信号電荷を読み出すには、X線センサー画素部180内のデーターラインの寄生抵抗および寄生容量の影響によって時間を要する。したがって、期間T3は、十分長く取って、電荷保持容量101の電荷を完全に読み出す必要がある。電荷検出回路100から出力される読み出された信号電荷に基づく信号電圧は、抵抗290および容量300から成るローパスフィルターによりデーターラインの熱雑音を除去しつつ、帰還容量132および演算増幅器133を有する増幅回路110にて電圧増幅され増幅回路110の出力端子から出力される。この出力信号は、相関2重サンプリング法によって、演算増幅器105のオフセットノイズおよびフリッカーノイズと、X線センサー画素部180の低周波成分ノイズとがキャンセルされている。
【0043】
次に、期間T5では、TFTゲートクロックaがオフ状態となり、このTFTゲートクロックaによりTFT102がオフ状態となり各X線センサー画素部180の電荷保持容量101から信号電荷の読み出しを完了し、電荷検出回路100および増幅回路110から成る信号読み出し回路の出力電圧が確定する。
【0044】
次に、期間T6では、サンプルホールドクロックcがオン状態となり、増幅回路110で増幅された信号読み出し回路の出力電圧信号は、サンプルホールド回路60によってサンプリングされ、次のサイクルまでホールドされる。―方、オーバーサンプリングAD変換器70は、サンプルホールドクロック周波数43.2KHzの256倍の周波数11MHzのオーバーサンプリングクロックdに基づいてサンプルホールド回路6のサンプルホールド出力電圧をオーバーサンプリングする。
【0045】
そして、期間T7では、各オーバーサンプリングAD変換器70は、AD変換器出力信号である14ビットデーターを出力し、各系列毎に同時にそれぞれのラッチ回路120にてラッチされる。その後、ラッチ回路120から出力される14ビットデーターは、AD読み出しクロックgに基づいて動作するマルチプレクサ130によって各系列のデーターを系列毎に時分割されたデーターに変換される。時分割されたデーターは、AD読み出しクロックgに基づいて動作するバッファー140から外部回路に、例えばAD出力m−1、AD出力m、AD出力m+1のように順番に出力され、多チャンネルAD変換装置の動作が完了する。
【0046】
上記の多チャンネルAD変換装置は、オーバーサンプリングAD変換器70内のデジタルフィルター処理を行うA/Dデジタル部350のような高速クロックで動作する大規模デジタル回路と、A/Dアナログ部340のようなアナログ回路とが同一基板上に混載されたアナログ/デジタル混載回路であり、デジタルノイズ対策については十分に配慮する必要がある。デジタル回路の動作によって発生するデジタルノイズは、アナログ回路の特性劣化を引き起こす。すなわち、デジタル回路が動作すると、トランジスタのオン/オフ動作によって、電源ラインに瞬間的に比較的大きな電流が発生し電源電圧が変動したり、トランジスタの拡散層の電圧変動が基板との間の容量を通じて基板にノイズを発生させたりする。このような基板ノイズは、半導体基板を共有するアナログ回路に影響をおよぼしアナログ回路の特性劣化を引き起こす。
【0047】
図10(b)は、デジタル回路からの基板ノイズがある場合の各信号のタイミングチャートである。
【0048】
図10(b)に示すように、オーバーサンプリングクロックdに基づいて動作するオーバーサンプリングAD変換器70のデジタル回路の動作によって、基板ノイズが発生する。この基板ノイズは、最もノイズに敏感な電荷検出回路100に混入し、増幅回路11により増幅された信号がサンプルホールド回路6にてサンプリングおよびホールドされて出力される。これにより、相関2重サンプリング動作の性能劣化、および、サンプルホールド回路60のサンプルホールド出力信号へのノイズ重畳による性能劣化が発生する。
【0049】
特開平5―143187号公報には、このような基板ノイズによって生じるアナログ回路の特性劣化を防止する構成が開示されている。この公報に開示されている構成では、スイッチの動作タイミングに基づいて容量にアナログ信号をサンプリングする場合、すなわちスイッチがオフ状態となりサンプリングした情報をホールドするタイミングにてデジタル回路の動作基準クロックを停止させる手段を設けることによって、容量が保持したアナログ信号にはデジタルノイズが加わらず、アナログ回路の特性劣化が防止できる。
【0050】
【特許文献1】
特開2002−94379号公報(第4頁、第1図)
【特許文献2】
特開2002−51264号公報(第3頁、第1図)
【特許文献3】
特開平5―143187号公報(第3頁、第1図)
【0051】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4に示す多チャンネルAD変換装置に、特開平5―143187に開示された構成をそのまま取り入れると、以下の問題が生じる。
【0052】
オーバーサンプリングAD変換器70について考えると、周波数が11MHzである高速のオーバーサンプリングクロックdは、図8に示すように、演算増幅器、スイッチおよび容量を使用したスイッチドキャパシター型積分器とコンパレーターとで構成されるA/Dアナログ部340と、デジタルノイズ源となるデジタルフィルター処理を行うA/Dデジタル部350との両方に入力されており、A/Dアナログ部340およびA/Dデジタル部350では同じクロック周波数によって信号処理が行われている。この場合、特開平5―143187号公報に開示されている構成のようにデジタル回路部のみの動作を停止させることはできない。また、A/Dデジタル部350とA/Dアナログ部340とに入力されるオーバーサンプリングクロックdの位相調整を行う手法があるが、オーバーサンプリングクロック周波数が11MHZと高速であり、デジタルノイズの影響がない位相差の検出は非常に困難である。
【0053】
また、電荷検出回路100を含む信号読み出し部250について考えると、動画像撮影時の電荷検出回路100にて取り扱う信号は、極めて小さい微小信号である。このため電荷検出回路100については、演算増幅器105および帰還容量104で発生する熱雑音を抑制し信号のダイナミックレンジを確保する以外に、電源ノイズ、グランドノイズおよびシリコン基板ノイズをできるだけ低く抑える必要がある。特に、電荷検出回路100では、内蔵の帰還容量104の容量値をCf、X線センサー部に接続されているデーターラインおよび電荷検出回路100の入力端子のトータル容量をCtとした場合、電荷検出回路100の入力側へのノイズは、Ct/Cf倍に増幅されて電荷検出回路100の出力端子に現れるため最も注意が必要である。
【0054】
具体的には、例えば信号電荷の検出感度よりCfを4pFと決定した場合、CtとしてCt=40pF程度は存在するため、電荷検出回路100の入力側のトランジスタ等から生じるノイズは10倍程度増幅されて出力される。したがって、オーバーサンプリングAD変換器70のA/Dアナログ部340のアナログ回路に対するノイズ混入と比較すると、電荷検出回路100に対するノイズ混入は、特に、著しいS/Nの低下となる。
【0055】
このように、信号の高精度読み出しのために、オーバーサンプリングAD変換器70を使用した場合、A/Dデジタル部350の大規模なデジタル回路およびA/Dアナログ部340のスイッチドキャパシター積分回路が周波数の高いクロック信号により高速動作するため、シリコン基板ノイズ、電源ノイズ、グランドノイズ等が電荷検出回路100および増幅回路110に流入し、多チャンネルAD変換装置全体での信号読み出しの高精度化が得られない。
【0056】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、基板ノイズの影響を抑制するとともに、高精度および高速に信号読み出し動作が可能となるAD変換装置、多チャンネルAD変換装置、X線センサーモジュールおよびそれらの制御方法を提供することにある。
【0057】
【課題を解決するための手段】
本発明のAD変換装置は、電荷検出回路からの出力信号レベルをサンプリングするサンプリングホールド回路と、サンプリングしたサンプリングホールド回路出力信号レベルを所定期間内でAD変換用にサンプリングしてAD変換するAD変換回路とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【0058】
また、好ましくは、本発明のAD変換装置において、電荷検出回路は、リセットクロックによってリセットされ、サンプルホールド回路は、サンプリングホールドクロックによってサンプリング動作を制御され、AD変換回路は、オーバーサンプリングクロックによってAD変換動作を制御されており、オーバーサンプリングクロックは、電荷検出回路が外部の電荷発生回路から信号電荷を読み出す電荷読み出し期間の終端部から安定読み出し期間を除いた所定期間内でサンプリング動作させるように制御され、サンプリングホールドクロックによってサンプリングされたサンプリングホールド回路出力信号レベルをAD変換する。
【0059】
さらに、好ましくは、本発明のAD変換装置において、リセットクロック、サンプリングホールドクロックおよびオーバーサンプリングクロックはそれぞれ独立して制御可能である。
【0060】
さらに、好ましくは、本発明のAD変換装置は、電荷検出回路およびサンプルホールド回路間に、ローパスフィルタを含む増幅回路が設けられ、増幅回路はリセットクロックによってリセットされ、リセットクロックは独立して制御可能である。
【0061】
本発明の多チャンネルAD変換装置は、請求項1〜4のいずれかに記載のAD変換装置を各チャンネル毎にそれぞれ配置し、それぞれの各AD変換装置と、各AD変換装置のAD出力信号をそれぞれラッチする各ラッチ回路と、各ラッチ回路からの各出力信号を時分割にそれぞれ選択出力するマルチプレクサと、マルチプレクサの出力信号を駆動するバッファーとが同一半導体基板上に設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【0062】
本発明のX線センサーモジュールは、X線センサーと、X線センサーの出力信号が電荷検出回路に入力される請求項6に記載の多チャンネルAD変換装置とが設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【0063】
また、好ましくは、本発明のX線センサーモジュールにおいて、X線センサーは、X線変換素子、X線変換素子で発生する電荷を保持する電荷保持容量手段および電荷保持容量手段に蓄積された電荷の出力を制御するスイッチ回路から成るX線センサー画素部が複数配置されている。
【0064】
さらに、好ましくは、本発明のX線センサーモジュールにおいて、スイッチ回路のオン/オフ動作を制御する電荷読み出しクロックは独立に制御可能である。
【0065】
本発明のAD変換装置の制御方法は、リセット信号により電荷検出回路の出力信号レベルをリセットする第1のステップと、リセット後に、外部の電荷発生回路からの信号電荷をサンプルホールド回路に読み出すとともに、オーバーサンプリングクロックをオン状態にして該サンプルホールド回路の出力信号レベルをAD変換処理する第2のステップと、オーバーサンプリングクロックの所定期間内での該AD変換処理の動作完了後、AD変換回路の出力信号を出力する第3のステップと、所定のノイズ除去期間を該電荷発生回路に設ける第4のステップと、サンプリングホールドクロックにより、次の信号読み出し期間にAD変換すべきサンプルホールド回路の出力信号レベルとしてサンプリングし、次の信号読み出し期間までサンプルホールド回路の出力信号レベルを保持する第5のステップと、を含む一連の各ステップを少なくとも1サイクル有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【0066】
本発明の多チャンネルAD変換装置の制御方法は、リセット信号により電荷検出回路の出力信号レベルをリセットする第1のステップと、リセット後に、外部の電荷発生回路からの信号電荷をサンプルホールド回路に読み出すとともに、オーバーサンプリングクロックをオン状態にしてサンプルホールド回路の出力信号レベルをAD変換処理する第2のステップと、オーバーサンプリングクロックの所定期間内でのAD変換処理の動作完了後、AD変換回路の出力信号を出力する第3のステップと、所定のノイズ除去期間を電荷発生回路に設ける第4のステップと、サンプリングホールドクロックにより、次の信号読み出し期間にAD変換すべきサンプルホールド回路の出力信号レベルとしてサンプリングし、次の信号読み出し期間までサンプルホールド回路の出力信号レベルを保持するとともに、ラッチ回路に該AD変換回路の出力信号をラッチする第5のステップと、ラッチ回路にてラッチしたAD変換回路のAD変換回路出力信号を、AD出力読み出しクロックによって制御されるマルチプレクサで時分割に選択し、バッファーを介して外部回路に出力する第6のステップと、を含む一連の各ステップを少なくとも1サイクル有するであり、そのことにより上記目的が達成される。
【0067】
本発明のX線センサーモジュールの制御方法は、リセット信号により電荷検出回路の出力信号レベルをリセットする第1のステップと、リセット後に、X線センサーから信号電荷をサンプルホールド回路に読み出すとともに、オーバーサンプリングクロックをオン状態にしてサンプルホールド回路の出力信号レベルをAD変換処理する第2のステップと、オーバーサンプリングクロックの所定期間内でのAD変換処理の動作完了後、AD変換回路の出力信号を出力する第3のステップと、所定のノイズ除去期間をXセンサーに設ける第4のステップと、サンプリングホールドクロックにより、次の信号読み出し期間にAD変換すべきサンプルホールド回路の出力信号レベルとしてサンプリングし、次の信号読み出し期間までサンプルホールド回路の出力信号レベルを保持するとともに、ラッチ回路に該AD変換回路の出力信号をラッチする第5のステップと、ラッチ回路にてラッチした該AD変換回路のAD変換回路出力信号を、AD出力読み出しクロックによって制御されるマルチプレクサで時分割に選択し、バッファーを介して外部回路に出力する第6のステップと、を含む一連の各ステップを少なくとも1サイクル有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【0068】
上記構成により、以下、その作用を説明する。
【0069】
本発明のAD変換装置は、AD変換回路であるオーバーサンプリングAD変換器を制御するオーバーサンプリングクロックを電荷読み出し期間の終端部から安定読み出し期間を除いた所定期間内でオン状態にしてオーバーサンプリングAD変換器を動作させることにより、基板ノイズに対し最も影響をうける電荷検出回路の入力部への基板ノイズの混入を防止し、信号電荷の高精度の読み出しを実現するとともに、高速読み出しも可能となる。
【0070】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【0071】
図1(a)は、本発明の実施形態であるAD変換装置の要部とAD変換装置に信号電荷を出力する電荷発生回路との構成を示すブロック図である。
【0072】
図1(a)に示すAD変換装置9は、同一の半導体基板に信号電荷を検出する電荷検出回路10、電荷検出回路10からの出力信号レベルをサンプリングするサンプルホールド回路6およびサンプルホールド回路6からの出力信号をAD変換するAD変換回路であるオーバーサンプリングAD変換器7が設けられており、X線センサー画素部等の外部の電荷発生回路8の電荷保持容量1に蓄えられている信号電荷を読み出す。この信号読み出し時のAD変換装置9における各信号のタイミングチャートを図1(b)に示す。ここで、図1(a)に示す電荷発生回路8は、図7に示すX線変換素子、電荷保持容量101およびTFT102を備えたX線センサー画素部180を想定しているが、電荷(信号電荷)を発生する機能を有するものであれば、X線センサー画素部180に限定されるものではない。
【0073】
図1(a)に示す電荷発生回路8は、電荷発生部(図示せず)、電荷発生部で発生した信号電荷を保持する電荷保持容量1および電荷読み出しクロックaに基づいてオン/オフ動作する読み出しスイッチ2を有している。電荷保持容量1は、読み出しスイッチ2の一方の端子と基準電圧Vrが設定された領域との間に接続され、読み出しスイッチ2の他方の端子は、データラインを介してAD変換装置9の電荷検出回路10に接続される。電荷保持容量1に保持された信号電荷は、電荷読み出しクロックaが印加されて読み出しスイッチ2がオン状態になることによって、読み出しスイッチ2が接続されているデーターラインに伝達されデーターラインに接続されたAD変換装置9の電荷検出回路10に入力されその電荷量が検出される。
【0074】
AD変換装置9の電荷検出回路10は、演算増幅器5、帰還容量4およびリセットスイッチ3から成り、演算増幅器5の非反転入力端子(+)には基準電圧Vrが入力されて固定されており、演算増幅器5の反転入力端子(−)および出力端子間には帰還容量4が接続され、負帰還回路が構成されている。そして、リセットクロックbにてオン/オフ状態を制御されるリセットスイッチ3が帰還容量4に並列接続されている。
【0075】
電荷検出回路1の出力信号レベルは、サンプルホールドクロックcに基づいて制御されるサンプルホールド回路6に入力され、サンプルホールド回路6によりサンプルホールドされ、サンプルホールド回路6のサンプルホールド回路出力信号レベルは、オーバーサンプリングクロックdに基づいて制御されるオーバーサンプリングAD変換器7に入力され、オーバーサンプリングされる。そして、オーバーサンプリングAD変換器7は、AD変換処理の結果をAD変換器出力信号レベルとして出力する。
【0076】
尚、図1(a)に示す電荷読み出しクロックa、リセットクロックb、サンプルホールドクロックcおよびオーバーサンプリングクロックdは、それぞれ独立に制御できるように設定されている。
【0077】
次に、図1(b)に示すタイミングチャートに基づいてAD変換装置9の動作を詳細に説明する。
【0078】
図1(b)に示すリセット期間である期間T1おいて、電荷発生回路8の電荷読み出しクロックaは、オフ状態であり、電荷読み出しクロックaにより読み出しスイッチ2がオフ状態となる。AD変換装置9は、電荷検出回路10において、オン状態であるリセットクロックbによりリセットスイッチ3がオン状態となり演算増幅器5の反転入力端子および出力端子間が短絡される。これにより、電荷発生回路8の読み出しスイッチ2および演算増幅器5の反転入力端子間を接続するデーターライン、演算増幅器5の反転入力端子、非反転入力端子および出力端子は、すべて基準電圧Vrにリセットされ電荷読み込みの準備が行われる。この時、オーバーサンプリングAD変換器7のオーバーサンプリングクロックdをオフ状態にして停止させることにより、電荷検出回路10のリセット電圧である基準電圧Vrに対して基板ノイズの混入が防止できる。
【0079】
続いて、期間T2では、リセットクロックbがオフ状態となり、このリセットクロックbにより電荷検出回路10のリセットスイッチ3もオフ状態となり、電荷検出回路10の動作がスタートする。
【0080】
ここで、リセットスイッチ3がオフ状態になる時に、仮にオーバーサンプリングクロックdがオン(動作)状態であり、基板ノイズが電荷検出回路10に混入したとすると、電荷発生回路8の読み出しスイッチ2が接続されたデーターラインの寄生抵抗および寄生容量が大きいために、リセットスイッチ3のオン抵抗(TFTのオン抵抗)を介して、電荷検出回路10の演算増幅器5の出力電圧と入力電圧との間に電位差が生じ、この電位差を電荷検出回路10の演算増幅器5の帰還容量4が保持することによりノイズとなる。このように、リセット電圧である基準電圧Vrにノイズが載ってしまうと、電荷検出回路10での電荷読み出し、サンプルホールド回路6でのサンプルホールド、オーバーサンプリングAD変換器7でのAD変換動作が正しく行われても、ノイズ成分として、各AD変換サイクル(読み出しサイクル)にて異なるランダムなオフセットが現れることになる。したがって、期間T1において電荷発生回路8の読み出しスイッチ2が接続されたデーターラインおよび電荷検出回路10を十分にリセットし、期間T1〜T2の間にオーバーサンプリングAD変換器7に入力されるオーバーサンプリングクロックdをオフ状態にし停止させることが非常に重要となる。
【0081】
次に、期間T3では、電荷発生回路8に入力される電荷読み出しクロックaがオン状態となり、この電荷読み出しクロックaにより電荷発生回路8の読み出しスイッチ2がオン状態となり、電荷保持容量1に蓄積されている信号電荷が読み出しスイッチ2およびデーターラインを介して電荷検出回路10に読み出される。電荷保持容量1の下部電極には、電荷検出回路10に供給される基準電圧Vrと同じ電圧が供給されている。ここで、電荷保持容量1の電荷量をQdとし、電荷検出回路10の演算増幅器5の帰還容量4の容量値をCfとすると、電荷検出回路10の出力電圧(電荷検出回路出力信号レベル)は、Vr+(Qd/Cf)となる。また、上記のように電荷発生回路8の読み出しスイッチ2が接続されたデーターラインの寄生抵抗および寄生容量の影響により電荷保持容量1に蓄えられた信号電荷を読み出すのに時間がかかるため期間T3は長く設定する必要がある。
【0082】
図1(b)に示すように、期間T3は、電荷検出回路10のリセット期間である期間T1およびサンプルホールド回路6のサンプリング期間である期間T6と比較すると、非常に長くする必要があり1サイクルの信号読み出し期間の大部分を占める。また、図8に示すオーバーサンプリングAD変換器70において説明したように、量子化分解能が1ビットおよびノイズシェーピングの次数が2次の場合、信号読み出しにおいて14ビット以上の精度を確保しようとすると、理論上256倍のオーバーサンプリングが必要となる。したがって、1サイクルの信号読み出し期間の間に、オーバーサンプリングAD変換器7は、256周期分のクロックにてサンプルホールド回路6のサンプルホールド回路出力信号をAD変換処理する必要がある。本実施形態では、期間T3に256周期分のクロックをオーバーサンプリングAD変換器7に入力する必要がある。
【0083】
この場合、期間T3のみで256周期分のオーバーサンプリングクロックdを動作させても、期間T3が1サイクルの信号読み出し期間に占める割合が大きいため、従来のように1サイクルの信号読み出し期間の全期間にてオーバーサンプリングクロックdを動作させる場合と比較しても、オーバーサンプリングクロックdの周波数を若干高くするだけで256周期分のクロック数は維持できる。このため、1サイクルの信号読み出し期間はそのまま維持でき、信号の高速読み出しは可能である。
【0084】
電荷読み出し期間内の期間T3では、基板ノイズの影響を受けているが、図1(b)のタイミングチャートに示すように、電荷発生回路8から信号電荷の読み出しが完了し、電荷読み出しクロックaがオフ状態となり、この電荷読み出しクロックaにより読み出しスイッチ2をオフ状態にする期間T4の終端より前に、オーバーサンプリングクロックdをオフ状態して停止すれば電荷検出回路10に基板ノイズの影響がない安定動作状態で信号電荷の読み出しを完了でき、基板ノイズの影響を除去することが可能となる。すなわち、期間T3のオーバーサンプリングクロックdの動作期間にて電荷発生回路8からデーターラインを介して信号電荷の読み出しがほぼ完了し、次の安定読み出し期間である期間T4において、オーバーサンプリングクロック7が停止状態であるために基板ノイズのない安定な読み出し状態となる。
【0085】
期間T3および期間T4を合わせた期間が電荷読み出し期間であり、次の期間T5の開始時刻にて、電荷読み出しクロックaがオフ状態となり、この電荷読み出しクロックaにより読み出しスイッチ2をオフ状態にする。
【0086】
また、期間T5は、電荷発生回路8の読み出しスイッチ2のオン/オフ動作を制御する電荷読み出しクロックaからのフィードスルーノイズを除去し安定化させるために必要な期間である。フィードスルーノイズは、読み出しスイッチ2のオフ状態の時に、読み出しスイッチ2の電極間の容量を通じて入力側の電位が出力側に伝達されることによって生じるノイズである。
【0087】
次に、期間T6では、サンプルホールドクロックcがオン状態となり、サンプルホールド回路6は、サンプルホールドクロックcに基づいて制御される。そして、電荷検出回路10からの安定した出力信号がサンプルホールド回路6に出力され、その出力信号は、サンプルホールド回路6によってサンプリングされ、次の信号電荷の読み出しサイクルまでサンプルホールド回路出力信号レベルとしてホールドされる。この時、オーバーサンプリングクロックdが停止状態であるので、サンプルホールド回路6は、電荷検出回路10からの出力信号を基板ノイズのない安定した状態でサンプリングし、次の信号読み出し期間までホールドすることになる。一方、オーバーサンプリングAD変換器7は、上記のT3期間においてオーバーサンプリングクロックdを256周期分受け取り、サンプルホールド回路6の出力電圧をオーバーサンプリングする。
【0088】
そして、期間T7において、オーバーサンプリングAD変換器7は、AD変換処理の結果をAD出力信号として出力する。
【0089】
このように、図1(a)に示す本発明のAD変換装置9は、オーバーサンプリングAD変換器7を制御するオーバーサンプリングクロックdを電荷読み出し期間の終端部から安定読み出し期間T4を除いた所定期間T3内でオン状態にしてオーバーサンプリングAD変換器7を動作させることにより、基板ノイズに対し最も影響をうける電荷検出回路10の入力部への基板ノイズの混入を防止し、信号電荷の高精度の読み出しを実現するとともに、高速読み出しも可能となる。
【0090】
図2(a)は、本発明のAD変換装置を使用したX線センサー信号変換回路とX線センサー信号変換回路に信号電荷を出力するX線センサーとの構成を示すブロック図、図2(b)は、信号読み出し時のX線センサー信号変換回路における各信号のタイミングチャートである。ここで、図2(b)に示すタイミングチャートは、図10(b)に示すタイミングチャートと比較して、オーバーサンプリングクロックdの動作期間(期間T3)および期間T3終了後の期間T4が設けられていることが異なっており、その他は同様である。
【0091】
図2(a)に示すX線センサー信号変換回路37は、電荷検出回路10、ローパスフィルター回路を含む増幅回路11、サンプルホールド回路6およびオーバーサンプリングAD変換器7を有するAD変換装置が多系列に同一半導体基板上に複数配置され、さらにオーバーサンプリングAD変換器7にてAD変換処理された出力信号をラッチするラッチ回路12、ラッチ回路12にてラッチされた多系列のAD変換処理された出力信号を時分割に切り替えて出力するマルチプレクサ13および出力データー用のバッファー14が設けられた多チャンネルAD変換装置から構成される。
【0092】
X線センサー信号変換回路37の各チャンネルのAD変換装置の電荷検出回路10にはX線センサー36で発生した信号電荷が入力される。ここで、X線センサー36は、図7のX線センサー画素部18に示すTFTおよびX線変換素子を有する電荷発生回路8が図5に示すセンサー画面16のようにマトリクス状に配置されている。
【0093】
電荷検出回路10を制御する第1リセットクロックb、サンプルホールド回路6を制御するサンプルホールドクロックcおよびオーバーサンプリングAD変換器7を制御するオーバーサンプリングクロックdは、それぞれ独立した端子にて供給される構成になっている。
【0094】
第1リセットクロックb、サンプルホールドクロックc、オーバーサンプリングクロックd等の各信号の基本的なタイミングチャートは、図2(b)に示す通りである。すなわち、X線センサー36内の電荷発生回路8の電荷読み出しクロックであるTFTゲートクロックaがオン状態となり、このTFTゲートクロックaによりTFTがオン状態の期間T3およびT4内の期間T3内で、図1(b)に示すタイミングチャートと同様にオーバーサンプリングクロックdをオン状態にして動作させている。そして、第1リセットクロックb、サンプルホールドクロックcおよびオーバーサンプリングクロックdがそれぞれ独立した端子で供給されることにより、それぞれのクロックパルスのタイミング調整が可能となり、X線センサーシステムとして、信号電荷の変換精度、変換速度等において、画像を評価しながら、高精度および高速処理の最適タイミングを決定できる。
【0095】
具体的には、X線センサー36およびX線センサー信号変換回路37を有するX線センサーモジュールの制御クロック発生用にFPGA(Field Programmable Gate Array)チップ(図示せず)を配置し、プログラマブルにこれら第1リセットクロックb、サンプルホールドクロックc、オーバーサンプリングクロックd等のクロックパルスのタイミング調整を行うようにする。尚、TFTゲートクロックa、第1リセットクロックb、サンプルホールドクロックcおよびオーバーサンプリングクロックdは、それぞれ独立に制御できるように設定されている。
【0096】
次に、電荷検出回路10とサンプルホールド回路6との間には、ノイズを除去するローパスフィルター回路を含む増幅回路11を配置している。増幅回路11は、図7に示す増幅回路110と同様に演算増幅器133、帰還容量132およびリセットスイッチ131が設けられていても良い(図示せず)。また、増幅回路11は、増幅回路110と同様に第2リセットクロックfの動作時にリセットされる。第2リセットクロックfも、他のクロック信号と同様に独立に制御される。増幅回路11は、X線センサー36の電荷発生回路8からの信号電荷量が極めて小さく、このため電荷検出回路10の出力電圧が小さい場合に、オーバーサンプリングクロックAD変換器7のダイナミックレンジを有効に活用できる電圧範囲まで、信号電圧を増幅するために設けられている。また、増幅回路11に含まれるローパスフィルターは、X線センサー36からの低周波ノイズを相関2重サンプリング法によって除去するとともに、X線センサー36からの熱雑音を除去可能であり信号電荷の読み出しの高精度化が図れる。この動作については、図7の説明と同様である。
【0097】
そして、電荷検出回路10、ローパスフィルター回路を含む増幅回路11、サンプルホールド回路6およびオーバーサンプリングAD変換器7を有するAD変換装置が多系列に同一半導体基板上に配置され、さらにオーバーサンプリングAD変換器7にてAD変換処理された出力信号をラッチするラッチ回路12、ラッチ回路12にてラッチされた多系列のAD変換処理された出力信号を時分割に切り替えて出力するマルチプレクサ13および出力データー用のバッファー14が設けられることにより、上記の多チャンネルAD変換装置が構成される。
【0098】
このような本発明の多チャンネルAD変換装置は、高画素数(2880×2880)のX線センサーの9インチパネルからの出力電荷(信号電荷)を各データーラインを介して受け取り、それぞれの出力電荷に対して同時に高精度のAD変換処理が24個のチップを使用することにより可能となる。すなわち、本実施形態では、128チャンネルが1チップに内蔵されているものとする。
【0099】
次に、出力マルチプレクサ13および出力データー用のバッファー14に供給されるAD変換処理の結果の読み出し用クロックであるAD出力読み出しクロックgも、外部のX線センサー36の電荷発生回路8の電荷読み出し期間に含まれる期間T3のみでオン状態となり動作する。オーバーサンプリングAD変換器7にてAD変換処理されたAD変換データーをチップ外に出力するバッファー14は、別のチップである信号処理チップ(図示せず)にデーターを転送する必要があるため、駆動能力の高いトランジスタが使用されている。
【0100】
この場合、図8に示すオーバーサンプリングAD変換器70のA/Dデジタル部35と同様に大きな基板ノイズが発生する。したがって、AD出力読み出しクロックgも、外部の電荷発生回路8の電荷読み出し期間に含まれる期間T3のみで動作させることにより、AD出力読み出しクロックgの周波数を若干高くするだけで、1サイクルの信号読み出し期間はそのまま維持でき、信号電荷の高精度および高速読み出しが可能となる。
【0101】
上記の本発明の多チャンネルAD変換装置が設けられたX線センサー信号変換回路37およびX線センサー36を有する平面型X線画像センサーモジュールでは、多チャンネルの信号を高速および高精度にAD変換処理できるので、高精度な動画像撮影が実現できる。具体的には、図5に示すような2880×2880画素のX線センサーパネルのセンサー画面16と、128チャンネルが内蔵された多チャンネルAD変換装置が24個設けられた信号変換回路部17と、ゲートドライバ回路部15と、上記のような制御クロックを発生する制御部(FPGA)とによって、30フレーム/secの高精度な動画像撮影が可能となる。
【0102】
図3は、本発明のAD変換装置、多チャンネルAD変換装置およびX線センサーモジュールのAD変換制御方法のフローチャートである。
【0103】
まず、オフ状態の電荷読み出しクロックa(またはTFTゲートクロックa)により、読み出しスイッチ2をオフ状態にし、リセットクロックb(第1リセットクロックb)をオン状態にすることにより電荷検出回路10のリセットスイッチ3をオン状態にして電荷検出回路10の出力信号レベルをリセットする。すなわち、電荷検出回路10の演算増幅回路5の反転入力端子、非反転入力端子および出力端子と、電荷発生回路8(またはX線センサー36)に接続されたデーターラインとを全て基準電圧Vrにリセット(初期化)する(ステップS1)。ここで、電荷検出回路10とサンプルホールド回路6との間に増幅回路11が設けられている場合は、ステップS1にてオン状態の第2リセットクロックfにより増幅回路11のリセットスイッチをオン状態にして電荷検出回路10と同様に初期化する。尚、ステップS1では、オーバーサンプリングAD変換器7を制御するオーバーサンプリングクロックdは、停止状態である。
【0104】
次に、電荷読み出しクロックa(またはTFTゲートクロックa)がオン状態となり、その電荷読み出しクロックa(またはTFTゲートクロックa)により、読み出しスイッチ2をオン状態にし、電荷発生回路8(またはX線センサー36)内に蓄積された信号電荷をデーターライン、電荷検出回路10等を介してサンプルホールド回路に読み出す(ステップS2)。この場合、リセットクロック(または、第1リセットクロック1および第2リセットクロック)はオフ状態であり、読み出しスイッチ2がオン状態になった時点から電荷検出回路10および増幅回路11が動作を開始するとともに、オーバーサンプリングクロックdが動作状態となり、オーバーサンプリングAD変換器7にてAD変換処理を行う。
【0105】
次に、所定のオーバーサンプリングクロックdの所定期間内でのクロック数分のAD変換処理が完了すると、オーバーサンプリングクロックdを停止するとともに、AD変換処理結果を確定してAD変換器出力信号を出力する(ステップS3)。
【0106】
次に、所定の電荷読み出しクロックa(またはTFTゲートクロックa)がオフ状態になってからのフィードスルーノイズの除去期間を電荷発生回路8(またはX線センサー36)に確保した後(ステップS4)、サンプルホールドクロックcがオン状態となり、このサンプルホールドクロックcにより電荷検出回路10からの出力信号をサンプルホールド回路6にて保持する(ステップS5)。この時、サンプルホールド回路6では、次の信号読み出し期間にAD変換すべき信号をサンプルホールドクロックcによりサンプルホールド回路の出力信号レベルをサンプリングし、次の信号読み出しサイクルまでサンプルホールド回路の出力信号レベルをホールドする。
【0107】
さらに、多チャンネルAD変換装置およびこれを用いたX線センサーモジュールでは、サンプルホールドクロックcによりラッチ回路12でラッチされた多系列のオーバーサンプリングAD変換器7のAD出力信号を、AD出力読み出しクロックgに基づいて動作するマルチプレクサ13に入力し、マルチプレクサ13にて時分割に選択されたデーターに変換する。そして、時分割に選択されたデーターを、AD出力読み出しクロックgに基づいて動作するバッファー14を介して外部回路に、例えばAD出力m−1、AD出力m、AD出力m+1のように順番に出力する(ステップS6)。以上S1〜S6のステップを必要なデーター数に応じて繰り返す。
【0108】
以上の説明で明らかなように、本発明のAD変換装置は、同一の半導体基板に電荷検出回路、サンプルホールド回路およびオーバーサンプリングAD変換器を混載したAD変換装置で、外部の電荷発生回路の電荷読み出し期間のみでオーバーサンプリングAD変換器のオーバーサンプリングクロックを動作させることにより、電荷検出回路への基板ノイズの影響をなくし、高精度に動作させつつ高速読み出し動作を維持できる。
【0109】
また、本発明のAD変換装置および多チャンネルAD変換装置は、電荷検出回路のリセットクロックとサンプルホールド回路のサンプリングクロックとオーバーサンプリングAD変換器のオーバーサンプリングクロックを、独立した端子で供給できる構成であるから、それぞれのクロックのタイミング調整が可能となり、センサーシステムとして変換精度、変換速度の面で、画像を評価しながら、高精度、高速の最適タイミングを決定できる。
【0110】
さらに、本発明のAD変換装置および多チャンネルAD変換装置は、電荷検出回路とサンプルホールド回路の間に、ノイズを除去するローバスフィルター回路と電圧増幅回路とを配置することにより、オーバーサンプリングクロックの停止状態により基板ノイズの影響を除去した上で、センサーからの電荷信号が極めて小さい場合、オーバーサンプリングクロックAD変換器のダイナミックレンジにあわして電圧増幅ができ、かつセンサーからの低周波ノイズを相関2重サンプリング法で除去でき、かつセンサーからの熱雑音をローパスフィルターで除去でき高精度化できる。
【0111】
さらに、本発明のAD変換装置および多チャンネルAD変換装置は、電荷検出回路、ローパスフィルター、増幅回路、サンプルホールド回路、オーバーサンプリングAD変換器を、多系列に同一半導体基板上に複数配置し、多系列のAD変換器の出力を時系列に切り替えて出力するマルチプレクサと出力データー用バッファーを備えて多チャンネルAD変換装置とすることにより、高画素数のセンサーからの各データーラインへの出力電荷を高精度で同時にAD変換処理が数チップで可能となる。
【0112】
さらに、本発明の多チャンネルAD変換装置は、1実施の形態によれば、出力マルチプレクサ及び出力データー用バッファーに供給されるAD変換結果の読み出しクロックについても、外部の電荷発生回路の電荷読み出し期間のみで動作させることにより基板ノイズの影響をなくし高精度化できる。
【0113】
さらに、本発明のX線センサーモジュールは、多チャンネルの信号を高速、高精度にAD変換できる多チャンネルAD変換装置を使用しているので、高精度な動画像撮影を実現できる。
【0114】
【発明の効果】
本発明のAD変換装置は、電荷検出回路からの出力信号レベルをサンプリングするサンプリングホールド回路と、サンプリングしたサンプリングホールド回路出力信号レベルを所定期間内でAD変換用にサンプリングしてAD変換するAD変換回路とを有することによって、基板ノイズの影響を抑制するとともに、高精度および高速に信号読み出し動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明の実施形態であるAD変換装置の要部と電荷発生回路との構成を示すブロック図、(b)は、信号読み出し時の本発明のAD変換装置における各信号のタイミングチャートである。
【図2】本発明のAD変換装置を使用したX線センサー信号変換回路とX線センサーと構成を示すブロック図、(b)は、信号読み出し時のX線センサー信号変換回路における各信号のタイミングチャートである。
【図3】本発明のAD変換装置、多チャンネルAD変換装置およびX線センサーモジュールのAD変換制御方法のフローチャートである。
【図4】従来の多チャンネルAD変換装置の構成を示すブロック図である。
【図5】従来の多チャンネルAD変換装置が使用されるX線センサーモジュールの構成を示すブロック図である。
【図6】センサー画面を構成するX線変換素子の一部を示す回路図である。
【図7】従来の多チャンネルAD変換装置の信号読み出し部およびX線センサーモジュールのX線センサー画素部の回路図である。
【図8】オーバーサンプリングAD変換器70の構成を示すブロック図である。
【図9】従来の多チャンネルAD変換装置のAD変換処理された出力データーの読み出し部のブロック図である。
【図10】従来の多チャンネルAD変換装置の動作時の各信号のタイミングチャート図である。
【符号の説明】
1  電荷保持容量
2  読み出しスイッチ
3  リセットスイッチ
4  帰還容量
5  演算増幅器
6  サンプルホールド回路
7  オーバーサンプリングAD変換器
8  電荷発生回路
9  AD変換装置
10 電荷検出回路
11 増幅回路
12 ラッチ
13 マルチプレクサ
14 バッファー
36 X線センサー
37 X線センサー信号変換回路
a  電荷読み出しクロックまたはTFTゲートクロック
b  リセットクロックまたは第1リセットクロック
c  サンプルホールドクロック
d  オーバーサンプリングクロック
f  第2リセットクロック
g  AD出力読み出しクロック
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an AD converter, a multi-channel AD converter, an X-ray sensor module, and a control method thereof, and more particularly, includes an electric charge detection circuit, an amplifier circuit, a sample-and-hold circuit, and an oversampling AD (Analog to Digital) converter. The present invention relates to an AD converter, a multi-channel AD converter in which a plurality of the circuit systems are arranged, an X-ray sensor module in which an X-ray sensor is provided in the circuit system, and a control method thereof.
[0002]
[Prior art]
In the field of medical X-ray inspection apparatuses, X-ray image sensors are being developed in place of X-ray films and image intensifiers (photomultipliers). The X-ray image sensor has characteristics such as high resolution of pixels, high-speed processing of pixel signals, etc., can cope with moving image shooting, and is easily digitized. Further, since the X-ray image sensor can be applied to a wide range of examinations from general still image photography to contrast examinations of digestive organs, hearts, blood vessels, and the like, it will be important for the network age of medical information in the future. A signal readout circuit used in such an X-ray image sensor includes an A / D converter that reads out pixel signals with high precision and high speed in order to cope with reading out of a still image and a moving image at a high resolution as described above. Becomes indispensable.
[0003]
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a multi-channel AD converter used for a signal readout circuit of an X-ray image sensor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-94379.
[0004]
The multi-channel AD converter shown in FIG. 4 has a plurality of signal input terminals 1 to n corresponding to the multi-channel. In the multi-channel A / D converter, a charge detection circuit 100, an amplification circuit 110, a sample-and-hold circuit 60, an oversampling A / D converter 70, and a latch circuit 120 at the output of the A / D converter are connected to the respective signal input terminals 1 to n. Each of the latch circuits 120 is connected to a multiplexer (multiplex circuit) 130 for selecting and outputting one of the AD signals of the signals input from the respective channels. Further, a buffer 140 for amplifying the output signal of the multiplexer 130 and outputting the amplified signal to an external circuit is connected.
[0005]
With such a configuration, the multi-channel A / D converter shown in FIG. 4 operates in a circuit system connected to each of the signal input terminals 1 to n to simultaneously process a large number of pixel data and convert the A / D converted output signal into a latch circuit 120. The output signal is time-divisionally selected by the multiplexer 130 and output to the external circuit via the buffer 140.
[0006]
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of an X-ray sensor module using the multi-channel AD converter shown in FIG.
[0007]
The X-ray sensor module shown in FIG. 5 has a sensor screen 16. The sensor screen 160 converts X-rays irradiated on the screen into signal charges. This is a 9-inch panel on which line conversion elements are arranged. Each X-ray conversion element is provided with a TFT (thin film transistor) for extracting a signal charge generated in each X-ray conversion element. Further, the X-ray sensor module shown in FIG. 5 includes a gate driver circuit 150 for driving a TFT for extracting a signal charge of the X-ray conversion element, and a multi-channel AD conversion for converting a signal charge output from the TFT into an electric signal. A signal conversion circuit 170 using the device is provided, and the gate driver circuit 150 and the signal conversion circuit 170 are connected to the sensor screen 160 by a gate line and a data line, respectively.
[0008]
FIG. 6 is a circuit diagram showing a part of the X-ray conversion element constituting the sensor screen 160.
[0009]
In the circuit diagram shown in FIG. 6, the gate lines 330 and 320 are orthogonal to the data lines 190 and 200, and four TFTs 210, 220, 230 and 240 and four X-ray conversion elements 250 , 260, 270 and 280 are arranged in pairs. For example, the drain terminal and the gate terminal of the TFT 210 are connected to the data line 190 and the gate line 330, respectively, and the source terminal of the TFT 210 is connected to the X-ray conversion element 250. The drain terminal and the gate terminal of the TFT 220 are connected to the data line 190 and the gate line 320, respectively, and the source terminal of the TFT 220 is connected to the X-ray conversion element 260. The drain terminal and the gate terminal of the TFT 230 are connected to the data line 200 and the gate line 330, respectively, and the source terminal of the TFT 230 is connected to the X-ray conversion element 270. The drain terminal and the gate terminal of the TFT 240 are connected to the data line 200 and the gate line 320, respectively, and the source terminal of the TFT 240 is connected to the X-ray conversion element 280.
[0010]
The operation of the X-ray sensor module will be described with reference to the circuit diagram shown in FIG. Although the total number of the gate lines shown in FIG. 5 is 2,880, only one of the sets of the divided 1440 gate lines is selected at the time of signal readout in operation. It is controlled as follows.
[0011]
In the circuit diagram shown in FIG. 6, when the gate line 330 is selected, the TFTs 210 and 230 are turned on, and only the signal charges generated by the X-ray conversion element 250 are read out to the data line 190. Only the signal charges generated by the X-ray conversion element 270 are read from the data line 200. The signal charges read from the data lines 190 and 200 are digitized by a signal conversion circuit 170 in which the above-described multi-channel AD converter is incorporated.
[0012]
In this case, in order to capture a moving image with the X-ray sensor module, it is necessary to AD convert signal charges corresponding to image data of 30 screens per second.
[0013]
The number of gate lines that are driven and controlled in one screen is 1440 as described above. Therefore, the time for AD conversion of a signal selected and read out from one gate line is 1 second ÷ 30 screens ÷ 1440 lines ≒ 23 μs (43.2K samples / sec).
[0014]
FIG. 7 is a detailed circuit diagram of the signal reading unit of the multi-channel AD converter and the X-ray sensor pixel unit of the X-ray sensor module.
[0015]
The signal readout unit 250 shown in FIG. 7 corresponds to the charge detection circuit 100, the amplification circuit 110, and the sample hold circuit 60 of the multi-channel AD converter shown in FIG. 4, and the X-ray sensor pixel of the X-ray sensor module shown in FIG. The unit 180 is a charge generation source including the above-described X-ray conversion element and TFT.
[0016]
When X-rays enter the X-ray sensor of the X-ray sensor pixel unit 180 shown in FIG. 7, a pair of electrons (e) and holes (h) are generated in the photoelectric conversion layer of the X-ray conversion element. The electrons (e) or holes (h) reach the pixel electrode of the X-ray conversion element by the bias voltage and are held by the charge holding capacitor 101. The charge storage capacitor 101 is connected between the pixel electrode and ground (ground). The pixel electrode is connected to, for example, a source terminal of the TFT 102. The signal charge held in the charge holding capacitor 101 is applied to the gate line to which the gate terminal of the TFT 102 is connected by applying a TFT gate clock a to turn on the TFT 102, so that the signal charge is transferred from the source terminal to the drain terminal of the TFT 102. Then, the charge flows out to the data line to which the drain terminal is connected, and is input to the charge detection circuit 100 of the signal reading unit 250 connected to the data line, and the charge amount is detected.
[0017]
The charge detection circuit 100 of the signal reading unit 250 includes an operational amplifier 105, a feedback capacitor 104, and a reset switch 103. A reference voltage Vr is input to a non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 105 and fixed. A feedback capacitor 104 is connected between the inverting input terminal (−) and the output terminal of the operational amplifier 105, and a negative feedback circuit is configured. A reset switch 103 whose on / off state is controlled by the first reset clock b is connected in parallel to the feedback capacitor 104.
[0018]
The amplifier circuit 110 provided at the next stage of the charge detection circuit 100 includes an operational amplifier 133, a feedback capacitor 132, and a reset switch 131. The reference voltage Vr is input to a non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 133. It is fixed, and a feedback capacitor 132 is connected between the inverting input terminal (−) and the output terminal of the operational amplifier 133 to form a negative feedback circuit. A reset switch 131 whose on / off state is controlled by the second reset clock f is connected to the feedback capacitor 132 in parallel.
[0019]
The amplifier circuit 110 is provided to amplify the signal voltage to a voltage range where the dynamic range of the AD converter can be effectively used when the output voltage of the charge detection circuit 100 is small. In the case of an X-ray sensor, in a shooting mode of still image shooting, the period during which X-rays are irradiated is short, so that even if the X-ray dose is sufficiently increased, the effect on the human body is small. Therefore, in the shooting mode of still image shooting, the X-ray dose is large and the signal charge amount is large, so that the amplifier circuit 11 is not necessarily required.
[0020]
However, in the moving image capturing mode, it is necessary to set the X-ray irradiation period to a minute unit. In order to avoid the influence on the human body, the irradiated X-ray dose of the moving image capturing is compared with that of the still image capturing. It is necessary to make it about two digits weaker. Therefore, in the moving image shooting mode, the signal charge amount at the time of shooting a moving image is extremely small, and the output voltage of the charge detection circuit 100 is reduced. Therefore, the amplifier circuit 11 is required. Specifically, it is necessary to handle a charge amount of about 700e (e indicates a unit charge amount).
[0021]
A resistor 290 and a capacitor 300 are connected in series between the output terminal of the operational amplifier 105 of the charge detection circuit 100 and the inverting input terminal of the operational amplifier 133 of the amplifier circuit 110. The resistance element 290 and the capacitor 300 connected in series constitute a low-pass filter, and the capacitor 300 constituting the low-pass filter also acts as an input capacitance Cin for the inverting input terminal of the operational amplifier 133 of the amplifier circuit 110. As described above, the feedback capacitor 132 is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 133 to form a negative feedback circuit. In this case, the amplification factor (G) of the operational amplifier If Cf, G = Cin / Cf.
[0022]
The output signal of the amplifier circuit 111 is input to the sample and hold circuit 60, sampled and held by the sample and hold circuit 60, and sent to the oversampling AD converter 70. As described above, the operation of the sample and hold circuit 60 needs to be controlled by the sample and hold clock c of 43.2K samples / sec (23 μs) in order to cope with the operation in the shooting mode of moving image shooting.
[0023]
Such a configuration is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-51264. With this configuration, low-frequency noise or the like output from an X-ray sensor is removed by a correlated double sampling method, and a resistance element, a capacitance, and the like are removed. The low-pass filter eliminates thermal noise due to the parasitic resistance of the data line in the X-ray sensor.
[0024]
That is, since a low-frequency noise is generally superimposed on a signal output from a solid-state imaging device and adversely affects image quality, noise is reduced by a correlated double sampling method in order to read out a signal and perform AD conversion. There is a need. In the correlated double sampling method, a reference input (referred to as INr) and a data input (referred to as INd) which are successively input in time are respectively sampled, and a difference signal (INr-INd) is output to an actual pixel output. This is a method that uses data. Thereby, even if low frequency noise is superimposed on the input signal, it can be canceled by the difference processing. By simply adding the resistance element 290 and the capacitor 300 to the correlated double sampling circuit, a low-pass filter capable of reducing the thermal noise of the data line in the X-ray sensor can be configured.
[0025]
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of the oversampling AD converter 70. In the application of the X-ray sensor, it is necessary to improve the accuracy of a 14-bit class in order to realize a high resolution, and it is necessary to use an oversampling ΔΣ method.
[0026]
An oversampling AD converter 70 shown in FIG. 8 includes an A / D analog unit 340 including a switched capacitor type integrator using an operational amplifier, a capacitor, and a switch and a comparator, and an A / D that performs digital filter processing. It comprises a digital section 350. The A / D analog section 340 receives the output signal of the sample hold circuit 60, and the A / D digital section 350 outputs the signal that has been subjected to the AD conversion processing to the latch 120. The latch circuit 120 is controlled based on the sample and hold clock f.
[0027]
The A / D analog section 340 has the configuration of the oversampling ΔΣ type AD converter as described above, outputs the result of the AD conversion processing as a 1-bit bit stream, and outputs the output signal as a next-stage decimation filter. It is input to the functioning A / D digital section 350. The over-sampling clock d used in the over-sampling AD converter 70 is about 256 times 11 MHz which is about 256 times as large as 43.2 K samples / sec of the sample and hold clock f for controlling the operation of the sample and hold circuit 60 described above. It is necessary to oversample.
[0028]
The reason why an oversampling frequency 256 times the sample and hold frequency of the sample and hold circuit 60 is necessary for the operation of the oversampling AD converter 70 will be described. The oversampling ΔΣ method uses two high-precision techniques of noise shaping by oversampling and a ΔΣ circuit.
[0029]
Oversampling is a technique for reducing the quantization noise in the signal band and sampling the signal by sampling at a speed faster than twice the required signal band. For example, the quantization noise in the signal band becomes 1 / N by N times oversampling.
[0030]
In the noise shaping, the signal is integrated, quantized, and differentiated by the oversampling AD converter 70, whereby only the quantization noise is multiplied by the differentiation characteristic, the quantization noise in the low frequency region is reduced, and the signal is increased. This is a technique for improving accuracy.
[0031]
Combining the two techniques of oversampling and noise shaping can significantly reduce quantization noise in the signal band. As described above, when the quantization resolution is 1 bit and the order of the noise shaping is the second order, oversampling of 256 times is theoretically required to secure the accuracy of 14 bits or more.
[0032]
Thus, the oversampling AD converter 70 receives the oversampling clock d of about 11 MHz into the A / D analog unit 340 and the A / D digital unit 350, and the oversampling AD converter 70 performs a high-speed operation. .
[0033]
The signal output from the sample hold circuit 60 and input to the oversampling AD converter 70 is modulated into a 1-bit signal of 11 MHz by a 1-bit ΔΣ circuit in the A / D analog section 340, and decimation is performed in the A / D digital section 350. The data is converted to 14-bit data while being thinned out to 43.2 KHz by the filter.
[0034]
As described above, the decimation filter of the A / D digital section 350 removes the high-frequency quantization noise included in the 11 MHz 1-bit output signal output from the A / D analog section 340, and removes the target 43.2 KHz. An operation of thinning out a 14-bit signal by a factor of 1/256 is performed by a digital circuit.
[0035]
FIG. 9 is a block diagram of a read section of the output data subjected to the AD conversion processing of the multi-channel AD converter shown in FIG.
[0036]
The reading unit of the output data that has been subjected to the AD conversion processing illustrated in FIG. 9 includes a multiplexer 130 and a buffer 140. The 14-bit data simultaneously processed by the over-sampling AD converter of each channel and sampled at a period of 43.2K samples / sec are latched by the respective latches 120 for each channel at the same time, and then multi-sequenced by the multiplexer 130. Is converted to time-divided data for each stream. The converted data is sequentially output from the multi-channel AD converter to the external circuit by the buffer 140, and the operation of the multi-channel AD converter is completed. In this case, the multiplexer 130 and the buffer 140 operate based on the AD read clock g.
[0037]
Next, the overall operation of the multi-channel AD converter shown in FIG. 4 will be described with reference to the timing chart of each signal shown in FIG.
[0038]
In a period T1, which is a reset period of the timing chart shown in FIG. 10A, the first reset clock b and the second reset clock f are each in the ON state, and the charge detection circuit 100 of the signal reading unit 250 shown in FIG. The reset switch 103 and the reset switch 131 of the amplifier circuit 110 are both turned on by the first reset clock b and the second reset clock f, respectively, to connect between the inverting input terminal and the output terminal of each of the operational amplifiers 105 and 133. Both are short-circuited and reset. At this time, since the TFT gate clock a is off, the TFT 2 of the X-ray sensor pixel unit 180 of the X-ray sensor panel is off. At this time, the output terminal of the amplifier circuit 110 is in the reset state, and the reference voltage Vr is being output.
[0039]
Subsequently, in the period T8, the first reset clock b is turned off, the reset switch 103 of the charge detection circuit 100 is turned off by the first reset clock b, and the operational amplifier 105 of the charge detection circuit 100 starts operating. On the other hand, the second reset clock f keeps the on state, and the second reset clock f keeps the on state of the reset switch 131 of the amplifier circuit 110, so that the offset noise and flicker noise of the operational amplifier 105 and X The low frequency component noise of the line sensor pixel section 180 is absorbed by the capacitor 300 (correlated double sampling method). At this time, the output terminal of the amplifier circuit 110 is in the reset state, and the reference voltage Vr is being output.
[0040]
Next, in the period T2, the second reset clock f is also turned off, the reset switch 131 of the amplifier circuit 110 is also turned off by the second reset clock f, and the operational amplifier 133 of the amplifier circuit 110 starts operating. .
[0041]
Next, in a period T3 which is a charge reading period, the TFT gate clock a is turned on, and the TFT 102 is turned on by the TFT gate clock a, so that the charge holding capacitance of each X-ray sensor pixel unit 180 constituting the X-ray sensor panel is turned on. From 101, a signal charge corresponding to the received X-ray dose is transmitted from the source terminal of the TET 102 to the drain terminal, and further transmitted to the charge detection circuit 100 via a data line to which the drain terminal is connected, and is converted into a signal voltage.
[0042]
Reading the signal charge from the charge storage capacitor 101 requires time due to the influence of the parasitic resistance and the parasitic capacitance of the data line in the X-ray sensor pixel unit 180. Therefore, it is necessary to set the period T3 sufficiently long so that the charges in the charge storage capacitor 101 are completely read. The signal voltage based on the read signal charges output from the charge detection circuit 100 is amplified by the low-pass filter including the resistor 290 and the capacitor 300 while removing the thermal noise of the data line while having the feedback capacitor 132 and the operational amplifier 133. The voltage is amplified by the circuit 110 and output from the output terminal of the amplifier circuit 110. In this output signal, offset noise and flicker noise of the operational amplifier 105 and low-frequency component noise of the X-ray sensor pixel unit 180 are canceled by the correlated double sampling method.
[0043]
Next, in the period T5, the TFT gate clock a is turned off, the TFT 102 is turned off by the TFT gate clock a, and the signal charge is read out from the charge holding capacitor 101 of each X-ray sensor pixel unit 180, and the charge detection is performed. The output voltage of the signal read circuit including the circuit 100 and the amplifier circuit 110 is determined.
[0044]
Next, in the period T6, the sample hold clock c is turned on, and the output voltage signal of the signal readout circuit amplified by the amplifier circuit 110 is sampled by the sample hold circuit 60 and held until the next cycle. On the other hand, the oversampling AD converter 70 oversamples the sample and hold output voltage of the sample and hold circuit 6 based on an oversampling clock d having a frequency of 11 MHz which is 256 times the sample and hold clock frequency of 43.2 KHz.
[0045]
Then, in the period T7, each oversampling AD converter 70 outputs 14-bit data, which is an AD converter output signal, and is simultaneously latched by each latch circuit 120 for each stream. Thereafter, the 14-bit data output from the latch circuit 120 is converted by the multiplexer 130 operating based on the AD read clock g into data obtained by time-dividing each series of data for each series. The time-divided data is sequentially output from the buffer 140 that operates based on the AD read clock g to an external circuit, for example, as an AD output m-1, an AD output m, and an AD output m + 1. Operation is completed.
[0046]
The above-described multi-channel AD converter includes a large-scale digital circuit that operates with a high-speed clock such as an A / D digital unit 350 that performs digital filter processing in the oversampling AD converter 70, and an A / D analog unit 340. A simple analog circuit is an analog / digital mixed circuit in which the analog circuits are mixed on the same substrate, and it is necessary to sufficiently consider digital noise measures. Digital noise generated by the operation of the digital circuit causes deterioration of characteristics of the analog circuit. That is, when the digital circuit operates, a relatively large current is momentarily generated in the power supply line due to the on / off operation of the transistor, and the power supply voltage fluctuates, or the voltage fluctuation of the diffusion layer of the transistor causes the capacitance between the substrate and the substrate to change. To generate noise on the substrate. Such substrate noise affects an analog circuit sharing a semiconductor substrate and causes a deterioration in characteristics of the analog circuit.
[0047]
FIG. 10B is a timing chart of each signal when there is substrate noise from the digital circuit.
[0048]
As shown in FIG. 10B, substrate noise is generated by the operation of the digital circuit of the oversampling AD converter 70 that operates based on the oversampling clock d. This substrate noise is mixed into the charge detection circuit 100 that is most sensitive to noise, and the signal amplified by the amplifier circuit 11 is sampled and held by the sample and hold circuit 6 and output. As a result, the performance of the correlated double sampling operation deteriorates, and the performance of the sample and hold circuit 60 deteriorates due to the superposition of noise on the sample and hold output signal.
[0049]
Japanese Patent Laying-Open No. 5-143187 discloses a configuration for preventing the characteristic degradation of an analog circuit caused by such substrate noise. In the configuration disclosed in this publication, when an analog signal is sampled into a capacitor based on the operation timing of a switch, that is, when the switch is turned off and the sampled information is held, the operation reference clock of the digital circuit is stopped. By providing the means, digital noise is not added to the analog signal held by the capacitor, and the characteristic deterioration of the analog circuit can be prevented.
[0050]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-94379 (page 4, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-2002-51264 (page 3, FIG. 1)
[Patent Document 3]
JP-A-5-143187 (page 3, FIG. 1)
[0051]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the configuration disclosed in JP-A-5-143187 is directly incorporated into the multi-channel AD converter shown in FIG. 4, the following problem occurs.
[0052]
Considering the oversampling AD converter 70, a high-speed oversampling clock d having a frequency of 11 MHz is generated by a switched capacitor type integrator using an operational amplifier, a switch and a capacitor, and a comparator, as shown in FIG. The A / D analog unit 340 and the A / D digital unit 350 that perform digital filter processing as a digital noise source are input to both the A / D analog unit 340 and the A / D digital unit 350. Signal processing is performed at the same clock frequency. In this case, the operation of only the digital circuit unit cannot be stopped as in the configuration disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-143187. In addition, there is a method of adjusting the phase of the oversampling clock d input to the A / D digital unit 350 and the A / D analog unit 340. However, the oversampling clock frequency is as high as 11 MHZ, and the influence of digital noise is reduced. Detection of no phase difference is very difficult.
[0053]
Considering the signal reading unit 250 including the charge detection circuit 100, a signal handled by the charge detection circuit 100 at the time of capturing a moving image is an extremely small signal. Therefore, in the charge detection circuit 100, in addition to suppressing the thermal noise generated in the operational amplifier 105 and the feedback capacitor 104 and securing the dynamic range of the signal, it is necessary to suppress the power supply noise, the ground noise, and the silicon substrate noise as low as possible. . In particular, in the charge detection circuit 100, when the capacitance value of the built-in feedback capacitor 104 is Cf, and the total capacitance of the data line connected to the X-ray sensor unit and the input terminal of the charge detection circuit 100 is Ct, The noise on the input side of the amplifier 100 is amplified by a factor of Ct / Cf and appears at the output terminal of the charge detection circuit 100.
[0054]
Specifically, for example, when Cf is determined to be 4 pF from the detection sensitivity of the signal charge, since Ct is about Ct = 40 pF, noise generated from a transistor or the like on the input side of the charge detection circuit 100 is amplified about 10 times. Output. Therefore, as compared with the noise mixing in the analog circuit of the A / D analog section 340 of the oversampling AD converter 70, the noise mixing in the charge detection circuit 100 particularly causes a remarkable reduction in S / N.
[0055]
As described above, when the oversampling AD converter 70 is used for high-precision reading of a signal, a large-scale digital circuit of the A / D digital unit 350 and a switched capacitor integration circuit of the A / D analog unit 340 are used. Since high-speed operation is performed by a high-frequency clock signal, silicon substrate noise, power supply noise, ground noise, and the like flow into the charge detection circuit 100 and the amplification circuit 110, and the accuracy of signal reading in the entire multi-channel AD converter can be improved. I can't.
[0056]
An object of the present invention is to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide an AD converter, a multi-channel AD converter, which can perform a signal reading operation with high accuracy and high speed while suppressing the influence of substrate noise. An object of the present invention is to provide an X-ray sensor module and a control method thereof.
[0057]
[Means for Solving the Problems]
An AD converter according to the present invention includes a sampling and holding circuit for sampling an output signal level from a charge detection circuit, and an AD conversion circuit for sampling and sampling the output signal level of the sampled sampling and holding circuit for AD conversion within a predetermined period. And the above object is achieved.
[0058]
Preferably, in the AD converter according to the present invention, the charge detection circuit is reset by a reset clock, the sample and hold circuit controls a sampling operation by a sampling and hold clock, and the AD conversion circuit performs an AD conversion by an oversampling clock. The operation is controlled, and the oversampling clock is controlled so that the charge detection circuit performs the sampling operation within a predetermined period excluding the stable readout period from the end of the charge readout period for reading out the signal charge from the external charge generation circuit. A / D-converts the output signal level of the sampling and holding circuit sampled by the sampling and holding clock.
[0059]
Further, preferably, in the AD converter of the present invention, the reset clock, the sampling hold clock, and the oversampling clock can be independently controlled.
[0060]
Still preferably, in the AD converter according to the present invention, an amplifier circuit including a low-pass filter is provided between the charge detection circuit and the sample hold circuit, and the amplifier circuit is reset by a reset clock, and the reset clock can be independently controlled. It is.
[0061]
A multi-channel AD converter according to the present invention includes the AD converter according to any one of claims 1 to 4 arranged for each channel, and outputs each AD converter and an AD output signal of each AD converter. Each latch circuit for latching, a multiplexer for selectively outputting each output signal from each latch circuit in a time-division manner, and a buffer for driving the output signal of the multiplexer are provided on the same semiconductor substrate, Thereby, the above object is achieved.
[0062]
An X-ray sensor module according to the present invention includes an X-ray sensor and the multi-channel AD converter according to claim 6, wherein an output signal of the X-ray sensor is input to a charge detection circuit. This achieves the above object.
[0063]
Further, preferably, in the X-ray sensor module of the present invention, the X-ray sensor includes an X-ray conversion element, a charge holding capacity means for holding the charge generated in the X-ray conversion element, and a charge storage capacity means for storing the charge. A plurality of X-ray sensor pixel units each including a switch circuit for controlling output are arranged.
[0064]
Further, preferably, in the X-ray sensor module of the present invention, the charge readout clock for controlling the on / off operation of the switch circuit can be independently controlled.
[0065]
In the control method of the AD converter according to the present invention, a first step of resetting an output signal level of a charge detection circuit by a reset signal, and after resetting, reading out a signal charge from an external charge generation circuit to a sample and hold circuit; A second step of performing an A / D conversion process on the output signal level of the sample and hold circuit by turning on the oversampling clock; and outputting the output of the A / D conversion circuit after completion of the A / D conversion operation within a predetermined period of the oversampling clock. A third step of outputting a signal, a fourth step of providing a predetermined noise removal period in the charge generation circuit, and an output signal level of a sample and hold circuit to be A / D converted in a next signal readout period by a sampling and holding clock. Sampled until the next signal readout period. A fifth step of holding the output signal level of the hold circuit, which has at least one cycle a series of steps including the above-described object can be achieved.
[0066]
According to the control method of the multi-channel AD converter of the present invention, a first step of resetting an output signal level of a charge detection circuit by a reset signal, and reading out a signal charge from an external charge generation circuit to a sample and hold circuit after resetting A second step of performing an A / D conversion process on the output signal level of the sample and hold circuit by turning on the oversampling clock; and outputting the A / D conversion circuit output after the completion of the A / D conversion process within a predetermined period of the oversampling clock. A third step of outputting a signal, a fourth step of providing a predetermined noise elimination period in the charge generation circuit, and a sampling and holding clock for setting the output signal level of the sample and hold circuit to be A / D converted in the next signal reading period. Sampling and sampling until the next signal readout period A fifth step of holding the output signal level of the AD converter circuit in the latch circuit and latching the output signal of the AD converter circuit in the latch circuit, and reading the AD converter circuit output signal of the AD converter circuit latched by the latch circuit. A sixth step of time-divisionally selecting with a clock controlled multiplexer and outputting to an external circuit via a buffer, comprising at least one cycle, thereby achieving the above object. You.
[0067]
The method for controlling an X-ray sensor module according to the present invention includes a first step of resetting an output signal level of a charge detection circuit by a reset signal, reading a signal charge from the X-ray sensor to a sample and hold circuit after resetting, and performing oversampling. A second step of performing an A / D conversion process on the output signal level of the sample and hold circuit by turning on the clock, and outputting an output signal of the A / D conversion circuit after the completion of the A / D conversion process within a predetermined period of the oversampling clock. A third step, a fourth step of providing a predetermined noise elimination period in the X sensor, and sampling by a sampling and holding clock as an output signal level of a sample and hold circuit to be A / D-converted in a next signal reading period. Sample hold until signal readout period A fifth step of holding the output signal level of the AD converter circuit and latching the output signal of the AD converter circuit in the latch circuit, and reading out the AD converter circuit output signal of the AD converter circuit latched by the latch circuit. A sixth step of time-divisionally selecting with a clock-controlled multiplexer and outputting to an external circuit via a buffer, comprising at least one cycle, thereby achieving the above object. Is done.
[0068]
The operation of the above configuration will be described below.
[0069]
The AD converter according to the present invention turns on an oversampling clock for controlling an oversampling A / D converter as an A / D conversion circuit within a predetermined period excluding a stable reading period from an end portion of a charge reading period and performs oversampling A / D conversion. By operating the detector, it is possible to prevent the substrate noise from being mixed into the input portion of the charge detection circuit, which is most affected by the substrate noise, to realize high-precision reading of the signal charges, and to perform high-speed reading.
[0070]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0071]
FIG. 1A is a block diagram illustrating a configuration of a main part of an AD converter according to an embodiment of the present invention and a charge generation circuit that outputs signal charges to the AD converter.
[0072]
An AD converter 9 shown in FIG. 1A includes a charge detection circuit 10 for detecting signal charges on the same semiconductor substrate, a sample-and-hold circuit 6 for sampling an output signal level from the charge detection circuit 10, and a sample-and-hold circuit 6. An oversampling A / D converter 7 which is an A / D conversion circuit for performing an A / D conversion on the output signal of the X-ray sensor is provided. read out. FIG. 1B shows a timing chart of each signal in the AD converter 9 at the time of reading the signal. Here, the charge generation circuit 8 shown in FIG. 1A assumes the X-ray sensor pixel unit 180 including the X-ray conversion element, the charge storage capacitor 101, and the TFT 102 shown in FIG. The X-ray sensor pixel unit 180 is not limited as long as it has a function of generating electric charges.
[0073]
The charge generation circuit 8 shown in FIG. 1A performs an on / off operation based on a charge generation unit (not shown), a charge storage capacitor 1 for holding signal charges generated by the charge generation unit, and a charge read clock a. It has a read switch 2. The charge storage capacitor 1 is connected between one terminal of the read switch 2 and a region in which the reference voltage Vr is set, and the other terminal of the read switch 2 is connected to a charge detection circuit of the AD converter 9 via a data line. Connected to circuit 10. The signal charge held in the charge holding capacitor 1 is transmitted to the data line to which the read switch 2 is connected and connected to the data line when the charge read clock a is applied and the read switch 2 is turned on. The charge is input to the charge detection circuit 10 of the AD converter 9 and the charge amount is detected.
[0074]
The charge detection circuit 10 of the AD converter 9 includes an operational amplifier 5, a feedback capacitor 4, and a reset switch 3. A reference voltage Vr is input to a non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 5, and is fixed. The feedback capacitor 4 is connected between the inverting input terminal (−) and the output terminal of the operational amplifier 5 to form a negative feedback circuit. A reset switch 3 whose on / off state is controlled by the reset clock b is connected in parallel to the feedback capacitor 4.
[0075]
The output signal level of the charge detection circuit 1 is input to a sample and hold circuit 6 controlled based on a sample and hold clock c, sampled and held by the sample and hold circuit 6, and the sample and hold circuit 6 output signal level is The signal is input to the oversampling AD converter 7 controlled based on the oversampling clock d and is oversampled. Then, the oversampling AD converter 7 outputs the result of the AD conversion process as an AD converter output signal level.
[0076]
The charge read clock a, reset clock b, sample hold clock c, and oversampling clock d shown in FIG. 1A are set so as to be independently controllable.
[0077]
Next, the operation of the AD converter 9 will be described in detail with reference to the timing chart shown in FIG.
[0078]
In a period T1, which is a reset period shown in FIG. 1B, the charge read clock a of the charge generation circuit 8 is off, and the read switch 2 is turned off by the charge read clock a. In the A / D converter 9, in the charge detection circuit 10, the reset switch 3 is turned on by the reset clock b being on, and the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 5 are short-circuited. As a result, the data line connecting the read switch 2 of the charge generation circuit 8 and the inverting input terminal of the operational amplifier 5, the inverting input terminal, the non-inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 5 are all reset to the reference voltage Vr. Preparation for charge reading is performed. At this time, by turning off the oversampling clock d of the oversampling AD converter 7 and stopping it, it is possible to prevent substrate noise from being mixed in the reference voltage Vr which is the reset voltage of the charge detection circuit 10.
[0079]
Subsequently, in a period T2, the reset clock b is turned off, the reset switch 3 of the charge detection circuit 10 is turned off by the reset clock b, and the operation of the charge detection circuit 10 starts.
[0080]
If the oversampling clock d is on (operating) when the reset switch 3 is turned off and the substrate noise enters the charge detection circuit 10, the read switch 2 of the charge generation circuit 8 is connected. Due to the large parasitic resistance and parasitic capacitance of the data line, the potential difference between the output voltage and the input voltage of the operational amplifier 5 of the charge detection circuit 10 via the ON resistance of the reset switch 3 (the ON resistance of the TFT). Is generated, and the potential difference is held by the feedback capacitor 4 of the operational amplifier 5 of the charge detection circuit 10 to cause noise. As described above, when noise is added to the reference voltage Vr, which is the reset voltage, the charge readout by the charge detection circuit 10, the sample and hold by the sample and hold circuit 6, and the AD conversion operation by the oversampling AD converter 7 are correctly performed. Even if it is performed, a different random offset appears in each AD conversion cycle (read cycle) as a noise component. Therefore, in the period T1, the data line to which the readout switch 2 of the charge generation circuit 8 is connected and the charge detection circuit 10 are sufficiently reset, and the oversampling clock input to the oversampling AD converter 7 during the period T1 to T2. It is very important that d is turned off and stopped.
[0081]
Next, in the period T3, the charge read clock a input to the charge generation circuit 8 is turned on, and the read switch 2 of the charge generation circuit 8 is turned on by the charge read clock a, and is stored in the charge holding capacitor 1. The read signal charge is read out to the charge detection circuit 10 via the readout switch 2 and the data line. The same voltage as the reference voltage Vr supplied to the charge detection circuit 10 is supplied to the lower electrode of the charge storage capacitor 1. Here, assuming that the charge amount of the charge storage capacitor 1 is Qd and the capacitance value of the feedback capacitor 4 of the operational amplifier 5 of the charge detection circuit 10 is Cf, the output voltage (charge detection circuit output signal level) of the charge detection circuit 10 is , Vr + (Qd / Cf). Further, as described above, it takes time to read the signal charge stored in the charge storage capacitor 1 due to the influence of the parasitic resistance and the parasitic capacitance of the data line to which the readout switch 2 of the charge generation circuit 8 is connected. It needs to be set long.
[0082]
As shown in FIG. 1B, the period T3 needs to be very long compared with the period T1 which is a reset period of the charge detection circuit 10 and the period T6 which is a sampling period of the sample and hold circuit 6, and therefore, one cycle is required. Occupies most of the signal readout period. Further, as described in the oversampling AD converter 70 shown in FIG. 8, when the quantization resolution is 1 bit and the order of noise shaping is 2nd order, it is theoretically necessary to secure an accuracy of 14 bits or more in signal reading. Oversampling of the upper 256 times is required. Therefore, during the signal reading period of one cycle, the oversampling AD converter 7 needs to perform an AD conversion process on the output signal of the sample and hold circuit of the sample and hold circuit 6 with a clock for 256 cycles. In the present embodiment, it is necessary to input a clock for 256 cycles to the oversampling AD converter 7 during the period T3.
[0083]
In this case, even if the oversampling clock d for 256 cycles is operated only in the period T3, the ratio of the period T3 to the one-cycle signal read period is large. In comparison with the case where the oversampling clock d is operated, the number of clocks for 256 cycles can be maintained only by slightly increasing the frequency of the oversampling clock d. Therefore, the signal reading period of one cycle can be maintained as it is, and high-speed reading of signals is possible.
[0084]
In the period T3 in the charge readout period, the circuit is affected by the substrate noise. However, as shown in the timing chart of FIG. 1B, the readout of the signal charge from the charge generation circuit 8 is completed, and the charge readout clock a is generated. If the oversampling clock d is turned off and stopped before the end of the period T4 in which the readout switch 2 is turned off by the charge readout clock a, the charge detection circuit 10 is stabilized without the influence of substrate noise. The reading of the signal charges can be completed in the operation state, and the influence of the substrate noise can be removed. That is, in the operation period of the oversampling clock d in the period T3, the reading of the signal charges from the charge generation circuit 8 via the data line is almost completed, and the oversampling clock 7 is stopped in the next stable reading period T4. Because of this state, a stable reading state without substrate noise is obtained.
[0085]
The period in which the periods T3 and T4 are combined is a charge readout period. At the start time of the next period T5, the charge readout clock a is turned off, and the readout switch 2 is turned off by the charge readout clock a.
[0086]
The period T5 is a period necessary for removing and stabilizing feedthrough noise from the charge read clock a for controlling the on / off operation of the read switch 2 of the charge generation circuit 8. The feedthrough noise is noise generated when the potential on the input side is transmitted to the output side through the capacitance between the electrodes of the readout switch 2 when the readout switch 2 is off.
[0087]
Next, in a period T6, the sample hold clock c is turned on, and the sample hold circuit 6 is controlled based on the sample hold clock c. Then, a stable output signal from the charge detection circuit 10 is output to the sample-and-hold circuit 6, and the output signal is sampled by the sample-and-hold circuit 6, and held as a sample-and-hold circuit output signal level until the next signal charge read cycle. Is done. At this time, since the oversampling clock d is stopped, the sample and hold circuit 6 samples the output signal from the charge detection circuit 10 in a stable state without substrate noise, and holds the signal until the next signal reading period. Become. On the other hand, the oversampling A / D converter 7 receives the oversampling clock d for 256 periods in the above-mentioned T3 period, and oversamples the output voltage of the sample and hold circuit 6.
[0088]
Then, in the period T7, the oversampling AD converter 7 outputs the result of the AD conversion process as an AD output signal.
[0089]
As described above, the AD converter 9 of the present invention shown in FIG. 1 (a) uses the oversampling clock d for controlling the oversampling AD converter 7 for a predetermined period excluding the stable reading period T4 from the end of the charge reading period. By operating the over-sampling AD converter 7 in the ON state in T3, it is possible to prevent the substrate noise from being mixed into the input portion of the charge detection circuit 10, which is most affected by the substrate noise, and to obtain a highly accurate signal charge. Reading is realized, and high-speed reading is also possible.
[0090]
FIG. 2A is a block diagram showing a configuration of an X-ray sensor signal conversion circuit using the AD converter of the present invention and an X-ray sensor that outputs signal charges to the X-ray sensor signal conversion circuit, and FIG. 4) is a timing chart of each signal in the X-ray sensor signal conversion circuit at the time of signal reading. Here, the timing chart shown in FIG. 2B is different from the timing chart shown in FIG. 10B in that an operation period (period T3) of the oversampling clock d and a period T4 after the end of the period T3 are provided. Are different, and others are the same.
[0091]
The X-ray sensor signal conversion circuit 37 shown in FIG. 2A has a multi-series AD conversion device including the charge detection circuit 10, the amplification circuit 11 including the low-pass filter circuit, the sample-and-hold circuit 6, and the oversampling AD converter 7. A latch circuit 12 that is arranged on the same semiconductor substrate and latches an output signal that has been subjected to AD conversion processing by the oversampling AD converter 7, and a multi-series AD output processing signal that has been latched by the latch circuit 12. And a multi-channel AD converter provided with a multiplexer 13 for switching and outputting the data in a time division manner and a buffer 14 for output data.
[0092]
The signal charge generated by the X-ray sensor 36 is input to the charge detection circuit 10 of the AD converter of each channel of the X-ray sensor signal conversion circuit 37. Here, in the X-ray sensor 36, the charge generation circuit 8 having the TFT and the X-ray conversion element shown in the X-ray sensor pixel unit 18 in FIG. 7 is arranged in a matrix like the sensor screen 16 shown in FIG. .
[0093]
The first reset clock b for controlling the charge detection circuit 10, the sample and hold clock c for controlling the sample and hold circuit 6, and the oversampling clock d for controlling the oversampling AD converter 7 are supplied from independent terminals. It has become.
[0094]
A basic timing chart of each signal such as the first reset clock b, the sample hold clock c, and the oversampling clock d is as shown in FIG. That is, the TFT gate clock a, which is the charge read clock of the charge generation circuit 8 in the X-ray sensor 36, is turned on, and the TFT gate clock a turns the TFT on during the periods T3 and T3 in the period T4. As in the timing chart shown in FIG. 1B, the operation is performed with the oversampling clock d turned on. Since the first reset clock b, the sample hold clock c, and the oversampling clock d are supplied from independent terminals, the timing of each clock pulse can be adjusted. As an X-ray sensor system, signal charge conversion is performed. The optimum timing of high precision and high speed processing can be determined while evaluating the image in terms of precision, conversion speed, and the like.
[0095]
Specifically, an FPGA (Field Programmable Gate Array) chip (not shown) is arranged for generating a control clock of the X-ray sensor module having the X-ray sensor 36 and the X-ray sensor signal conversion circuit 37, and these chips are programmably arranged. The timing of clock pulses such as 1 reset clock b, sample hold clock c, and oversampling clock d is adjusted. The TFT gate clock a, the first reset clock b, the sample and hold clock c, and the oversampling clock d are set so that they can be controlled independently.
[0096]
Next, an amplifier circuit 11 including a low-pass filter circuit for removing noise is arranged between the charge detection circuit 10 and the sample-and-hold circuit 6. The amplifier circuit 11 may be provided with an operational amplifier 133, a feedback capacitor 132, and a reset switch 131 (not shown) as in the amplifier circuit 110 shown in FIG. The amplifier circuit 11 is reset at the time of the operation of the second reset clock f, similarly to the amplifier circuit 110. The second reset clock f is controlled independently similarly to other clock signals. The amplifying circuit 11 effectively increases the dynamic range of the oversampling clock AD converter 7 when the amount of signal charge from the charge generation circuit 8 of the X-ray sensor 36 is extremely small, and thus the output voltage of the charge detection circuit 10 is small. It is provided to amplify the signal voltage up to a usable voltage range. The low-pass filter included in the amplifier circuit 11 can remove low-frequency noise from the X-ray sensor 36 by the correlated double sampling method and can remove thermal noise from the X-ray sensor 36, and can read signal charges. High accuracy can be achieved. This operation is the same as that described with reference to FIG.
[0097]
An A / D converter having a charge detection circuit 10, an amplifying circuit 11 including a low-pass filter circuit, a sample-and-hold circuit 6, and an oversampling A / D converter 7 is arranged in multiple lines on the same semiconductor substrate. 7, a latch circuit 12 for latching the output signal subjected to the AD conversion processing, a multiplexer 13 for switching and outputting the multi-series AD converted output signal latched by the latch circuit 12 in a time division manner, and output data. The provision of the buffer 14 constitutes the above-described multi-channel AD converter.
[0098]
Such a multi-channel A / D converter of the present invention receives output charges (signal charges) from a 9-inch panel of an X-ray sensor having a high number of pixels (2880 × 2880) through each data line, and outputs each output charge. In this case, high-precision AD conversion processing can be simultaneously performed by using 24 chips. That is, in this embodiment, it is assumed that 128 channels are built in one chip.
[0099]
Next, the AD output read clock g, which is a read clock obtained as a result of the AD conversion processing supplied to the output multiplexer 13 and the output data buffer 14, is also used for the charge read period of the charge generation circuit 8 of the external X-ray sensor 36. Is turned on only during the period T3 included in the operation. The buffer 14 for outputting the A / D converted data subjected to the A / D conversion processing by the oversampling A / D converter 7 to the outside of the chip needs to be transferred to another signal processing chip (not shown). High performance transistors are used.
[0100]
In this case, as in the A / D digital section 35 of the oversampling AD converter 70 shown in FIG. Therefore, the AD output read clock g is also operated only during the period T3 included in the charge read period of the external charge generation circuit 8, so that the frequency of the AD output read clock g is slightly increased, and one cycle of signal read is performed. The period can be maintained as it is, and high-precision and high-speed reading of signal charges can be performed.
[0101]
In the flat X-ray image sensor module having the X-ray sensor signal conversion circuit 37 and the X-ray sensor 36 provided with the above-described multi-channel AD conversion device of the present invention, the multi-channel signals are AD-converted at high speed and with high accuracy. Therefore, highly accurate moving image shooting can be realized. Specifically, as shown in FIG. 5, a sensor screen 16 of an X-ray sensor panel of 2880 × 2880 pixels, a signal conversion circuit unit 17 provided with 24 multi-channel AD converters each having 128 channels, The gate driver circuit unit 15 and the control unit (FPGA) that generates the control clock as described above enable high-precision moving image shooting at 30 frames / sec.
[0102]
FIG. 3 is a flowchart of the AD conversion device, the multi-channel AD conversion device, and the AD conversion control method of the X-ray sensor module of the present invention.
[0103]
First, the read switch 2 is turned off by the charge read clock a (or the TFT gate clock a) in the off state, and the reset switch b of the charge detection circuit 10 is turned on by turning on the reset clock b (first reset clock b). 3 is turned on, and the output signal level of the charge detection circuit 10 is reset. That is, the inverting input terminal, the non-inverting input terminal, and the output terminal of the operational amplifier circuit 5 of the charge detection circuit 10 and the data line connected to the charge generation circuit 8 (or the X-ray sensor 36) are all reset to the reference voltage Vr. (Initialization) (Step S1). Here, when the amplifier circuit 11 is provided between the charge detection circuit 10 and the sample hold circuit 6, the reset switch of the amplifier circuit 11 is turned on by the second reset clock f which is on in step S1. To initialize as in the case of the charge detection circuit 10. In step S1, the oversampling clock d for controlling the oversampling A / D converter 7 is stopped.
[0104]
Next, the charge read clock a (or the TFT gate clock a) is turned on, the read switch 2 is turned on by the charge read clock a (or the TFT gate clock a), and the charge generation circuit 8 (or the X-ray sensor 36) The signal charges stored in the memory are read out to the sample and hold circuit via the data line, the charge detection circuit 10, and the like (step S2). In this case, the reset clocks (or the first reset clock 1 and the second reset clock) are in an off state, and the charge detection circuit 10 and the amplification circuit 11 start operating from the time when the read switch 2 is turned on. , The oversampling clock d is activated, and the oversampling AD converter 7 performs an AD conversion process.
[0105]
Next, when the AD conversion processing for the number of clocks within the predetermined period of the predetermined oversampling clock d is completed, the oversampling clock d is stopped, the AD conversion processing result is determined, and the AD converter output signal is output. (Step S3).
[0106]
Next, after the charge generation circuit 8 (or the X-ray sensor 36) secures a feed-through noise removal period after the predetermined charge read clock a (or the TFT gate clock a) is turned off (step S4). Then, the sample hold clock c is turned on, and the output signal from the charge detection circuit 10 is held in the sample hold circuit 6 by the sample hold clock c (step S5). At this time, the sample and hold circuit 6 samples the output signal level of the sample and hold circuit by the sample and hold clock c for a signal to be A / D converted during the next signal read period, and outputs the signal level of the sample and hold circuit until the next signal read cycle. Hold.
[0107]
Further, in the multi-channel A / D converter and the X-ray sensor module using the same, the A / D output signal of the multi-series oversampling A / D converter 7 latched by the latch circuit 12 by the sample and hold clock c is converted to an A / D output read clock g. Is input to the multiplexer 13 that operates based on the data, and the data is converted by the multiplexer 13 into data selected in a time-division manner. Then, the data selected in a time-division manner is sequentially output to an external circuit via the buffer 14 operating based on the AD output read clock g, for example, AD output m-1, AD output m, and AD output m + 1. (Step S6). The steps S1 to S6 are repeated according to the required number of data.
[0108]
As is apparent from the above description, the AD converter according to the present invention is an AD converter in which a charge detection circuit, a sample hold circuit, and an oversampling AD converter are mounted on the same semiconductor substrate. By operating the oversampling clock of the oversampling AD converter only in the reading period, the influence of substrate noise on the charge detection circuit can be eliminated, and high-speed reading operation can be maintained while operating with high accuracy.
[0109]
Further, the AD converter and the multi-channel AD converter of the present invention are configured such that the reset clock of the charge detection circuit, the sampling clock of the sample and hold circuit, and the oversampling clock of the oversampling AD converter can be supplied from independent terminals. Thus, the timing of each clock can be adjusted, and a high-precision, high-speed optimal timing can be determined while evaluating an image in terms of conversion accuracy and conversion speed as a sensor system.
[0110]
Further, the AD converter and the multi-channel AD converter according to the present invention include a low-pass filter circuit for removing noise and a voltage amplifier circuit between the charge detection circuit and the sample-and-hold circuit, so that the oversampling clock can be reduced. When the influence of the substrate noise is removed by the stop state and the charge signal from the sensor is extremely small, the voltage can be amplified according to the dynamic range of the oversampling clock AD converter, and the low frequency noise from the sensor is correlated. It can be removed by the double sampling method, and the thermal noise from the sensor can be removed by a low-pass filter, and the accuracy can be improved.
[0111]
Further, the AD converter and the multi-channel AD converter according to the present invention include a charge detection circuit, a low-pass filter, an amplifier circuit, a sample-and-hold circuit, and an oversampling AD converter, which are arranged in a plurality of series on the same semiconductor substrate. By providing a multi-channel A / D converter having a multiplexer and an output data buffer for switching and outputting the output of the series A / D converter in time series, the output charge to each data line from a sensor having a large number of pixels can be increased. A / D conversion processing can be performed simultaneously with high accuracy by several chips.
[0112]
Further, according to one embodiment, the multi-channel A / D converter of the present invention provides a read clock of an A / D conversion result supplied to an output multiplexer and an output data buffer only in a charge read period of an external charge generation circuit. In this case, the effect of substrate noise can be eliminated and the accuracy can be improved.
[0113]
Furthermore, since the X-ray sensor module of the present invention uses a multi-channel AD converter capable of high-speed, high-precision AD conversion of multi-channel signals, high-precision moving image shooting can be realized.
[0114]
【The invention's effect】
An AD converter according to the present invention includes a sampling and holding circuit for sampling an output signal level from a charge detection circuit, and an AD conversion circuit for sampling and sampling the output signal level of the sampled sampling and holding circuit for AD conversion within a predetermined period. With this configuration, the effect of substrate noise can be suppressed, and a highly accurate and high-speed signal reading operation can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a block diagram showing a configuration of a main part of an AD converter according to an embodiment of the present invention and a charge generation circuit, and FIG. 1B is a block diagram of the AD converter according to the present invention at the time of signal reading. 6 is a timing chart of each signal.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an X-ray sensor signal conversion circuit and an X-ray sensor using the AD converter of the present invention, and FIG. 2 (b) is a timing of each signal in the X-ray sensor signal conversion circuit at the time of signal reading. It is a chart.
FIG. 3 is a flowchart of an AD converter, a multi-channel AD converter, and an AD conversion control method of an X-ray sensor module according to the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a conventional multi-channel AD converter.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of an X-ray sensor module using a conventional multi-channel AD converter.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a part of an X-ray conversion element constituting a sensor screen.
FIG. 7 is a circuit diagram of a signal reading section of a conventional multi-channel AD converter and an X-ray sensor pixel section of an X-ray sensor module.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of an oversampling AD converter 70.
FIG. 9 is a block diagram of a reading section of output data subjected to AD conversion processing of a conventional multi-channel AD converter.
FIG. 10 is a timing chart of each signal when the conventional multi-channel AD converter operates.
[Explanation of symbols]
1 Charge retention capacity
2 Readout switch
3 Reset switch
4 Return capacity
5 Operational amplifier
6 Sample hold circuit
7 Oversampling AD converter
8 Charge generation circuit
9 AD converter
10. Charge detection circuit
11 Amplifier circuit
12 Latch
13 Multiplexer
14 buffers
36 X-ray sensor
37 X-ray sensor signal conversion circuit
a Charge read clock or TFT gate clock
b reset clock or first reset clock
c Sample hold clock
d Oversampling clock
f Second reset clock
g AD output read clock

Claims (11)

電荷検出回路からの出力信号レベルをサンプリングするサンプリングホールド回路と、サンプリングしたサンプリングホールド回路の出力信号レベルを所定期間内でAD変換用にサンプリングしてAD変換するAD変換回路とを有することを特徴とするAD変換装置。A sampling and holding circuit for sampling an output signal level from the charge detection circuit; and an AD conversion circuit for sampling and AD converting the output signal level of the sampled sampling and holding circuit for AD conversion within a predetermined period. A / D converter. 前記電荷検出回路は、リセットクロックによってリセットされ、前記サンプルホールド回路は、サンプリングホールドクロックによってサンプリング動作を制御され、前記AD変換回路は、オーバーサンプリングクロックによってAD変換動作を制御されており、
該オーバーサンプリングクロックは、該電荷検出回路が外部の電荷発生回路から信号電荷を読み出す電荷読み出し期間の終端部から安定読み出し期間を除いた前記所定期間内でサンプリング動作させるように制御され、該サンプリングホールドクロックによってサンプリングされた該サンプリングホールド回路の出力信号レベルをAD変換する請求項1に記載のAD変換装置。
The charge detection circuit is reset by a reset clock, the sample and hold circuit is controlled in sampling operation by a sampling and holding clock, and the A / D conversion circuit is controlled in an A / D conversion operation by an oversampling clock.
The oversampling clock is controlled so that the charge detection circuit performs a sampling operation within the predetermined period excluding a stable readout period from a terminal end of a charge readout period for reading out signal charges from an external charge generation circuit. 2. The AD converter according to claim 1, wherein AD conversion is performed on the output signal level of the sampling and holding circuit sampled by the clock.
前記リセットクロック、サンプリングホールドクロックおよびオーバーサンプリングクロックはそれぞれ独立して制御可能である請求項2に記載のAD変換装置。The AD converter according to claim 2, wherein the reset clock, the sampling hold clock, and the oversampling clock can be independently controlled. 前記電荷検出回路およびサンプルホールド回路間に、ローパスフィルタを含む増幅回路が設けられ、該増幅回路はリセットクロックによってリセットされ、該リセットクロックは独立して制御可能である請求項2に記載のAD変換装置。3. The A / D converter according to claim 2, wherein an amplification circuit including a low-pass filter is provided between the charge detection circuit and the sample hold circuit, and the amplification circuit is reset by a reset clock, and the reset clock is independently controllable. apparatus. 請求項1〜4のいずれかに記載のAD変換装置を各チャンネル毎にそれぞれ配置し、それぞれの各AD変換装置と、該各AD変換装置のAD出力信号をそれぞれラッチする各ラッチ回路と、該各ラッチ回路からの各出力信号を時分割にそれぞれ選択出力するマルチプレクサと、該マルチプレクサの出力信号を駆動するバッファーとが同一半導体基板上に設けられている多チャンネルAD変換装置。5. The AD converter according to claim 1, which is arranged for each channel, each AD converter, each latch circuit for latching an AD output signal of each AD converter, A multi-channel AD converter in which a multiplexer for selectively outputting each output signal from each latch circuit in a time-division manner and a buffer for driving the output signal of the multiplexer are provided on the same semiconductor substrate. X線センサーと、該X線センサーの出力信号が前記電荷検出回路に入力される請求項6に記載の多チャンネルAD変換装置とが設けられているX線センサーモジュール。An X-ray sensor module provided with an X-ray sensor and the multi-channel AD converter according to claim 6, wherein an output signal of the X-ray sensor is input to the charge detection circuit. 該X線センサーは、X線変換素子、該X線変換素子で発生する電荷を保持する電荷保持容量手段および該電荷保持容量手段に蓄積された電荷の出力を制御するスイッチ回路から成るX線センサー画素部が複数配置されている請求項6に記載のX線センサーモジュール。The X-ray sensor includes an X-ray conversion element, a charge storage capacitor for holding the charge generated by the X-ray conversion element, and a switch circuit for controlling the output of the charge stored in the charge storage capacitor. The X-ray sensor module according to claim 6, wherein a plurality of pixel units are arranged. 前記スイッチ回路のオン/オフ動作を制御する電荷読み出しクロックは独立に制御可能である請求項7に記載のX線センサーモジュール。The X-ray sensor module according to claim 7, wherein a charge readout clock for controlling on / off operation of the switch circuit can be independently controlled. リセット信号により電荷検出回路の出力信号レベルをリセットする第1のステップと、
該リセット後に、外部の電荷発生回路からの信号電荷をサンプルホールド回路に読み出すとともに、オーバーサンプリングクロックをオン状態にして該サンプルホールド回路の出力信号レベルをAD変換処理する第2のステップと、
該オーバーサンプリングクロックの所定期間内での該AD変換処理の動作完了後、AD変換回路の出力信号を出力する第3のステップと、
所定のノイズ除去期間を該電荷発生回路に設ける第4のステップと、
サンプリングホールドクロックにより、次の信号読み出し期間にAD変換すべきサンプルホールド回路の出力信号レベルとしてサンプリングし、次の信号読み出し期間までサンプルホールド回路の出力信号レベルを保持する第5のステップと、
を含む一連の各ステップを少なくとも1サイクル有するAD変換装置の制御方法。
A first step of resetting an output signal level of the charge detection circuit by a reset signal;
A second step of reading the signal charge from the external charge generation circuit to the sample and hold circuit after the reset, turning on an oversampling clock, and performing an A / D conversion on the output signal level of the sample and hold circuit;
A third step of outputting an output signal of the AD conversion circuit after the completion of the operation of the AD conversion processing within a predetermined period of the oversampling clock;
A fourth step of providing a predetermined noise removal period in the charge generation circuit;
A fifth step of sampling the output signal level of the sample and hold circuit to be A / D-converted in the next signal readout period by the sampling and holding clock, and holding the output signal level of the sample and hold circuit until the next signal readout period;
A method for controlling an AD converter having at least one cycle of each of a series of steps including:
リセット信号により電荷検出回路の出力信号レベルをリセットする第1のステップと、
該リセット後に、外部の電荷発生回路からの信号電荷をサンプルホールド回路に読み出すとともに、オーバーサンプリングクロックをオン状態にして該サンプルホールド回路の出力信号レベルをAD変換処理する第2のステップと、
該オーバーサンプリングクロックの所定期間内での該AD変換処理の動作完了後、AD変換回路の出力信号を出力する第3のステップと、
所定のノイズ除去期間を該電荷発生回路に設ける第4のステップと、
サンプリングホールドクロックにより、次の信号読み出し期間にAD変換すべきサンプルホールド回路の出力信号レベルとしてサンプリングし、次の信号読み出し期間までサンプルホールド回路の出力信号レベルを保持するとともに、ラッチ回路に該AD変換回路の出力信号をラッチする第5のステップと、
該ラッチ回路にてラッチした該AD変換回路のAD変換回路出力信号を、AD出力読み出しクロックによって制御されるマルチプレクサで時分割に選択し、バッファーを介して外部回路に出力する第6のステップと、
を含む一連の各ステップを少なくとも1サイクル有する多チャンネルAD変換装置の制御方法。
A first step of resetting an output signal level of the charge detection circuit by a reset signal;
A second step of reading the signal charge from the external charge generation circuit to the sample and hold circuit after the reset, turning on an oversampling clock, and performing an A / D conversion on the output signal level of the sample and hold circuit;
A third step of outputting an output signal of the AD conversion circuit after the completion of the operation of the AD conversion processing within a predetermined period of the oversampling clock;
A fourth step of providing a predetermined noise removal period in the charge generation circuit;
The sampling and holding clock samples the output signal level of the sample and hold circuit to be A / D-converted in the next signal readout period, holds the output signal level of the sample and hold circuit until the next signal readout period, and causes the latch circuit to perform the AD conversion. A fifth step of latching the output signal of the circuit;
A sixth step of selecting an A / D conversion circuit output signal of the A / D conversion circuit latched by the latch circuit in a time division manner by a multiplexer controlled by an A / D output read clock, and outputting the selected signal to an external circuit via a buffer;
A method for controlling a multi-channel AD converter having at least one cycle of each series of steps including:
リセット信号により電荷検出回路の出力信号レベルをリセットする第1のステップと、
該リセット後に、X線センサーから信号電荷をサンプルホールド回路に読み出すとともに、オーバーサンプリングクロックをオン状態にして該サンプルホールド回路の出力信号レベルをAD変換処理する第2のステップと、
該オーバーサンプリングクロックの所定期間内での該AD変換処理の動作完了後、AD変換回路の出力信号を出力する第3のステップと、
所定のノイズ除去期間を該Xセンサーに設ける第4のステップと、
サンプリングホールドクロックにより、次の信号読み出し期間にAD変換すべきサンプルホールド回路の出力信号レベルとしてサンプリングし、次の信号読み出し期間までサンプルホールド回路の出力信号レベルを保持するとともに、ラッチ回路に該AD変換回路の出力信号をラッチする第5のステップと、
該ラッチ回路にてラッチした該AD変換回路のAD変換回路出力信号を、AD出力読み出しクロックによって制御されるマルチプレクサで時分割に選択し、バッファーを介して外部回路に出力する第6のステップと、
を含む一連の各ステップを少なくとも1サイクル有するX線センサーモジュールの制御方法。
A first step of resetting an output signal level of the charge detection circuit by a reset signal;
A second step of reading signal charges from the X-ray sensor to the sample and hold circuit after the reset, turning on an oversampling clock, and performing an AD conversion process on an output signal level of the sample and hold circuit;
A third step of outputting an output signal of the AD conversion circuit after the completion of the operation of the AD conversion processing within a predetermined period of the oversampling clock;
A fourth step of providing the X sensor with a predetermined noise removal period;
The sampling and holding clock samples the output signal level of the sample and hold circuit to be A / D-converted in the next signal readout period, holds the output signal level of the sample and hold circuit until the next signal readout period, and causes the latch circuit to perform the AD conversion. A fifth step of latching the output signal of the circuit;
A sixth step of selecting an A / D conversion circuit output signal of the A / D conversion circuit latched by the latch circuit in a time division manner by a multiplexer controlled by an A / D output read clock, and outputting the selected signal to an external circuit via a buffer;
A method for controlling an X-ray sensor module having at least one cycle of a series of steps including:
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