JP2012060511A

JP2012060511A - 電荷検出回路およびその検査方法

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Publication number: JP2012060511A
Application number: JP2010203186A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yamada; 英昭山田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-22

Abstract

【課題】静電気等に対する耐久性を向上するとともに、検査精度を向上し、かつ、検査時間を短縮した積分アンプを提供する。
【解決手段】演算増幅器OP、および、演算増幅器OPの反転入力端子と出力端子との間に接続したサンプリングキャパシタCfを備えた積分回路41を有する。入力端子部INと演算増幅器OPの反転入力端子との電気的接続の開閉を切り換え可能なモードスイッチSWtestを有する。移送キャパシタCT、および、移送キャパシタCTを充放電させるスイッチSW1〜SW4を備えた検査用回路42を有する。検査用回路42は、移送キャパシタCTの放電により、充電した電荷の一部をサンプリングキャパシタCfに送り込む。スイッチSW1〜SW4により移送キャパシタCTを充電させている状態でサンプリングキャパシタCfを放電させる放電スイッチSWinitを有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、反転入力端子、非反転入力端子および出力端子を有する演算増幅器、および、この演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還容量を備えた積分回路を有する電荷検出回路およびその検査方法に関する。

新世代のＸ線診断用検出器として、アクティブマトリクスを用いた平面型のＸ線検出器が開発されている。この平面型のＸ線検出器において、照射されたＸ線を検出することにより、Ｘ線撮影像、あるいはリアルタイムのＸ線画像が電気信号として出力される。

このＸ線検出器では、Ｘ線をシンチレータ層により可視光すなわち蛍光に変換し、この蛍光をアモルファスシリコン(ａ−Ｓｉ)フォトダイオード、あるいはＣＣＤ(Charge Coupled Device)等の光電変換素子で信号電荷に変換する。または、Ｘ線を電荷発生層により電荷に変換し、この電荷を信号電荷として読み出す。

このとき、信号電荷は極めて微小であるため、積分アンプすなわち電荷検出回路である電荷増幅回路(Charge Sensitive Amplifier、以下ＣＳＡという)により増幅して出力し、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信号へと順次変換することで、これらデジタル値となった電荷信号を画素の行と列とに従って順次整理して画像を取得している。

特開２００３−１３３５３７号公報

ＣＳＡにおいては、外部に接続された検査用のシステムから電荷信号を読み込んでその動作をテストする。そして、ＣＳＡにおいては、微小な電荷信号を読み出さなければならない。しかしながら、通常入力回路に接続される静電保護回路等は、電荷信号の読み出しの際のリーク電流等につながり、読み出した電荷信号のデータ誤差を生じるおそれがあるため、静電保護回路を極力小さくすることが好ましい。このため、この静電保護回路は、一般的な静電保護回路よりも静電耐圧が低下している。したがって、検査用のシステムを接続する際の静電気破壊等が生じないようにすることが望まれている。また、検査のための微小電荷を正確に適切な入力量として、検査時間を抑制することが望まれている。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、検査時の静電気等に対する耐久性を向上するとともに、検査精度を向上し、かつ、検査時間を短縮した電荷検出回路およびその検査方法を提供することを目的とする。

実施形態の電荷検出回路は、反転入力端子、非反転入力端子および出力端子を有し出力端子部に出力端子が電気的に接続された演算増幅器、および、この演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還容量を備えた積分回路を有している。また、電荷検出回路は、入力端子部と演算増幅器の反転入力端子との電気的接続の開閉を切り換え可能なモード切換手段を有している。さらに、電荷検出回路は、電荷移送容量、および、モード切換手段により入力端子部と演算増幅器の反転入力端子との電気的接続を遮断した状態で電荷移送容量を充放電させる充放電切換手段を備え、電荷移送容量の放電によりこの電荷移送容量に充電した電荷の一部を積分回路の帰還容量に送り込む検査用回路を有している。そして、電荷検出回路は、充放電切換手段により電荷移送容量を充電させている状態で帰還容量を放電させる放電手段を有している。

また、実施形態の電荷検出回路の検査方法では、モード切換手段により入力端子部と演算増幅器の反転入力端子との電気的接続を遮断する。さらに、電荷検出回路の検査方法では、充放電切換手段により電荷移送容量を充電させるとともに放電手段により帰還容量を放電させる。そして、電荷検出回路の検査方法では、充放電切換手段により電荷移送容量を放電させることでこの電荷移送容量に充電した電荷の一部を帰還容量に送り込む。

一実施形態の電荷検出回路を示す回路図である。同上電荷検出回路の通常動作モード状態を示す回路図である。同上電荷検出回路の検査モードでの初期状態を示す回路図である。同上電荷検出回路の検査モードでのキャパシタの充電状態を示す回路図である。同上電荷検出回路の検査モードでのキャパシタの放電状態を示す回路図である。同上電荷検出回路の各切換手段の動作タイミングを示すタイミングチャートである。同上電荷検出回路を備えた放射線検出器としてのＸ線検出器の構成図である。同上Ｘ線検出器の分解状態の斜視図である。同上Ｘ線検出器を模式的に示す正面図である。

以下、一実施形態の構成を図１ないし図９を参照して説明する。

図８において、10は放射線検出器としてのＸ線検出器で、このＸ線検出器10は、間接形のＸ線画像検出器であって、放射線検出器本体としてのＸ線検出器本体11を備え、このＸ線検出器本体11が、マトリクス状に配列された複数の画素12を有する光電変換基板13、およびこの光電変換基板13の表面に積層形成された入力面である蛍光体としての蛍光変換膜14によって構成されている。

光電変換基板13は、主にガラスで構成される基板としての平面基板15上に回路層16が形成された回路基板17を有し、この回路基板17上に光電変換素子としてのフォトダイオード18が画素12毎に形成されている。

そして、蛍光変換膜14中に放射線としてのＸ線19が入射すると、蛍光変換膜14にてＸ線19の二次元分布に対応する可視光が発生し、発生した可視光がフォトダイオード18に入射して電荷に変換され、画像情報が得られる。

次に、図９にＸ線検出器10を模式的に示す正面図を示す。

スイッチング素子としての薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)21と容量としてのキャパシタ22とフォトダイオード18とがそれぞれを組として格子状に配置され、それぞれの組がＸ線画像の画素12に対応する。平面基板15上には、各薄膜トランジスタ21のゲート電極を接続する複数の選択線(または信号線、あるいはゲート線)23が行方向に配列され、各薄膜トランジスタ21のドレインを接続する複数の信号線24が列方向に配列されている。

次に、図７にＸ線検出器10の構成図を示す。

Ｘ線検出器本体11の各選択線23には駆動回路31がそれぞれ接続され、各信号線24には出力回路32がそれぞれ接続されている。

駆動回路31は、Ｘ線検出器本体11の各選択線23に接続される複数のゲートドライバ33、およびこれらゲートドライバ33に接続される行選択回路34を備えている。ゲートドライバ33は、行選択回路34からの信号を受信すると、選択線23の電圧を順番に変更していく機能を有している。行選択回路34は、Ｘ線画像の走査方向に従って対応するゲートドライバ33へ信号を送る機能を有している。

出力回路32は、Ｘ線検出器本体11の各信号線24に接続された複数の電荷検出回路としての電荷増幅回路である積分アンプ(ＣＳＡ)35を備えている。これら積分アンプ35には、Ａ／Ｄ変換器36が接続され、これらＡ／Ｄ変換器36には、画像合成回路37が接続されている。

積分アンプ35は、信号線24に電気的に接続された入力端子部INとＡ／Ｄ変換器36に電気的に接続された出力端子部OUTとの間に、増幅部である積分回路41と、この積分回路41の反転入力端子に電気的に接続される検査(テスト)用回路42とを備え、この検査用回路42と入力端子部INとの間に、通常動作モードと検査モードとを切り換えるためのモード切換手段としてのモードスイッチSWtestが電気的に接続されている。また、積分アンプ35には、図示していないが、静電保護回路が入力端子部INとモードスイッチSWtestとの間に電気的に接続されている。そして、この積分アンプ35は、Ｘ線検出器10から出力される極めて微小な電荷信号を増幅して出力する機能を有する。さらに、この積分アンプ35は、積分回路41と検査用回路42とが１チップ上に形成されている。

積分回路41は、増幅部本体としての演算増幅器OPと、この演算増幅器OPの反転入力端子と出力端子との間に電気的に接続され入力信号をサンプリングするための帰還(フィードバック)容量としてのサンプリングキャパシタCfとを有し、負帰還回路を構成している。また、このサンプリングキャパシタCfと並列に、入力信号と出力信号を短絡する放電(リセット)用の放電手段としての放電スイッチSWinitが電気的に接続されている。

演算増幅器OPは、非反転入力端子が参照電位Vrefと電気的に接続されており、出力端子が出力端子部OUTに電気的に接続されている。また、この演算増幅器OPの反転入力端子は、モードスイッチSWtestを介して入力端子部INと電気的に接続可能となっている。

一方、検査用回路42は、電荷を送り込む(移送する)ための電荷移送容量としての移送キャパシタCTと、充放電切換手段としての充電切換スイッチであるスイッチSW1，SW2と、充放電切換手段としての放電切換スイッチであるスイッチSW3，SW4とを有し、スイッチドキャパシタ回路を構成している。そして、このスイッチドキャパシタ回路は、スイッチSW1〜SW4をスイッチングする図示しない制御手段により制御される。

移送キャパシタCTは、任意の容量とすることができるが、例えばサンプリングキャパシタCfと同じ容量値とすることが好ましい。

また、スイッチSW1は、移送キャパシタCTの一端と検査用の基準電位Vtestとの間に電気的に接続されている。さらに、スイッチSW2は、移送キャパシタCTの他端と共通電位Vcomとの間に電気的に接続されている。そして、これらスイッチSW1，SW2は、制御手段による所定の入力クロックにより開閉(オンオフ)が切り換えられ、これらスイッチSW1，SW2が閉成(オン)されることにより移送キャパシタCTを基準電位Vtestと共通電位Vcomとの電圧差で充電するように構成されている。

また、スイッチSW3は、移送キャパシタCTの一端と共通電位Vcomとの間に電気的に接続されている。また、スイッチSW4は、移送キャパシタCTの他端と演算増幅器OPの反転入力端子との間に電気的に接続されている。そして、これらスイッチSW3，SW4は、制御手段による所定の出力クロックにより開閉(オンオフ)が切り換えられ、これらスイッチSW3，SW4が閉成(オン)されることにより移送キャパシタCTに充電された電荷をサンプリングキャパシタCfへと送り込む(移動させる)ように構成されている。

なお、基準電位Vtestは、例えば予め設定された所定の電圧値となっており、共通電位Vcomは、例えばグランド電位に設定されている。

また、制御手段は、積分回路41および検査用回路42とともに、１チップ上に形成されている。

そして、静電保護回路は、静電気破壊を防止するための保護回路であり、積分アンプ35での電荷信号の読み出しの際のリーク電流を低減するように、小型に製造されている。この静電保護回路は、上記Ｘ線検出器10の場合、必須の構成ではない。換言すれば、Ｘ線検出器10の場合、微小な電荷信号を取り扱うため、その検出精度に対する静電保護回路でのリーク電流などの影響を考慮すると、静電保護回路を形成できない場合もある。

また、Ａ／Ｄ変換器36は、各積分アンプ35から出力される信号をデジタル信号へと順次変換するものである。

また、画像合成回路37は、Ａ／Ｄ変換器36によりデジタル値となった電荷信号をＸ線検出器本体11に配置された画素12の行と列にしたがって順次整理して画像信号として外部へ出力するものである。

また、Ｘ線検出器10は、図示していないが、Ｘ線検出器10を制御する制御回路や、Ｘ線検出器10に電源を供給する電源回路等を備えている。さらに、Ｘ線検出器本体11、駆動回路31および出力回路32並びに制御回路を含む回路等が図示しない筐体内に収容されている。

次に、このようなＸ線検出器10の動作を説明する。

初期状態においては、キャパシタ22には電荷が蓄えられており、並列接続されているフォトダイオード18には逆バイアス状態の電圧が加えられている。このときの電圧は選択線23に加えられている電圧と同じである。フォトダイオード18はダイオードの一種なので、逆バイアスの電圧が加えられても電流はほとんど流れることはない。そのため、キャパシタ22に蓄えられた電荷は減少することなく保持されることになる。

この状況にて、Ｘ線19が蛍光変換膜14に入射すると、蛍光変換膜14内部において高エネルギーのＸ線19が低エネルギーの多数の可視光である蛍光に変換される。蛍光変換膜14内部にて発生した蛍光の一部は光電変換基板13の表面に配置されているフォトダイオード18へと到達する。

フォトダイオード18に入射した蛍光はフォトダイオード18内部にて電子とホールからなる電荷に変換され、キャパシタ22にて印加されている電界方向に沿ってフォトダイオード18の持つ両端子へと到達することで、フォトダイオード18内部を流れる電流として観測される。

蛍光の入射により発生したフォトダイオード18内部を流れる電流は並列接続されているキャパシタ22へと流れ込み、キャパシタ22内部に蓄えられている電荷を打ち消す作用を及ぼす。その結果、キャパシタ22に蓄えられていた電荷は減少し、キャパシタ22の端子間に発生していた電位差も初期状態と比べて減少する。

図９に示される選択線23は、図７にて示しているゲートドライバ33の特定の選択線23に接続される。ゲートドライバ33では多数の選択線23を順番に電位を変化させる機能を有する。ある特定の時間においてはゲートドライバ33において電位の変化している選択線23は１本のみであり、電位の変化した選択線23に並列接続されている薄膜トランジスタ21のソース、ドレイン間端子は絶縁状態から導通状態へと変化する。

各選択線23には特定の電圧がかけられており、電位の変換した選択線23に接続されている薄膜トランジスタ21のソース、ドレイン端子を通じて接続されているキャパシタ22に印加されることになる。

初期状態においてキャパシタ22は信号線24と同じ電位状態になっているため、キャパシタ22の電荷量が初期状態と変化していない場合、キャパシタ22には信号線24からの電荷の移動は発生しない。しかし、外部からのＸ線19より蛍光変換膜14内部にて発生した蛍光が入射したフォトダイオード18と並列接続しているキャパシタ22では、内部に蓄えられている電荷が減少しており、初期状態の電位とは変化している。そのため、導通状態となった薄膜トランジスタ21を通じて信号線24より電荷の移動が発生し、キャパシタ22内部に蓄えられた電荷量は初期状態に戻る。また、移動した電荷量は信号線24を流れる信号となり外部へと伝わっていく。

図９における信号線24は図７に示す積分アンプ35へと接続されている。信号線24はそれぞれに対応した積分アンプ35に１対１に接続されている。信号線24を流れる電流は対応する積分アンプ35へと図１に示す入力端子部INから入力される。積分アンプ35では、図２に示すように、モードスイッチSWtestのみが閉成(オン)され、他のスイッチSW1〜SW4，SWinitは開成(オフ)された状態となっている(通常動作モード)。そして、この積分アンプ35では、入力端子部INから入った伝家がそのまま演算増幅器OPの反転入力端子に電気的に接続されたサンプリングキャパシタCfに流れ込み、このサンプリングキャパシタCfに蓄積した電荷量に応じて、演算増幅器OPが電圧を出力端子部OUTへと出力する。すなわち、この積分アンプ35では、一定時間内に流れる電流を積分し、その積分値に対応した電圧を出力端子部OUTから外部へと出力する機能を有する。この動作を行うことで、ある一定時間内に信号線24を流れる電荷量を電圧値に変換することが可能となる。この結果、Ｘ線19にて蛍光変換膜14内部にて発生した蛍光の強弱分布に対応したフォトダイオード18内部にて発生する電荷信号は、積分アンプ35によって電位情報へと変換される。

積分アンプ35より発生した電位はＡ／Ｄ変換器36にて順次デジタル信号へと変換される。デジタル値となった信号は画像合成回路37内部にて画素12の行と列にしたがって順次整理され、画像信号として外部へと出力される。

このような動作を連続して行うことにより、外部から入射したＸ線画像情報は電気信号による画像情報へと変換され、外部へと出力される。外部へと出力された電気信号による画像情報は通常のディスプレイ装置によって容易に画像化が可能であり、その画像のよりＸ線画像を可視光による画像として観察することが可能となる。

そして、各積分アンプ35の検査方法を説明する。

図６に示すように、モードスイッチSWtestが開成(オフ)されて入力端子部INと内部回路(積分回路41および検査用回路42)とが切り離されて図３に示す検査モードの初期状態となった後、スイッチSW1，SW2および放電スイッチSWinitが同時に閉成(オン)されることで、図４に示す充電状態となる。すなわち、この状態で、移送キャパシタCTが電位差(Vtest−Vcom)で充電されて電荷CT・(Vtest−Vcom)が蓄えられるとともに、サンプリングキャパシタCfが放電される。ここで、CTは移送キャパシタCTの容量値を示し、Vtestは基準電位Vtestの電位を示し、Vcomは共通電位Vcomの電位を示すものとする。

この後、図６に示すように、スイッチSW1，SW2および放電スイッチSWinitが同時に開成(オフ)された後、スイッチSW3，SW4が同時に閉成(オン)されることで、図５に示す放電状態となる。すなわち、充電された移送キャパシタCTから電荷の一部がスイッチング出力され、この電荷が検査用の微小電荷となり、サンプリングキャパシタCfへと送り込まれる。このため、サンプリングキャパシタCfの両端間電圧がCT/Cf・(Vtest−Vcom)となる。したがって、演算増幅器OPの出力側である出力端子部OUTの電圧は、CT/Cf・(Vtest−Vcom)＋Vrefとなる。ここで、CfはサンプリングキャパシタCfの容量値を示し、Vrefは参照電位Vrefの電位を示すものとする。すなわち、積分回路41には、基準電位Vtestと共通電位Vcomとの電位差に比例した正確な電荷が入力され、出力端子部OUTには所望の電圧が出力される。

このように、以上説明した一実施形態によれば、入力端子部INを電気的に遮断した状態で、移送キャパシタCTに充電した電荷をサンプリングキャパシタCfへと送り込むため、電荷信号の読み出しの際のリーク電流等、すなわち読み出した電荷信号のデータ誤差を防止するために静電保護回路を小さくしたり、静電保護回路を形成できなかったりすることで静電保護効果が比較的低い入力端子部INに検査用の機器などを何ら接続することなく、積分アンプ35の検査を、外乱などの影響を受けにくい状態下で行うことが可能になる。そして、キャパシタCf，CTは製造上の誤差を例えば１０％程度含んでいるものの、検査時に出力端子部OUTに得られる電圧はキャパシタCf，CTの容量比に比例するため、キャパシタCf，CTの製造上の誤差に拘らず高精度で、かつ、検査時の基準電位Vtestと共通電位Vcomとの電位差に比例した正確な微小電荷の入力により、短時間の検査が可能になる。すなわち、上記実施形態によれば、検査時の静電気等に対する耐久性を向上しつつ、検査精度を向上し、かつ、検査時間を短縮することが可能になる。

しかも、入力端子部INを電気的に遮断した状態で上記検査を行うため、例えばＸ線検出器10の通常運転時に異常が発生した場合に、その原因がＸ線検出器本体11側にあるのか、積分アンプ35(積分回路41)側にあるのかを、容易に、かつ、直ちに特定できる。

また、積分回路41と検査用回路42と(制御手段と)を１チップ上に形成することにより、これら積分回路41と検査用回路42と(制御手段と)を別個に構成する場合と比較して、小型化および構成の簡略化などが可能になるとともに、実装がより容易となり、製造性を向上できる。

なお、上記一実施形態において、Ｘ線検出器10は、上記構成に限定されるものではない。すなわち、光電変換基板13などは任意に構成できる。

また、上記積分アンプ35は、Ｘ線検出器10に用いるものだけでなく、例えば宇宙線を検出する回路など、微小信号を検出する任意の回路に適用可能である。

35 電荷検出回路としての積分アンプ
41 積分回路
42 検査用回路
Cf 帰還容量としてのサンプリングキャパシタ
CT 電荷移送容量としての移送キャパシタ
IN 入力端子部
OP 演算増幅器
OUT 出力端子部
SW1〜SW4 充放電切換手段としてのスイッチ
SWinit 放電手段としての放電スイッチ
SWtest モード切換手段としてのモードスイッチ

Claims

入力端子部と、
出力端子部と、
反転入力端子、非反転入力端子および出力端子を有し前記出力端子部に前記出力端子が電気的に接続された演算増幅器、および、この演算増幅器の前記反転入力端子と前記出力端子との間に接続された帰還容量を備えた積分回路と、
前記入力端子部と前記演算増幅器の反転入力端子との電気的接続の開閉を切り換え可能なモード切換手段と、
電荷移送容量、および、前記モード切換手段により前記入力端子部と前記演算増幅器の反転入力端子との電気的接続を遮断した状態で前記電荷移送容量を充放電させる充放電切換手段を備え、前記電荷移送容量の放電によりこの電荷移送容量に充電した電荷の一部を前記積分回路の前記帰還容量に送り込む検査用回路と、
前記充放電切換手段により前記電荷移送容量を充電させている状態で前記帰還容量を放電させる放電手段と
を具備していることを特徴とする電荷検出回路。
積分回路と検査用回路とは、１チップ上に形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の電荷検出回路。
入力端子部と、出力端子部と、この出力端子部に出力端子が電気的に接続された演算増幅器、および、この演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還容量を備えた積分回路と、前記入力端子部と前記演算増幅器の反転入力端子との電気的接続の開閉を切り換え可能なモード切換手段と、電荷移送容量、および、この電荷移送容量を充放電可能な充放電切換手段を備えた検査用回路と、前記帰還容量を放電可能な放電手段とを具備している電荷検出回路の検査方法であって、
前記モード切換手段により前記入力端子部と前記演算増幅器の反転入力端子との電気的接続を遮断し、
前記充放電切換手段により前記電荷移送容量を充電させるとともに前記放電手段により前記帰還容量を放電させ、
前記充放電切換手段により前記電荷移送容量を放電させることでこの電荷移送容量に充電した電荷の一部を前記帰還容量に送り込む
ことを特徴とする電荷検出回路の検査方法。