Chipentwicklung fu127 ur Pixel - Prof. Dr. Norbert Wermes ...

32 3. Zählende und integrierende Detektorelektronik für biomedizinische Bildgebung
3.2.1 Digitalisierung des Signalstroms
Der Signalstrom wird aus der Anzahl der gepumpten Ladungspakete in einem
Messintervall und der verstrichenen Zeit zwischen dem ersten und letzten
Pumpzyklus bestimmt. Von einem Zähler (Ladungszähler) wird die Anzahl
der gepumpten Ladungspakete aufgezeichnet. Das Integratortaktsignal wird
zur Inkrementierung eines weiteren Zählers (Zeitzähler) genutzt. Ein Latch
speichert den Zählerstand des ersten Pumpens in dem Messintervall. Ein
weiteres Latch speichert den aktuellen Zählerstand bei jedem Pumpen. Am
Ende des Messintervalls enthält dieses Latch somit den Zeit-Zählerstand des
letzten Pumpens. Aus der Di erenz der Latchinhalte nt, der Integratortaktfrequenz
, der Anzahl der gepumpten Ladungspakete nQ und deren Grö e
Q0 lässt sich der mittlere Signalstrom berechnen:
I = nQQ0
nt 1 /
Geht man von einer Konstanten Ladungsmenge Q0 aus, so entsteht einzig
durch die Zeitquantisierung ein Fehler. Die hier beschriebene Form der
Digitalisierung [3] besitzt die Eigenschaft, dass der relative Quantisierungsfehler
wegen der Quotientenbildung im gesamten Messbereich näherungsweise
konstant ist 2 .
3.2.2 Anforderungen an die Zählerarchitektur
Die emp ndliche analoge Elektronik des CIX-Chips stellt hohe Anforderungen
an das Rauschverhalten der digitalen Schaltungen. Die Pixelstruktur
integriert analoge und digitale Komponenten ohne gro e räumliche Abstände.
Um kapazitives Übersprechen zu reduzieren, wird die Zähler- und Auslesearchitektur
vollständig in differentieller Stromlogik implementiert.
Jeder Pixel besitzt drei Zähler (Zeit-, Einzelpuls- und Ladungszähler), diese
werden als asynchrone Binärzähler mit Resetfunktion realisiert. Für die
Speicherung von Zeitmarken sind zwei Latches vorgesehen, welche direkt
an den Zeitzähler angeschlossen werden. Die Inhalte der Einzelpuls- und
Ladungszähler sowie die der beiden Latches sollen ausgelesen werden können.
Die Totzeit während des Betriebes durch die Auslese soll minimal werden, um
die Strahlenbelastung eines Patienten bei einer medizinischen Anwendung zu
reduzieren. Daher müssen, um gleichzeitigen Zählbetrieb und Datenauslese
zu ermöglichen, die auszulesenden Daten im Pixel zwischengespeichert werden.
Diese Zwischenspeicherung wird von vier Auslese-Latches ermöglicht.
Diese vier Auslese-Latches werden über einen vierfach-Multiplexer und einen
Tristate-Bustreiber an einen internen Bus angeschlossen.
2 Im Gegensatz zu Analog-Digital-Konvertern (ADCs) mit aquidistanten Schwellen ist
hier der absolute Fehler konstant (bestimmt durch den Schwellenabstand), der relative
Diskretisierungsfehler wachst jedoch fur kleine Signale.