光子计数中的跨导调谐

本申请涉及一种电路装置、一种成像设备和一种用于操作电路装置的方法。

背景技术

在光子计数系统中检测单光子事件。为此，将单光子的能量分别转换为电流脉冲。这些电流脉冲由前端电路转换成电压脉冲。电压脉冲的高度与相应的光子能量成正比。因此，电压脉冲包含频谱信息。为了实现高空间分辨率，能够使用大量的光子计数通道。在这种情况下，因为功耗会随着通道数量的增加而增加，所述需要对整个系统进行充分冷却。对于大型系统，冷却会变得很昂贵。

此外，在很多情况下，传感器和前端电路没有相互集成，因此需要将它们相互连接。传感器和前端电路之间的连接件能够引入寄生输入电容。寄生输入电容对前端电路的噪声行为和速度有直接影响，并且能够显着增加功耗。

此外，对于所有通道，传感器和前端电路之间的连接件通常不具有相同的长度。这导致对于不同通道的不同输入电容。由于输入电容对前端电路性能参数的影响，不同的输入电容会导致不同通道的整形时间、增益和噪声等性能参数不同，从而导致图像伪影。

避免这些问题的一种可能性是采用透硅通孔将电源和输入-输出线引导至硅背面。顶表面的设计与传感器尺寸相匹配。以这种方式，能够将传感器与前端电路直接连接。这导致小而均匀的输入电容。然而，这项技术成本高昂，而且前端电路的尺寸必须与传感器的尺寸相匹配。这增加了前端电路的面积，从而增加了成本。此外，对于不同的传感器，将需要不同的芯片尺寸，这就是为什么需要专用集成电路(ASIC)而无法进行标准产品设计的原因。

在US 20180372887 A1中描述了一种辐射检测器，其中前端电路包括多个评估元件。对于每个评估元件，具有例如可调谐电容器的可调谐反馈元件连接到放大器元件。调节反馈元件的电容，使得对于每个评估元件，相应的输入电容的总和是相同的值。以此方式，平衡了输入电容的差异。然而，以此方式，功耗增加，因为电容之和必须等于最差输入电容以实现均匀性。此外，放大器元件的输入端处的反馈元件能够引入额外的非理想性。

一个目的是提供一种能够有效操作的电路装置。另一目的是提供一种能够有效操作的成像设备。另一目的是提供一种用于操作电路装置的有效方法。

这些目的通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中描述了进一步的发展和实施例。

发明内容

根据电路装置的至少一个实施例，电路装置包括用于光子计数电流到电压的转换的级阵列。所述级的每一个被配置用于光子计数电流到电压的转换。例如，每个级分别与光子检测器的一个像素相连接。每个级被配置为将电流转换成电压。电流能够是从光子检测器接收的电流脉冲。阵列的级能够彼此并联布置。这能够意味着阵列的级彼此并联连接。级阵列包括用于光子计数电流到电压的转换的多个级。

每个级包括可调谐运算跨导放大器(OTA)，所述可调谐运算跨导放大器包括放大器输入端和输出端。OTA是可调谐的能够意味着OTA的跨导能够调谐或调节，例如在操作期间。为此，OTA能够包括控制输入端。在控制输入端处能够施加控制电压，以调谐OTA的跨导。放大器输入端能够是负输入端并且OTA的另一输入端能够是正输入端。OTA能够被配置为在其输出端处提供电压。OTA还能够被配置为将电流脉冲转换为电压脉冲。

每个级还包括连接到OTA的放大器输入端并连接到输出端的反馈网络，从而形成OTA的反馈回路。反馈网络能够包括一个或更多个部件。反馈网络的部件能够彼此并联连接。例如，反馈网络包括反馈电容器。反馈电容器能够连接到OTA的放大器输入端并连接到输出端。反馈网络还能够包括能够是跨导器或电阻器的跨导反馈元件。跨导反馈元件能够连接到OTA的放大器输入端并连接到输出端。因此，反馈电容器和跨导反馈元件能够彼此并联连接。反馈回路能够被配置为从OTA的输出端向放大器输入端提供反馈。

每个级被配置为提供作为输入信号的函数的输出信号，所述输入信号被提供给OTA的放大器输入端，其中，输入信号包括一个或更多个电流脉冲并且输出信号包括一个或更多个电压脉冲。这意味着，在对于每个级的电路装置的操作期间，输入信号被提供给OTA的放大器输入端。每个输入信号包括一个或更多个电流脉冲，其中，每个电流脉冲能够由光子检测器提供。每个电流脉冲能够与一个光子的检测有关。对于输入信号的每个电流脉冲，相应的输出信号能够包括电压脉冲。这意味着，每个级都被配置为将电流脉冲转换为电压脉冲。

当电路装置与外部部件连接时，可以为级阵列的级引入寄生输入电容，电路装置从外部部件接收输入信号。在许多情况下，输入电容对于阵列的不同级是不同的。这可能是由于外部部件和不同级之间的连接件长度不同造成的。相应的输入电容对相应的级的性能有影响，例如峰值时间、增益、速度和噪声。

对于每个级，级的带宽与相应的输入电容成反比。级的带宽会影响相应的级的峰值时间和增益。峰值时间和增益是相应的级的性能参数。峰值时间是由相应的OTA提供的电压脉冲的长度。因此，对于具有不同输入电容的级，性能参数(峰值时间和增益)是不同的。不同级的不同性能参数是不期望的，因为它们在成像的情况下会导致图像伪影。

电路装置包括可调谐OTA，因为级的带宽与相应的级的跨导成正比。这意味着，利用电路装置，不同级的跨导能够被调谐使得对于所有级的带宽是相同的或大致相同的。通过调谐相应的OTA的跨导来调谐每个级的跨导。这意味着，可以通过调谐每个级的跨导来平衡输入电容的差异。以此方式，不同级的性能就均衡了。

能够在校准步骤中为每个级确定输入电容。然后，根据所确定的输入电容调谐OTA的跨导。

可调谐OTA的跨导的调谐使每个级都以其最小功耗运行。

因此，所述电路装置具有不同级的性能能够均衡并且每个级能够以其最小功耗运行的优点。这意味着电路装置能够有效地运行。此外，如果功耗降低，则冷却能够具有成本效益。

根据电路装置的至少一个实施例，对于每个级，噪声注入块连接到OTA的另一输入端。这意味着，电路装置包括多个噪声注入块，其中对于每个级，一个噪声注入块分别连接到OTA。每个噪声注入块被配置为向相应的OTA注入噪声或添加噪声。使用噪声注入块，可以分别调节每个级的噪声等级。级的噪声等级与跨导无关。然而，级的噪声功率与相应的输入电容成正比。因此，如果不同级具有不同的输入电容，则噪声对于不同级能够是不同的。通过调谐OTA的跨导，无法平衡噪声等级的差异。因此，对于每个级，采用噪声注入块。由噪声注入块注入的噪声取决于相应的级的输入电容。这意味着，对于每个级，注入或添加一定量的噪声使得对于所有级的噪声等级相同或大致相同。因此，注入噪声使得每个级的噪声等级等于或大约等于所有级的最高噪声等级。对于每个级所注入噪声的量取决于相应的输入电容。以这种方式，实现了对于所有级的相同或相似的噪声等级。当电路装置用于成像时，这对于图像质量是有利的。

根据电路装置的至少一个实施例，每个噪声注入块包括具有可调谐噪声等级的缓冲部件，其布置在参考电位端子和相应的OTA的另一输入端之间。这意味着，对于每个级，缓冲部件都连接到参考电位端子并连接到相应的OTA的另一输入端。缓冲部件具有可调谐噪声等级能够意味着缓冲部件的噪声等级能够被调节。因此，缓冲部件能够用于将噪声注入相应的OTA。以这种方式，有利地能够将噪声等级调节为对于所有级相同或大致相同。

根据电路装置的至少一个实施例，每个噪声注入块包括可调谐电容器，其连接到布置在缓冲部件和相应的OTA的另一输入端之间的第一内部节点。第一内部节点连接到缓冲部件、OTA的另一输入端和可调谐电容器。可调谐电容器的电容是能够调谐或调节的。噪声注入块所注入的噪声是相应的缓冲部件的固有噪声。这种固有噪声的等级能够通过调谐缓冲部件的跨导或通过调谐可调谐电容器的电容来调节。以这种方式，有利地能够将噪声等级调节为对于所有级相同或大致相同。

根据电路装置的至少一个实施例，电路装置还包括多个加热器，其中每个加热器分别被分配给级中的一个。这意味着加热器中的一个被分配给级的每一个。加热器能够布置成紧邻或邻近相应的级。加热器还可以与相应的级机械连接。每个加热器都被配置为加热其环境。加热器用于均衡电路装置内的热量分布。对于每个级，操作期间的功耗可能不同。因此，这些级在操作期间具有不同的温度。加热器用于以较低的功耗为级引入额外的热量。加热器能够被操作使得每个级周围的温度相同或大致相同。为此，加热器被操作使得它们根据所分配级的功耗增加温度。电路装置内均匀的热量分布有利于有效的冷却和各级的均匀性能。

根据电路装置的至少一个实施例，对于每个级，可调谐OTA被配置为供应有控制电压，其中通过改变控制电压，能够调谐相应的OTA的跨导。控制电压能够供应给OTA的控制输入端。调谐OTA的跨导有利地实现了不同级的性能参数的均衡。

根据电路装置的至少一个实施例，对于每个级，至少一个另外的可调谐OTA并联连接到可调谐OTA。还可能的是，多个另外的可调谐OTA并联连接到可调谐OTA。至少一个另外的OTA经由开关连接到OTA。这意味着，另一OTA能够经由开关连接到所述OTA，并且经由开关与所述OTA断开。可以采用所述至少一个另外的OTA来进一步调谐相应的级的跨导。为了调谐级的跨导，可以将一个或更多个OTA连接到所述OTA。级的总跨导的调谐有利地实现了不同级的性能参数的均衡。通过使用至少一个另外的OTA，相应的跨导能够被调谐的范围被增加。

根据电路装置的至少一个实施例，每个级被配置为接收由光子检测器生成的电流脉冲。每个级都能够被配置为分别接收由光子检测器的一个像素生成的电流脉冲。每个级还能够被配置为将接收到的电流脉冲转换成电压脉冲。以此方式，所述电路装置能够用于光子计数。

此外，提供了一种成像设备。所述成像设备包括本文描述的电路装置。成像设备可以是光谱成像设备或医学成像设备或安全扫描仪。成像设备是光子计数装置。通过在成像设备中采用电路装置，能够有利地避免图像伪影并且能够有效地操作成像设备。

根据成像设备的至少一个实施例，成像设备包括光子检测器并且对于每个级，光子检测器的像素分别连接到OTA的放大器输入端。光子检测器被配置为检测单光子。光子检测器能够是光学传感器。光子检测器包括多个像素。每个像素都配置为检测光子。每个级分别与像素之一连接。以此方式，每个级分别是用于分析由像素之一检测到的数据的通道。因此，级数的增加增加了成像设备的分辨率。各个级的输出端被单独计数，使得能够获得检测到的光子的光谱分布。成像设备能够用于单光子计数，并且因为电路装置能够被有效地操作从而有利地能够被有效地操作。

根据成像设备的至少一个实施例，内插件(interposer)布置在电路装置和光子检测器之间。内插件能够是将电路装置与光子检测器连接的主体。内插件能够包括将光子检测器的像素与电路装置的级连接的电连接件。电连接件能够布置在内插件内。如果每个级的电连接件长度不同，则这些级具有不同的输入电容。使用内插件的优点是电路装置不必具有与光子检测器相同的尺寸。在这种情况下，电路装置能够是前端电路。尽管在使用内插件时可能会引入不同的输入电容，但通过调谐OTA的跨导能够有利地平衡不同级的性能参数差异。

此外，提供了一种用于操作电路装置的方法。所述电路装置能够优选地用于操作本文描述的电路装置的方法。这意味着对于电路装置公开的所有特征也对于用于操作电路装置的方法公开，反之亦然。

根据用于操作电路装置的方法的至少一个实施例，所述电路装置包括用于光子计数电流到电压的转换的级阵列，每个级包括具有放大器输入端和输出端的可调谐OTA，以及连接到OTA的放大器输入端和输出端的反馈网络，从而形成OTA的反馈回路。

所述方法包括向级阵列的每个级提供相应的输入信号。输入信号能够由外部部件提供。外部部件能够是光子检测器。例如，每个级分别与光子检测器的一个像素相连。在这种情况下，输入信号是由像素提供给级的信号。每个输入信号能够包括一个或更多个电流脉冲。每个电流脉冲能够与一个光子的检测有关。

所述方法还包括利用每个级生成作为提供给相应的OTA的放大器输入端的相应的输入信号的函数的输出信号，其中，输入信号包括一个或更多个电流脉冲并且输出信号包括一个或更多的电压脉冲。这意味着，每个级都被配置为将电流脉冲转换为电压脉冲。对于每个级，OTA都能够被配置为将电流脉冲转换为电压脉冲。

所述方法还包括分别向可调谐OTA提供控制电压，使得相应的OTA的跨导被调谐。可以分别提供控制电压以控制OTA的输入端。通过改变控制电压，能够改变相应的OTA的跨导。所述方法包括能够向每个OTA供应相应的本身的控制电压。这意味着，不同的OTA的控制电压可能不同。

通过用于操作电路装置的方法，能够调谐不同级的跨导。以此方式，能够平衡各级输入电容的差异。这意味着，不同级的跨导能够调谐使得所有级的带宽相同或大致相同。通过调谐相应的OTA的跨导来调谐每个级的跨导。因此，可以通过调谐每个级的跨导来平衡输入电容的差异。以此方式，不同级的性能就均衡了。所述方法还有利地使得每个级能够以其最小功耗运行。因此，提供了一种用于操作电路装置的有效方法。

根据用于操作电路装置的方法的至少一个实施例，对于每个级，OTA的跨导被调谐使得相应的级的带宽在预定义范围内。级的带宽取决于相应的级的跨导。因此，跨导的变化导致带宽的变化。为了均衡不同级的性能参数，期望所有级具有相同或大致相同的带宽。这是通过调谐不同级的跨导来实现的。带宽的预定义范围对于所有级能够是相同的。预定义范围因此是所有级的带宽位于其中的范围。选择预定义范围使得具有预定义范围内的带宽的级的所得性能参数相同或大致相同。换言之，对于每个级，OTA的跨导被调谐使得所有级的带宽相同或大致相同。因此，目标是为每个级实现相同或大致相同的带宽。这具有不同级的性能参数相同或大致相同并且避免了成像图像伪影的情况的优点。

根据用于操作电路装置的方法的至少一个实施例，噪声通过用于至少一个级的噪声注入块被注入OTA的另一输入端。所注入的噪声量取决于相应的输入电容。噪声还可以通过用于多个级的噪声注入块被注入OTA的另一输入端。使用噪声注入块，能够分别调节每个级的噪声等级。这意味着，对于每个级，注入或添加一定量的噪声使得噪声等级对于所有级相同或大致相同。以这种方式，实现了所有级的相同或相似的噪声等级。如果所述方法用于成像，这对于图像质量是有利的。

根据用于操作电路装置的方法的至少一个实施例，在校准步骤中为每个级确定输入电容。一旦电路装置与光子检测器连接，就执行校准步骤。输入电容由电路装置和光子检测器之间的连接件引入。在另外的校准步骤中，可以在电路装置运行一段时间后再次确定每个级的输入电容。有必要确定每个级的输入电容，以确定如何为每个级调谐跨导，从而为不同级实现性能参数的均衡。

附图说明

以下对附图的描述可以进一步说明和解释示例性实施例。功能相同或具有相同效果的部件由相同的附图标记表示。相同或有效相同的部件可能仅对于它们最先出现的附图进行描述。它们的描述不一定在连续的图中重复。

图1示出了光子计数系统的常规设置。

图2和图3示出了在前端电路上布置传感器的可能性。

图4和图5示出了光子计数电路。

图6示出了根据现有技术已知的电路装置。

图7示出了电路装置的示例性实施例和成像设备的示例性实施例。

图8和9示出了电路装置的另一示例性实施例。

图10示出了成像设备的另一个示例性实施例。

图11和12示出了电路装置的另一示例性实施例。

具体实施方式

图1示出了光子计数系统27的设置。光子检测器25能够暴露于光子并且被配置为检测光子。光子检测器25被配置为响应于光子的检测而向电路装置10提供一个或更多个电流脉冲。在光子检测器25和电路装置10之间示意性地描绘了一个电流脉冲。电路装置10的前端电路28被配置为将所述一个或更多个电流脉冲转换成一个或更多个电压脉冲。所述一个或更多个电压脉冲被提供给构成模数转换器(ADC)的比较器29的网络。在前端电路28和比较器29之间示意性地描绘了一个电压脉冲。ADC包括多个比较器29。每个比较器29被配置为将模拟信号转换成数字信号。这取决于哪个比较器29将触发由前端电路28提供的电压脉冲的峰值电压。这意味着，比较器29的每一个被分配到不同的电压范围。以这种方式，电压脉冲能够根据其峰值电压进行计数。为此，比较器29的每一个的输出端连接到计数器30。因此，能够利用电路装置10来获得频谱信息。

图2示出了光子检测器25与电路装置10的可能连接件。在电路装置10上布置了具有透硅通孔32的集成电路31。透硅通孔32延伸穿过集成电路31并向底部提供电源和输入/输出焊盘的电接触件。在集成电路31上方布置有光子检测器25。光子检测器25通过电连接件33直接电连接。

图3示出了光子检测器25与电路装置10的另一个可能的连接件。在电路装置10上布置了集成电路31。在集成电路31上布置有电连接件33。在电连接件33上布置了内插件26。光子检测器25布置在内插件26上方并通过电连接件33连接到内插件26。在内插件26内布置有通过周围的电连接件33将光子检测器25与电路装置10连接起来的电连接件33。对于光子检测器25的不同部分，内插件26内的电连接件33具有不同的长度。

图4示出了不是实施例的用于光子计数的电路38。电路38是用于光子计数的前端电路28。电路38包括能够接收输入电流的输入端34。电路38能够具有由连接到第一内部节点21的输入电容器35表示的输入电容C

图5示出了不是实施例的用于光子计数的另一个电路38。电路38包括输入端34，在输入端34处能够接收一个或更多个电流脉冲。电路38能够具有由连接到第一内部节点21的输入电容器35表示的输入电容C

图6示出了根据现有技术已知的电路装置10，例如根据US 20180372887A1已知的电路装置10。电路装置10包括多个通道43。每个通道43连接到光子检测器25的像素。每个通道43包括前端电路28。由于光子检测器25和前端电路28之间的电连接件，输入电容C

图7示出了电路装置10的示例性实施例。电路装置10包括用于光子计数电流到电压的转换的级11阵列。级11能够彼此并联连接。每个级11包括连接到光子检测器25的像素的输入端34。这意味着，每个级11被配置为接收由光子检测器25生成的电流脉冲。每个级11能够连接到光子检测器25其本身的像素。像素被配置为接收光子并响应于接收光子而生成一个或更多个电流脉冲。对于每个级11，相应的像素连接到输入节点44。输入节点44还连接到相应的级11的输入端34。在输入节点44处示意性地描绘了一个电流脉冲。此外，输入电容C

每个级11包括可调谐OTA 12，可调谐OTA 12包括放大器输入端13、另一输入端14和输出端15。此外，每个级11包括连接到OTA 12的放大器输入端13并连接到输出端15的反馈网络16，从而形成OTA 12的反馈回路。反馈网络16包括反馈电容器36和跨导反馈元件45。反馈电容器36连接到OTA 12的放大器输入端13并连接到输出端15。跨导反馈元件45并联连接到反馈电容器36。跨导反馈元件45能够是跨导器或电阻器。反馈回路能够被配置为提供从OTA 12的输出端15到放大器输入端13的反馈。

对于每个级11，可调谐OTA 12被配置为供应有控制电压，其中通过改变控制电压，能够调谐相应的OTA 12的跨导g

OTA 12的输出端15连接到第二内部节点46。第二内部节点46连接到相应的级11的输出端15并连接到负载电容器47。

每个级11被配置为提供作为输入信号的函数的输出信号，输入信号被提供给OTA12的放大器输入端13，其中，输入信号包括一个或更多个电流脉冲并且输出信号包括一个或更多个电压脉冲。

对于每个级11，输入电容C

对于C

其中，C

级11的带宽BW对峰值时间和增益有影响，由下式给出：

其中，g

图7中所示的电路装置10的设置能够用于图4和图5中所示的设置中。

能够采用图7的电路装置10用于用于操作电路装置10的方法。所述方法包括向级11阵列的每个级11提供相应的输入信号。此外，利用每个级11生成输出信号作为提供给相应的OTA 12的放大器输入端13的相应的输入信号的函数。为了调谐相应的OTA 12的跨导g

图7还示出了成像设备24的示例性实施例。成像设备24能够是光谱成像设备或医学成像设备。成像设备24包括电路装置10和光子检测器25。对于每个级11，光子检测器25的像素分别连接到OTA 12的放大器输入端13。

在图8中，示出了电路装置10的另一个示例性实施例。除了额外的噪声注入块17，图8中所示的电路装置10具有与图7中所示相同的设置。每个级11包括连接到OTA 12的另一输入端14的噪声注入块17。对于每个级11，噪声注入块17经由第一内部节点21连接到OTA12的另一输入端14。第一内部节点21被布置在参考电位端子19和OTA 12的另一输入端14之间。

级11的输出噪声V

其中，k是常数。因此，输出噪声取决于输入电容C

图9示出了电路装置10的另一个示例性实施例。电路装置10具有与图8所示相同的设置，唯一的区别在于噪声注入块17的设置被进一步指定。噪声注入块17包括缓冲部件18和可调谐电容器20。缓冲部件18和可调谐电容器20都连接到布置在缓冲部件18和OTA 12的另一输入端14之间的第一内部节点21。缓冲部件18具有可调谐噪声等级，并且缓冲部件18布置在参考电位端子19和第一内部节点21之间。缓冲部件18的跨导g

图10示出了成像设备24的另一个示例性实施例。在该实施例中，内插件26布置在电路装置10和光子检测器25之间。

图11示出了电路装置10的另一个示例性实施例。与图7所示的电路装置10相比，图11的电路装置10还包括多个加热器22，其中，每个加热器22分别被分配给级11中的一个。加热器22布置成紧邻相应的级11。

图12示出了电路装置10的另一个示例性实施例。与图7所示的电路装置10相比，图12的电路装置10还包括用于每个级11的至少一个另外的可调谐OTA 23，其中，所述另外的可调谐OTA 23并联连接到可调谐OTA 12。电路装置10能够包括几个另外的可调谐OTA 23，其在图12中由虚线表示。至少一个另外的OTA 23能够用于进一步调谐相应的级11的跨导g

应当理解，本公开不限于所公开的实施例以及上文具体示出和描述的内容。相反，可以有利地组合单独的从属权利要求或说明书中记载的特征。此外，本公开的范围包括那些对于本领域技术人员显而易见的变化和修改。在权利要求或说明书中使用的术语“包括”不排除相应特征或程序的其他元素或步骤。在术语“一”或“一个”与特征结合使用的情况下，它们不排除多个这样的特征。此外，权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

附图标记说明

10 电路装置

11 级

12 运算跨导放大器

13 放大器输入端

14 另一输入端

15 输出端

16 反馈网络

17 噪声注入块

18 缓冲部件

19 参考电位端子

20 可调谐电容器

21 第一内部节点

22 加热器

23 另一运算跨导放大器

24 成像设备

25 光子检测器

26 内插件

27 光子计数系统

28 前端电路

29 比较器

30 计数器

31 集成电路

32 透硅通孔

33 电连接件

34 输入端

35 输入电容器

36 反馈电容器

37 电阻器

38 电路

39 第一电路元件

40 第二电路元件

41 无源耦合网络

42 电容器

43 通道

44 输入节点

45 跨导反馈元件

46 第二内部节点

47 负载电容器

β 反馈因子

BW 带宽

C

C

C

g

V