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研究生: 董皓裕
Tung, Hao-Yu
論文名稱: 醫療用數位X光影像系統之讀出電路與驅動電路設計
The Design of Readout and Driving Circuits for Medical Digital X-ray Imaging System
指導教授: 徐永珍
Hsu, Yung-Jane
口試委員: 江雨龍
Jiang, Yeu-Long
許國強
Hsu, Kuo-Chiang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 86
中文關鍵詞: X光影像讀出電路驅動電路
外文關鍵詞: Xray imaging, driving circuit, readout circuit
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  • 近年來隨著因惡性腫瘤而死亡的人數節節攀升,用於檢測腫瘤的X光影像系統越發重要。本論文的研究目的是設計醫療用X光影像系統的讀出電路與驅動電路,系統的像素架構採用清大范森雄博士提出之特殊架構,此架構能有效降低漏電流,適合應用於大面積的醫療影像,論文中的讀出電路以及驅動電路是針對此像素架構進行設計。藉由驅動電路與讀出電路來控制像素架構,使其操作於曝光狀態,接著由驅動電路選擇欲讀出的像素將像素中儲存的光訊號讀出,經過消除偏移量與放大的處理後供給後續電路處理。
    讀出電路晶片以TSMC 0.35μm CMOS製程實現,晶片面積為1.643mm×1.282 mm,讀出電路中包括電荷放大器、相關二次取樣電路與時脈控制電路;驅動電路晶片以TSMC 0.25μm HV CMOS製程實現,晶片面積為0.391mm×0.615 mm,驅動電路中包括移位暫存器與高壓電位轉移電路。量測時輸出動態範圍可達77.45dB,與現行產品規格相當。


    Because the number of people who died from cancer was increasing in recent years, X-ray imaging system used to detect tumors has become more and more important. The purpose of this thesis is to design the readout circuit and the driving circuit for an -Si medical X-ray imaging system. The pixel structure in this system was proposed by Dr. Sen-Shyong Fann. This pixel structure was claimed to be able to reduce leakage current, which is especially suitable for large area medical imaging. The readout circuit and the driving circuit of this thesis were designed for the arrays with this pixel structure. The readout circuit can read out the signal stored in the pixel and can cancel the offset caused by the pixel structure.
    The readout circuit chip was fabricated in TSMC 0.35μm CMOS process .The chip area is 1.643mm × 1.282 mm. The readout circuit includes charge amplifiers, correlated double sampling circuits, and a clock control circuit. The driving circuit chip was fabricated in TSMC 0.25μm HV CMOS process. The chip area is 0.615mm × 0.391 mm. The driving circuit includes shift registers and HV level-shift circuits. The input dynamic range of the readout circuit can reach 77.45dB, which is quite similar to the specifications of current products.

    摘要 I Abstract II 致謝 III 目 錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XI 第一章 前言 1 1.1研究背景與發展現況 1 1.2研究動機 3 1.3章節架構 7 第二章 數位X光影像系統之特性 8 2.1數位X光影像系統的操作與原理 8 2.2數位X光影像系統的特性 10 2.2.1量子效率(Quantum efficiency) 10 2.2.2 填充係數 (Fill Factor) 11 2.2.3 暗電流 (Dark Current) 與漏電流(Leakage Current) 11 2.2.4 動態範圍(Dynamic Range) 12 2.2.5 畫面速率 (Frame Rate) 12 2.2.6 定格雜訊(Fixed Pattern Noise) 13 第三章 數位X光影像系統之讀出與驅動電路設計 14 3.1數位X光影像系統電路架構簡介 14 3.2像素的操作原理 17 3.3讀出電路設計 20 3.3.1 讀出電路架構與原理 20 3.3.2 讀出電路之子電路設計 26 3.4 時脈控制電路設計 30 3.4.1時脈控制電路架構與原理 30 3.4.2 時脈產生電路之子電路 32 3.5驅動電路設計 35 第四章 電路模擬及電路佈局 39 4.1 系統規格 39 4.2 讀出電路模擬 40 4.2.1製程變異 42 4.2.2 電壓變異 43 4.2.3 溫度變異 44 4.3 時脈產生電路模擬 46 4.4 驅動電路模擬 48 4.5 電路佈局 49 4.5.1 讀出電路與時脈控制電路佈局 49 4.5.2 驅動電路佈局 52 第五章 量測環境與量測結果 54 5.1 儀器介紹 54 5.2 晶片載具(PCB板)設計 56 5.3 讀出電路與時脈控制電路量測 57 5.3.1 量測系統架設 57 5.3.2 偏壓電路量測 60 5.3.3 時脈控制電路量測結果 61 5.3.4 讀出電路量測結果 64 5.4 驅動電路量測 69 5.4.1 量測系統架設 69 5.4.2 驅動電路量測結果 72 5.5 問題討論 74 5.6 量測結果比較 79 第六章 結論與後續研究建議 81 6.1 結論 81 6.2 後續研究建議 82 參考文獻 85

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