PET成像前端集成电路设计 高武 9787121311253 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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高武 著

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121311253

商品编码：29523959378

包装：平装

出版时间：2017-04-01

基本信息

书名：PET成像前端集成电路设计

定价：69.00元

作者：高武

出版社：电子工业出版社

出版日期：2017-04-01

ISBN：9787121311253

字数：

页码：184

版次：01

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书针对正电子发射断层成像系统的需求，系统地介绍了辐射探测器前端集成电路的电路结构和设计方法学。全书分为三部分：部分主要介绍正电子发射断层成像前端读出电路的研究进展和发展动态分析、低噪声前端读出电路设计技术和电流模式前端读出电路设计技术等，第二部分主要介绍时间/数字转换器技术综述、低抖动延迟锁相环设计技术和多通道大动态范围时间/数字转换器设计技术等；第三部分给出多通道低功耗模拟/数字转换器的设计技术。全书后给出对下一代正电子发射断层成像前端集成电路的展望。本书适合集成电路设计领域的专业人员使用。

目录

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作者介绍

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西北工业大学教授，法国斯特拉斯堡大学科学博士、西北工业大学工学博士，主要从事低噪声前端读出集成电路、抗辐射集成电路和空间嵌入式系统的设计与开发。承担本科生'模拟集成电路设计”、研究所'前端微电子系统”等课程。

文摘

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序言

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《芯动力：高性能PET成像前端芯片集成解析》 内容概要： 本书深入剖析了正电子发射断层扫描（PET）成像系统中至关重要的前端电子学集成电路设计。PET作为一种无创性医学影像技术，其诊断精度和成像质量在很大程度上取决于前端探测器信号的采集、处理和传输效率。本书聚焦于这一核心环节，从理论基础到实际应用，系统阐述了实现高性能PET成像前端所需的关键集成电路技术和设计策略。 全书共分为七章，层层递进，力求为读者构建一个全面而深入的知识体系。 第一章：PET成像原理与前端电子学挑战 本章首先回顾了PET成像的基本原理，包括放射性核素的衰变、正电子的产生与湮灭、反符合信号的探测以及图像重建的基本流程。在此基础上，重点阐述了PET成像对前端电子学提出的严峻挑战。包括： 极高的计数率处理能力： PET系统需要实时处理海量的探测器信号，这对前端电路的带宽和处理速度提出了极高要求。 微弱信号的精确测量： 探测器产生的信号幅度非常微弱，需要低噪声、高精度的放大和数字化电路来准确捕捉。 高空间分辨率的需求： 实现精细的图像分辨率，要求探测器阵列的密度极高，而每个通道的电子学设计都必须紧凑且低功耗。 时间分辨率的提升： 提高时间分辨率是实现“时间飞行”（Time-of-Flight, TOF）PET的关键，这对前端时间测量电路的精度和稳定性提出了极高要求。 多功能集成与成本控制： 在有限的空间内集成更多功能，同时控制整体成本，是商用PET设备必须考虑的因素。 电磁兼容性（EMC）问题： 大量的电子元器件在高密度集成时，会产生复杂的电磁干扰，需要精心设计以保证系统的稳定运行。 通过对这些挑战的深入分析，读者能够清晰地认识到PET前端集成电路设计的重要性及其复杂性。 第二章：探测器接口电路设计 探测器是PET系统的“眼睛”，其输出信号的特点直接影响着后续信号处理的效率和精度。本章详细介绍了PET系统中常用的探测器类型（如闪烁晶体与光电倍增管/硅光电倍增管）及其输出信号的特性。在此基础上，重点讨论了与之匹配的接口电路设计，包括： 前置放大器（Preamplifier）设计： 针对不同探测器的特性，设计具有高增益、低噪声、宽带宽的前置放大器，以有效放大探测器输出的微弱信号，同时抑制外部噪声的干扰。将深入探讨各种放大器拓扑结构（如跨阻放大器、共发射极放大器等）在PET前端的应用，以及如何优化其噪声性能和稳定性。 信号耦合与阻抗匹配： 阐述了如何通过合理的信号耦合方式（如AC耦合、DC耦合）和阻抗匹配技术，最大限度地减少信号传输过程中的损耗和失真。 探测器校准电路： 针对探测器性能的漂移和个体差异，设计必要的校准电路，以保证整个探测器阵列的均匀性和测量精度。 第三章：信号调理与整形电路设计 探测器输出的原始信号往往需要经过一系列的调理和整形才能满足后续数字化和处理的要求。本章深入探讨了这一环节的关键技术： 滤波电路设计： 详细分析了低通滤波、高通滤波、带通滤波在PET信号处理中的作用，包括如何根据信号特性和噪声频谱选择合适的滤波器类型（如RC滤波器、有源滤波器）和设计参数，以最大程度地去除噪声，保留有用信号。 幅度限制与箝位电路： 讨论了如何设计电路来限制信号的幅度，防止过载损坏后续电路，以及如何利用箝位电路来处理异常信号。 波形整形电路： 重点介绍了各种波形整形电路（如施密特触发器、延迟线整形器）的设计，以生成具有标准逻辑电平的脉冲信号，便于后续的数字处理和时间测量。将详细分析不同整形器对脉冲宽度、上升沿和下降沿的影响。 基线恢复（Baseline Restoration）技术： 阐述了在连续脉冲信号流中如何有效恢复信号的基线，以保证每次脉冲测量的准确性。 第四章：高精度时间测量电路设计 高时间分辨率是现代PET技术（尤其是TOF-PET）的核心竞争力。本章将聚焦于实现这一目标的高精度时间测量电路设计： 时间测量原理： 介绍基于不同原理的时间测量方法，如基于脉冲边沿检测的时间测量、基于脉冲累加的时间测量等。 恒比定时器（Constant Fraction Discriminator, CFD）设计： 详细阐述CFD的设计原理和电路实现，重点在于如何设计能够精确输出触发信号，且其触发点与输入信号幅度无关的CFD。 延迟线（Delay Line）技术： 探讨了利用延迟线实现精确时间延迟的方法，以及其在时间测量中的应用。 模数转换（ADC）的门控与触发： 分析了如何利用CFD等电路的输出信号来触发ADC的采样，以捕捉特定时间窗口内的信号信息。 时间数字转换器（TDC）设计： 深入介绍TDC的设计原理和各种实现方法（如延迟链式TDC、环形振荡器TDC等），以及如何通过TDC实现纳秒甚至皮秒量级的时间分辨率。 第五章：低功耗与高集成度设计策略 在PET前端集成电路设计中，低功耗和高集成度是提升系统性能和降低成本的关键。本章将重点探讨相关的设计策略： 低功耗电路设计技术： 介绍各种低功耗设计技术，如亚阈值工作模式、动态电压频率调整（DVFS）、门控时钟技术、低功耗逻辑单元设计等，并分析其在PET前端的应用潜力。 混合信号集成（Mixed-Signal Integration）： 详细阐述模拟电路和数字电路在同一芯片上集成所面临的挑战以及相应的解决方案，包括噪声隔离、时钟抖动控制、电源分割等。 模块化设计与IP复用： 强调模块化设计思想在大型集成电路开发中的重要性，以及如何有效利用现有的IP核来加速设计进程，降低开发成本。 先进封装技术： 讨论了先进封装技术（如3D堆叠、扇出封装等）在PET前端集成中的应用，以及如何通过封装来提升集成密度和电气性能。 第六章：FPGA与ASIC在PET前端的应用 现场可编程门阵列（FPGA）和专用集成电路（ASIC）是实现PET前端功能的主流硬件平台。本章将对比分析两者在PET前端设计中的优劣势： FPGA在PET前端的应用： 介绍FPGA在PET系统原型验证、算法开发、小批量生产中的优势，包括其灵活性高、开发周期短等特点。将展示如何利用FPGA实现数据采集、信号处理、实时校准等功能。 ASIC在PET前端的应用： 探讨ASIC在PET系统大规模量产、追求极致性能和低功耗时的不可替代性。将深入分析ASIC的设计流程、性能优化以及与FPGA的权衡。 混合设计方案： 讨论如何结合FPGA和ASIC的优势，构建高效的PET前端系统，例如利用FPGA进行前期算法验证，最终将成熟的算法固化到ASIC中。 第七章：实际案例分析与未来展望 本章通过分析一些实际的PET成像前端集成电路设计案例，将前文所述的理论知识与实际工程应用相结合，帮助读者更好地理解设计过程和遇到的问题。同时，对PET成像技术和前端电子学设计未来的发展趋势进行展望，包括： 更高能量分辨率和时间分辨率的追求 面向新一代探测器技术（如SiPM）的优化设计 人工智能（AI）在PET信号处理中的应用 低成本、便携式PET设备的开发 与MRI、CT等模态融合的集成电路设计 本书特色： 理论与实践紧密结合： 既有扎实的理论基础，又包含丰富的工程实践指导。 技术前沿性： 聚焦于当前PET成像前端设计最热门和最具挑战性的技术点。 系统性与全面性： 覆盖了从原理到实现、从硬件到部分软件接口的完整流程。 专业性与可读性并存： 语言严谨专业，同时力求清晰易懂，适合不同背景的读者。 《芯动力：高性能PET成像前端芯片集成解析》将成为PET成像领域的研究者、工程师以及相关专业学生的重要参考资料，为推动下一代高性能PET成像技术的发展提供坚实的理论和技术支撑。

评分☆☆☆☆☆

开篇：从技术深度到实际应用的思考 这本书的题目一出来，我就被“PET成像”和“前端集成电路设计”这两个关键词深深吸引住了。在医学影像领域，PET技术的重要性不言而喻，但其核心的信号采集和处理环节，尤其是前端电路的设计，往往是决定最终图像质量和系统性能的关键瓶颈。我带着一种近乎朝圣般的心情翻开了这本书，期待能看到那些隐藏在高性能PET设备背后的电子学智慧。初读之下，作者似乎并未急于展示那些炫目的系统指标，而是扎扎实实地从半导体物理和器件层面讲起，这让我感到非常欣慰。这种由内而外的讲解方式，比那些只会堆砌现有模块框图的书籍要更有价值得多。我特别关注了其中关于低噪声放大器（LNA）和脉冲整形电路的章节，书中对不同拓扑结构的优劣势分析得极为透彻，不仅仅停留在理论公式推导，还结合了实际噪声源的建模和抑制策略，让我对如何在高计数率环境下保持高信噪比有了更深层次的理解。这种对细节的执着，正是衡量一本硬核技术书籍是否合格的试金石。那种仿佛能亲手调试电路、感受到电流流动的代入感，是阅读其他泛泛之谈的资料时所无法比拟的。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验：图文并茂，晦涩难懂处的点睛之笔 坦率地说，PET前端电路设计涉及的知识点非常密集，从半导体工艺的微观世界到高速信号传输的宏观表现，对读者的基础要求很高。然而，作者在呈现复杂概念时，展现出了非凡的教学能力。那些原本可能让人望而却步的傅里叶变换在噪声分析中的应用，或是复杂反馈回路的稳定性讨论，都被配上了清晰的、逻辑性极强的图表来辅助理解。特别是那些关键公式的推导过程，作者总能在看似跳跃的地方插入一小段解释性的文字，就像在你迷路时递来一张指路的地图。这种行文风格，使得原本生涩的理论知识变得易于消化，极大地降低了自学的门槛。我个人非常欣赏作者在关键定义旁标注的“工程启示”或“设计陷阱”部分，这些看似不起眼的标注，往往是作者多年实践经验的结晶，能够帮助我们这些实践者避免走许多弯路。这本书的排版和插图质量也值得称赞，清晰的电路图和布局图让人一目了然，确保了阅读过程中的流畅性。

评分☆☆☆☆☆

总结与展望：一本值得反复研读的工具书 读完这本书，我最大的感受是“充实”和“可靠”。它不是一本读完一遍就能完全吸收的快速入门读物，而是一本需要放在手边，在遇到具体技术难题时反复查阅的工具书。它成功地在学术的严谨性与工程的实用性之间找到了一个完美的平衡点。书中对不同工艺节点的适应性讨论，也为我们思考未来IC的演进方向提供了重要的参考系。例如，随着CMOS工艺节点不断缩小，对亚阈值漏电和随机缺陷的管理将变得愈发重要，书中对这些前沿挑战的预见性分析，使得这本书的参考价值得以长期维持。总而言之，这本书的深度、广度以及对工程实践的指导意义，使其在PET成像前端电路设计这个细分领域中，达到了一个很高的标杆水平。我强烈推荐给所有致力于高端医疗电子设备研发的工程师和研究生。

评分☆☆☆☆☆

深入探讨：设计哲学与前沿趋势的交织 这本书的叙述逻辑非常严谨，它巧妙地将传统的模拟电路设计原则与现代超大规模集成电路（VLSI）的设计流程无缝对接。尤其让我印象深刻的是，作者并未将PET前端电路视为一个孤立的模块，而是将其置于整个数据链的背景下进行考量。比如，在讨论电荷收集和数字化转换时，它详细阐述了如何根据后续的数字信号处理（DSP）能力来反推前端电路的最佳参数设置，这体现了一种系统级的、面向应用的集成设计哲学。这种前瞻性的视角，让这本书的价值远远超出了单纯的“电路设计手册”。我注意到书中对新型探测器接口的适配性有深入探讨，例如新型闪烁体材料对信号特性的影响，以及如何设计出能兼容不同脉冲形状的自适应前端。这种对行业最新进展的关注和消化能力，使得这本书即使面对日新月异的技术迭代，也依然保持了强大的生命力。它不是在教你如何复制已有的设计，而是在启发你如何去思考下一个十年可能出现的挑战并提前布局解决方案。

评分☆☆☆☆☆

对实践者的价值：从理论到验证的桥梁 对于已经在相关领域工作或者进行毕业设计（毕设）的工程师和学生来说，这本书无疑是一座宝贵的桥梁。它不仅提供了理论基础，更重要的是，它深入到了仿真和验证的层面。书中对Spice模型参数的选择、蒙特卡洛仿真在统计噪声分析中的应用，以及版图设计时需要特别注意的串扰和地弹问题，都有详尽的讨论。这部分内容将理论的严谨性带入了实际的工程操作层面。我特别留意了关于功耗优化的章节，在便携式或植入式PET设备日益普及的今天，低功耗设计已不再是可选项而是必选项。作者提出的功耗-性能权衡的量化方法，提供了一套可操作的评估框架，而不是仅仅停留在“应该低功耗”这种空泛的口号上。这本书的价值在于，它教你如何“做出”一个合格的前端IC，而不是仅仅“描述”一个理想的前端IC。