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

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高武 著

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• PET成像
• 正电子发射断层扫描
• 集成电路设计
• 前端电路
• 医学影像
• 射频电路
• 低噪声放大器
• 模数转换器
• 信号处理
• 核医学

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121311253

版次：01

商品编码：12073375

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-04-01

页数：184

正文语种：中文

内容简介

　　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：第一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。全书最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。

作者简介

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。

目录

第1章 绪论 1
1．1 PET成像技术简介 1
1．2 前端电子学 3
1．3 本书的主要内容及安排 5
参考文献 6
第2章 PET成像前端电子学概述 10
2．1 PET探测器前端微电子学 10
2．1．1 光电转换 10
2．1．2 信号采集 12
2．1．3 脉冲高度分析 14
2．1．4 时间鉴别 16
2．1．5 峰值探测采样和保持 16
2．1．6 模拟/数字转换 16
2．1．7 时间/数字转换 17
2．2 PET前端读出电路芯片的研究进展 18
2．2．1 国外研究进展 18
2．2．2 国内研究进展 20
2．3 PET前端读出芯片发展动态分析 20
2．4 本章小结 21
参考文献 22
第3章 低噪声模拟前端集成电路设计 26
3．1 CZT探测器前端读出ASIC研究进展 26
3．2 设计需求 27
3．3 电路描述 29
3．3．1 电荷灵敏放大器 30
3．3．2 放大器内核的结构 33
3．3．3 反馈电阻 35
3．3．4 漏电流补偿 36
3．3．5 脉冲成形器 37
3．3．6 峰值保持电路 39
3．3．7 时间鉴别电路 40
3．4 噪声优化 42
3．5 实验结果及讨论 45
3．5．1 输出波形 46
3．5．2 增益和线性度 46
3．5．3 通道一致性 47
3．5．4 噪声性能 47
3．5．5 时间移步 49
3．5．6 能谱分析 49
3．6 本章小结 51
参考文献 52
第4章 电流模式模拟前端集成电路设计 56
4．1 设计指标和结构 56
4．1．1 设计指标 56
4．1．2 电路结构 57
4．2 电路描述 58
4．2．1 前置放大器和增益调节电路 58
4．2．2 CR-RC成形器 60
4．2．3 时间标记电路 61
4．2．4 模拟存储器 66
4．3 实验结果和讨论 67
4．3．1 线性度测试 68
4．3．2 触发信号的“时间移步”测试 70
4．3．3 触发效率测试 70
4．3．4 通道间的串扰测试 71
4．3．5 噪声和功耗测量 71
4．3．6 总体性能比较 72
4．4 本章小结 72
参考文献 73
第5章 时间/数字转换器技术综述 74
5．1 TDC的概念 74
5．2 主要指标 75
5．2．1 分辨率 75
5．2．2 动态范围 75
5．2．3 线性 76
5．2．4 转换速度 76
5．2．5 功耗 76
5．3 TDC技术 76
5．3．1 模拟TDC 76
5．3．2 数字TDC 78
5．3．3 基于延迟锁相环（DDL）的TDC 81
5．3．4 亚皮秒的TDC 87
5．4 TDC结构的比较 91
5．5 面向PET成像应用的TDC 93
5．6 本章小结 94
参考文献 94
第6章 低抖动多相位延迟锁相环设计 97
6．1 延迟锁相环技术概述 97
6．1．1 结构和工作原理 97
6．1．2 行为模型 102
6．1．3 抖动模型 102
6．1．4 电路技术 104
6．2 多相位电荷泵延迟锁相环设计 109
6．2．1 结构设计 109
6．2．2 电路描述 110
6．2．3 原型和实验结果 115
6．3 电荷泵延迟锁相环优化设计 117
6．3．1 电压控制延迟链优化 117
6．3．2 动态鉴相器 119
6．3．3 电荷泵电路优化 121
6．3．4 环滤波器电路优化 123
6．3．5 实验结果 123
6．4 本章小结 124
参考文献 124
第7章 多通道大动态范围TDC设计 126
7．1 设计考虑 126
7．2 一款625 ps多通道粗细两级TDC的设计 130
7．2．1 提出的结构 130
7．2．2 电路描述 132
7．2．3 实验结果与讨论 137
7．3 一款基于延迟锁相环阵列的多通道TDC的设计 139
7．3．1 采用延迟锁相环阵列的时间内插技术 139
7．3．2 采用延迟锁相环阵列的TDC的实现 143
7．3．3 实验结果及讨论 146
7．4 本章小结 150
参考文献 150
第8章 多通道低功耗ADC的设计 152
8．1 基于时间的ADC技术综述 154
8．2 用于PET成像的基于时间的ADC设计 158
8．2．1 斜坡生成器电路 159
8．2．2 比较器电路 161
8．2．3 数字延迟锁相环电路 164
8．2．4 格雷码计数器电路 168
8．2．5 采样和读出电路 168
8．2．6 时序控制器 169
8．3 误差分析 170
8．3．1 由斜坡生成器导致的误差 170
8．3．2 由比较器导致的误差 171
8．3．3 由计数器和延迟锁相环导致的误差 172
8．3．4 DNL模型 172
8．4 实验结果 172
8．5 本章小结 175
参考文献 175
第9章 下一代PET成像前端集成电路展望 178
9．1 全数字输出的单片多通道前端读出芯片 178
9．2 采用数字后处理算法的前端读出芯片 180
9．3 基于多阈值采样方法的前端读出芯片 181
参考文献 182
致谢 183

《PET成像前端集成电路设计》是一本专注于高性能PET（正电子发射断层成像）系统核心部件——前端电子线路设计与优化的专业著作。本书深入剖析了PET成像过程中，从探测器信号采集、放大、整形、数字化到数据传输等一系列关键电子链路的理论基础、电路实现方法以及性能提升策略。 第一章 绪论 本章首先回顾PET成像技术的发展历程及其在医学诊断、药物研发、生物科学研究等领域的广泛应用。在此基础上，重点阐述了PET系统对前端电子线路提出的严苛要求，包括高灵敏度、高计数率能力、低噪声、高时间分辨率、高空间分辨率以及低功耗等。接着，介绍当前PET系统前端电子设计面临的主要挑战，如信号的微弱性和噪声干扰、高速数据处理的瓶颈、集成度的提升以及成本的控制等。最后，勾勒出本书的整体框架和研究内容，为读者深入理解后续章节奠定基础。 第二章 PET探测器信号特性分析 本章详细分析了PET系统中常用的闪烁体探测器（如LYSO、BGO等）在吸收高能光子后产生的输出信号特性。重点讲解了光电倍增管（PMT）和硅光电倍增管（SiPM）等光电转换器件的工作原理、性能指标（如增益、噪声、响应时间、量子效率等）及其对前端信号的影响。深入分析了闪烁体发光衰减过程、载流子生成与扩散机制，从而推导出探测器输出电信号的数学模型。此外，还探讨了不同闪烁体材料的特性差异及其对前端电路设计的考量。 第三章 低噪声信号放大器设计 低噪声信号放大是PET前端电子设计的首要环节。本章首先介绍了噪声的来源及其对PET图像质量的影响，包括热噪声、散粒噪声、闪烁噪声等。在此基础上，详细讲解了各种低噪声放大器拓扑结构，如跨导放大器（OTA）、跨阻放大器（TIA）、运算放大器（Op-amp）为核心的放大器等。深入分析了放大器的噪声性能指标（如输入电压噪声密度、输入电流噪声密度），并提出了在不同应用场景下选择和优化放大器参数的方法。重点探讨了如何通过器件选择、偏置电流优化、反馈网络设计等技术来最小化噪声。此外，还将介绍宽带放大器的设计，以满足PET信号的瞬态特性要求。 第四章 信号整形与阈值甄别 信号整形是提高PET系统计数率能力和时间分辨率的关键技术。本章详细介绍了各种信号整形器（shaper）的设计原理和实现方法，包括CR-RC整形、高斯整形、极点-零点补偿整形等。深入分析了整形器对信号波形、脉冲宽度、信噪比以及时间抖动的影响。接着，讲解了阈值甄别电路（discriminator）的设计，包括滞后比较器、具有可变阈值甄别功能的电路等。重点阐述了如何通过精确的阈值设置来有效区分有效信号和噪声，以及如何优化甄别器的响应时间以减小事件丢失。 第五章 高速模数转换器（ADC）选型与接口设计 模数转换是PET前端电子将模拟信号转化为数字信号的关键步骤。本章首先分析了PET系统对ADC性能的要求，包括采样率、分辨率、线性度、功耗等。详细介绍了不同类型的ADC，如逐次逼近型ADC（SAR ADC）、流水线型ADC（Pipeline ADC）、Σ-Δ ADC等的原理、优缺点及适用场景。重点讲解了如何根据PET信号的带宽和动态范围选择合适的ADC。此外，还将详细探讨ADC的输入接口电路设计，包括采样保持电路（S/H）的设计，以及如何解决ADC输入端的阻抗匹配和信号完整性问题。 第六章 数据采集与传输架构 高效的数据采集和传输是PET系统性能的保障。本章首先介绍了PET系统典型的数据采集前端架构，包括基于FPGA的通用数据采集系统、ASIC专用集成电路数据采集方案等。深入分析了FPGA在前端数据处理中的应用，如数据打包、时间戳生成、事件排序、数据过滤等。对于ASIC设计，将重点介绍其在集成度、功耗和速度方面的优势。接着，详细讲解了多种数据传输接口标准，如LVDS、SerDes、以太网等，并分析了它们在PET前端中的应用特点和技术选型考量。 第七章 时间戳生成与精确计时技术 精确的时间戳对于PET事件的关联和图像重建至关重要。本章详细介绍了各种时间戳生成技术，包括基于FPGA的时钟同步、数字延迟线技术、时间数字转换器（TDC）等。深入分析了不同技术的时间分辨率、精度和功耗。重点讲解了如何利用高精度TDC来测量信号到达时间，从而实现纳秒级甚至更高精度的时间测量。还将探讨时钟同步和抖动抑制技术，以保证整个前端系统的时序一致性。 第八章 功耗优化与低功耗设计技术 在移动式PET或便携式PET设备的设计中，功耗是关键的考量因素。本章深入探讨了PET前端电子的功耗来源，并提出了多种功耗优化策略。包括选择低功耗器件、采用动态电压频率调整（DVFS）技术、优化的电源管理策略、以及在保证性能的前提下降低电路的静态功耗和动态功耗。将介绍低功耗放大器、低功耗ADC、以及低功耗FPGA/ASIC的设计技巧。 第九章 集成与系统级设计考量 将各个分立的前端电子模块集成到一个整体系统中需要周密的规划。本章将从系统级层面出发，探讨PET前端集成电路的设计考量。包括PCB布局布线技巧、信号完整性与电源完整性问题、电磁兼容性（EMC）设计、以及散热设计。将介绍如何通过合理的布局来减小串扰和噪声耦合，以及如何优化电源分配网络以保证信号的稳定性。此外，还将讨论模块间的接口标准化和互联互通问题。 第十章 性能测试与验证方法 对设计完成的前端集成电路进行全面的性能测试是必不可少的环节。本章详细介绍了PET前端集成电路的典型测试项目，包括增益、噪声、带宽、线性度、时间分辨率、功耗等。讲解了各种测试仪器和测试平台的使用，如示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、信号发生器、以及专用的PET探测器模拟测试系统。还将介绍如何利用PET仿真软件和实际探测器数据来验证电路的设计效果，并提出性能评估与优化的方法。 第十一章 新兴技术与未来发展趋势 本章展望了PET成像前端集成电路设计的未来发展方向。将介绍当前热门的新兴技术，如先进的SiPM技术、新型闪烁体材料、先进的ASIC设计工艺、以及AI在前端信号处理中的潜在应用。探讨了如何利用更先进的器件和技术来进一步提高PET系统的性能，如更高的计数率、更优异的时间分辨率、以及更低的功耗。最后，对PET前端电子设计的未来挑战和机遇进行总结。 本书内容涵盖了PET成像前端集成电路设计的理论、方法、实践以及未来发展，旨在为从事PET系统研发的工程师、研究人员以及相关专业的学生提供一本全面、深入、实用的参考书。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书，我第一眼就被它厚重的体量和密集的图表所吸引。翻开目录，可以看到它涵盖了从基础的半导体器件特性分析，到复杂的系统级集成设计，再到实际的测试和验证方法。其中，关于时间飞行（Time-of-Flight, TOF）PET成像系统的介绍，以及前端电子学如何在高灵敏度和高时间分辨率之间取得平衡，是我非常感兴趣的部分。书中详细探讨了如何设计具有纳秒级时间分辨率的信号采集链，包括了前置放大器、阈值鉴别器、时间数字转换器（TDC）等关键模块。我特别注意到关于TDC设计的部分，作者介绍了不同架构的TDC，如环形振荡器型TDC和延迟线型TDC，以及它们在精度、功耗和面积上的权衡。这部分内容对于理解如何精确测量光子到达时间至关重要，也让我对现代数字信号处理技术在高端仪器中的应用有了更深的认识。此外，书中还涉及了能量探测器接口电路的设计，包括如何处理盖革计数管或闪烁体探测器输出的信号，并进行能量测量和筛选。我对这部分内容感到很好奇，因为不同的探测器类型对前端电路的设计提出了不同的要求。这本书的结构逻辑清晰，从基础理论到具体实现，层层递进，为读者构建了一个完整的知识体系。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字叫《PET成像前端集成电路设计》，听起来就非常硬核，一看就知道不是那种能轻松翻阅的读物。我刚拿到手，还在初步翻看，里面的内容涉及到了大量的半导体物理、模拟电路设计、数字电路设计，甚至还触及到了信号处理和一些高级的电子工程概念。对于我这样一个初学者来说，里面的很多公式和理论推导都显得相当深奥，需要花费大量的时间去理解和消化。例如，在关于低噪声放大器（LNA）的部分，作者详细阐述了不同晶体管（MOSFET、BJT）的噪声模型，以及如何通过优化器件尺寸、偏置电流和反馈网络来最小化噪声系数。这部分的内容不仅要求扎实的模拟电路基础，还需要对噪声机理有深入的认识，这对我来说无疑是一个巨大的挑战。同时，书中还介绍了各种滤波器的设计方法，包括低通、高通、带通和带阻滤波器，以及如何在集成电路中实现这些滤波器，并考虑寄生效应和工艺变化的影响。光是理解这些滤波器设计背后的数学原理和电路实现就需要反复钻研。我还在思考，书中提到的各种版图设计规则和后仿真技术，对于确保实际芯片性能与理论设计一致至关重要，这部分的内容也需要仔细学习。总的来说，这本书内容非常丰富，覆盖面很广，对于想要深入了解PET成像前端集成电路设计的人来说，绝对是一份宝贵的参考资料，但需要付出极大的努力去掌握。

评分☆☆☆☆☆

我拿到这本《PET成像前端集成电路设计》，感觉它的内容非常扎实，一看就不是一本泛泛而谈的书。书中关于统计噪声、量子噪声以及各种电子学噪声的深入分析，为理解PET成像的探测原理打下了坚实的基础。我最感兴趣的是书中关于前端信号链设计的部分，它详细描述了从探测器输出的微弱信号，经过放大、整形、滤波，最终转化为可以被数字化处理的数据的整个过程。作者在介绍放大器设计时，不仅讲解了基本的跨导放大器和运算放大器，还深入探讨了高带宽、低噪声、高稳定性的宽带放大器设计技巧，以及如何应对不同类型的探测器（如闪烁体、半导体探测器）输出信号的特性。我还在仔细研究书中关于信号处理和数字化的部分，它介绍了如何设计高效的阈值鉴别器（Discriminator）来区分有用的信号和噪声，以及如何实现高精度的时间数字转换器（TDC）来测量光子的到达时间，这对于实现高分辨率的PET成像至关重要。书中还提及了数字信号处理（DSP）在后端数据预处理中的应用，例如对采集到的数据进行校准、滤波和时间戳的处理，为图像重建算法提供高质量的输入。这本书的内容深度和广度都非常可观，对于有志于深入研究PET成像前端集成电路设计的工程师和研究者来说，无疑是一本不可多得的宝藏。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字《PET成像前端集成电路设计》听起来就非常专业，我想了解一下它在实际应用中是如何将理论知识转化为可行的设计方案的。书中关于信噪比（SNR）优化和线性度保持的部分，引起了我的注意。PET成像对信号的灵敏度和精度要求非常高，任何一点噪声或非线性都会影响最终的图像质量。作者详细阐述了如何在不同电路模块中减小噪声的引入，例如在放大器设计中如何选择合适的器件和偏置，以及如何通过差分结构和滤波技术来抑制共模噪声。同时，书中还讨论了如何在高动态范围内保持信号的线性度，这对于准确测量光子能量和到达时间至关重要。我特别关注书中关于ADC（模数转换器）选择和设计的章节，它介绍了SAR ADC、Delta-Sigma ADC等不同类型的ADC，以及它们在PET成像前端中的优缺点和设计考量。这部分内容对于将模拟信号转化为数字信息，并为后续的图像重建提供数据基础起着关键作用。此外，书中还涉及了电磁兼容性（EMC）设计，强调了在高度集成的电子系统中，如何有效地抑制电磁干扰，确保整个系统的稳定可靠运行。

评分☆☆☆☆☆

这本书的题目——《PET成像前端集成电路设计》，单看名字就充满了技术挑战。我虽然不是专门做 this 领域的，但对医疗影像技术的发展一直很关注。书中关于PET成像原理的简要回顾，以及前端电子学在整个成像流程中的关键作用，为我提供了一个很好的切入点。我注意到书中花了相当大的篇幅讨论了低功耗设计和高密度集成这两个核心问题。在PET成像应用中，前端电子学通常需要集成在探测器模块附近，这就对功耗和体积提出了极为苛刻的要求。作者详细介绍了各种低功耗电路设计技术，例如亚阈值电路、多阈值逻辑以及动态电压和频率调整（DVFS）等，并分析了它们在PET前端设计中的适用性。同时，书中还探讨了如何在有限的芯片面积内集成大量的通道，以提高空间分辨率和计数率。这涉及到先进的CMOS工艺技术、多层布线技术以及封装技术的选择。我还在研究书中关于数据采集系统（DAS）的设计，包括如何高效地将大量的模拟信号进行数字化，并进行初步的数据预处理，以便传输到后端进行图像重建。这部分内容让我领略到了集成电路设计工程师在面对复杂系统需求时所要考虑的多方面因素。