PET成像前端集成電路設計 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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☆☆☆☆☆

高武 著

圖書標籤:

• PET成像
• 正電子發射斷層掃描
• 集成電路設計
• 前端電路
• 醫學影像
• 射頻電路
• 低噪聲放大器
• 模數轉換器
• 信號處理
• 核醫學

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121311253

版次：01

商品編碼：12073375

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2017-04-01

頁數：184

正文語種：中文

內容簡介

　　本書針對正電子發射斷層成像係統的需求，係統地介紹瞭輻射探測器前端集成電路的電路結構和設計方法學。全書分為三部分：第一部分主要介紹正電子發射斷層成像前端讀齣電路的研究進展和發展動態分析、低噪聲前端讀齣電路設計技術和電流模式前端讀齣電路設計技術等，第二部分主要介紹時間/數字轉換器技術綜述、低抖動延遲鎖相環設計技術和多通道大動態範圍時間/數字轉換器設計技術等；第三部分給齣多通道低功耗模擬/數字轉換器的設計技術。全書最後給齣對下一代正電子發射斷層成像前端集成電路的展望。本書適閤集成電路設計領域的專業人員使用。

作者簡介

西北工業大學教授，法國斯特拉斯堡大學科學博士、西北工業大學工學博士，主要從事低噪聲前端讀齣集成電路、抗輻射集成電路和空間嵌入式係統的設計與開發。承擔本科生"模擬集成電路設計”、研究所"前端微電子係統”等課程。

目錄

第1章 緒論 1
1．1 PET成像技術簡介 1
1．2 前端電子學 3
1．3 本書的主要內容及安排 5
參考文獻 6
第2章 PET成像前端電子學概述 10
2．1 PET探測器前端微電子學 10
2．1．1 光電轉換 10
2．1．2 信號采集 12
2．1．3 脈衝高度分析 14
2．1．4 時間鑒彆 16
2．1．5 峰值探測采樣和保持 16
2．1．6 模擬/數字轉換 16
2．1．7 時間/數字轉換 17
2．2 PET前端讀齣電路芯片的研究進展 18
2．2．1 國外研究進展 18
2．2．2 國內研究進展 20
2．3 PET前端讀齣芯片發展動態分析 20
2．4 本章小結 21
參考文獻 22
第3章 低噪聲模擬前端集成電路設計 26
3．1 CZT探測器前端讀齣ASIC研究進展 26
3．2 設計需求 27
3．3 電路描述 29
3．3．1 電荷靈敏放大器 30
3．3．2 放大器內核的結構 33
3．3．3 反饋電阻 35
3．3．4 漏電流補償 36
3．3．5 脈衝成形器 37
3．3．6 峰值保持電路 39
3．3．7 時間鑒彆電路 40
3．4 噪聲優化 42
3．5 實驗結果及討論 45
3．5．1 輸齣波形 46
3．5．2 增益和綫性度 46
3．5．3 通道一緻性 47
3．5．4 噪聲性能 47
3．5．5 時間移步 49
3．5．6 能譜分析 49
3．6 本章小結 51
參考文獻 52
第4章 電流模式模擬前端集成電路設計 56
4．1 設計指標和結構 56
4．1．1 設計指標 56
4．1．2 電路結構 57
4．2 電路描述 58
4．2．1 前置放大器和增益調節電路 58
4．2．2 CR-RC成形器 60
4．2．3 時間標記電路 61
4．2．4 模擬存儲器 66
4．3 實驗結果和討論 67
4．3．1 綫性度測試 68
4．3．2 觸發信號的“時間移步”測試 70
4．3．3 觸發效率測試 70
4．3．4 通道間的串擾測試 71
4．3．5 噪聲和功耗測量 71
4．3．6 總體性能比較 72
4．4 本章小結 72
參考文獻 73
第5章 時間/數字轉換器技術綜述 74
5．1 TDC的概念 74
5．2 主要指標 75
5．2．1 分辨率 75
5．2．2 動態範圍 75
5．2．3 綫性 76
5．2．4 轉換速度 76
5．2．5 功耗 76
5．3 TDC技術 76
5．3．1 模擬TDC 76
5．3．2 數字TDC 78
5．3．3 基於延遲鎖相環（DDL）的TDC 81
5．3．4 亞皮秒的TDC 87
5．4 TDC結構的比較 91
5．5 麵嚮PET成像應用的TDC 93
5．6 本章小結 94
參考文獻 94
第6章 低抖動多相位延遲鎖相環設計 97
6．1 延遲鎖相環技術概述 97
6．1．1 結構和工作原理 97
6．1．2 行為模型 102
6．1．3 抖動模型 102
6．1．4 電路技術 104
6．2 多相位電荷泵延遲鎖相環設計 109
6．2．1 結構設計 109
6．2．2 電路描述 110
6．2．3 原型和實驗結果 115
6．3 電荷泵延遲鎖相環優化設計 117
6．3．1 電壓控製延遲鏈優化 117
6．3．2 動態鑒相器 119
6．3．3 電荷泵電路優化 121
6．3．4 環濾波器電路優化 123
6．3．5 實驗結果 123
6．4 本章小結 124
參考文獻 124
第7章 多通道大動態範圍TDC設計 126
7．1 設計考慮 126
7．2 一款625 ps多通道粗細兩級TDC的設計 130
7．2．1 提齣的結構 130
7．2．2 電路描述 132
7．2．3 實驗結果與討論 137
7．3 一款基於延遲鎖相環陣列的多通道TDC的設計 139
7．3．1 采用延遲鎖相環陣列的時間內插技術 139
7．3．2 采用延遲鎖相環陣列的TDC的實現 143
7．3．3 實驗結果及討論 146
7．4 本章小結 150
參考文獻 150
第8章 多通道低功耗ADC的設計 152
8．1 基於時間的ADC技術綜述 154
8．2 用於PET成像的基於時間的ADC設計 158
8．2．1 斜坡生成器電路 159
8．2．2 比較器電路 161
8．2．3 數字延遲鎖相環電路 164
8．2．4 格雷碼計數器電路 168
8．2．5 采樣和讀齣電路 168
8．2．6 時序控製器 169
8．3 誤差分析 170
8．3．1 由斜坡生成器導緻的誤差 170
8．3．2 由比較器導緻的誤差 171
8．3．3 由計數器和延遲鎖相環導緻的誤差 172
8．3．4 DNL模型 172
8．4 實驗結果 172
8．5 本章小結 175
參考文獻 175
第9章 下一代PET成像前端集成電路展望 178
9．1 全數字輸齣的單片多通道前端讀齣芯片 178
9．2 采用數字後處理算法的前端讀齣芯片 180
9．3 基於多閾值采樣方法的前端讀齣芯片 181
參考文獻 182
緻謝 183

《PET成像前端集成電路設計》是一本專注於高性能PET（正電子發射斷層成像）係統核心部件——前端電子綫路設計與優化的專業著作。本書深入剖析瞭PET成像過程中，從探測器信號采集、放大、整形、數字化到數據傳輸等一係列關鍵電子鏈路的理論基礎、電路實現方法以及性能提升策略。 第一章 緒論 本章首先迴顧PET成像技術的發展曆程及其在醫學診斷、藥物研發、生物科學研究等領域的廣泛應用。在此基礎上，重點闡述瞭PET係統對前端電子綫路提齣的嚴苛要求，包括高靈敏度、高計數率能力、低噪聲、高時間分辨率、高空間分辨率以及低功耗等。接著，介紹當前PET係統前端電子設計麵臨的主要挑戰，如信號的微弱性和噪聲乾擾、高速數據處理的瓶頸、集成度的提升以及成本的控製等。最後，勾勒齣本書的整體框架和研究內容，為讀者深入理解後續章節奠定基礎。 第二章 PET探測器信號特性分析 本章詳細分析瞭PET係統中常用的閃爍體探測器（如LYSO、BGO等）在吸收高能光子後産生的輸齣信號特性。重點講解瞭光電倍增管（PMT）和矽光電倍增管（SiPM）等光電轉換器件的工作原理、性能指標（如增益、噪聲、響應時間、量子效率等）及其對前端信號的影響。深入分析瞭閃爍體發光衰減過程、載流子生成與擴散機製，從而推導齣探測器輸齣電信號的數學模型。此外，還探討瞭不同閃爍體材料的特性差異及其對前端電路設計的考量。 第三章 低噪聲信號放大器設計 低噪聲信號放大是PET前端電子設計的首要環節。本章首先介紹瞭噪聲的來源及其對PET圖像質量的影響，包括熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲等。在此基礎上，詳細講解瞭各種低噪聲放大器拓撲結構，如跨導放大器（OTA）、跨阻放大器（TIA）、運算放大器（Op-amp）為核心的放大器等。深入分析瞭放大器的噪聲性能指標（如輸入電壓噪聲密度、輸入電流噪聲密度），並提齣瞭在不同應用場景下選擇和優化放大器參數的方法。重點探討瞭如何通過器件選擇、偏置電流優化、反饋網絡設計等技術來最小化噪聲。此外，還將介紹寬帶放大器的設計，以滿足PET信號的瞬態特性要求。 第四章 信號整形與閾值甄彆 信號整形是提高PET係統計數率能力和時間分辨率的關鍵技術。本章詳細介紹瞭各種信號整形器（shaper）的設計原理和實現方法，包括CR-RC整形、高斯整形、極點-零點補償整形等。深入分析瞭整形器對信號波形、脈衝寬度、信噪比以及時間抖動的影響。接著，講解瞭閾值甄彆電路（discriminator）的設計，包括滯後比較器、具有可變閾值甄彆功能的電路等。重點闡述瞭如何通過精確的閾值設置來有效區分有效信號和噪聲，以及如何優化甄彆器的響應時間以減小事件丟失。 第五章 高速模數轉換器（ADC）選型與接口設計 模數轉換是PET前端電子將模擬信號轉化為數字信號的關鍵步驟。本章首先分析瞭PET係統對ADC性能的要求，包括采樣率、分辨率、綫性度、功耗等。詳細介紹瞭不同類型的ADC，如逐次逼近型ADC（SAR ADC）、流水綫型ADC（Pipeline ADC）、Σ-Δ ADC等的原理、優缺點及適用場景。重點講解瞭如何根據PET信號的帶寬和動態範圍選擇閤適的ADC。此外，還將詳細探討ADC的輸入接口電路設計，包括采樣保持電路（S/H）的設計，以及如何解決ADC輸入端的阻抗匹配和信號完整性問題。 第六章 數據采集與傳輸架構 高效的數據采集和傳輸是PET係統性能的保障。本章首先介紹瞭PET係統典型的數據采集前端架構，包括基於FPGA的通用數據采集係統、ASIC專用集成電路數據采集方案等。深入分析瞭FPGA在前端數據處理中的應用，如數據打包、時間戳生成、事件排序、數據過濾等。對於ASIC設計，將重點介紹其在集成度、功耗和速度方麵的優勢。接著，詳細講解瞭多種數據傳輸接口標準，如LVDS、SerDes、以太網等，並分析瞭它們在PET前端中的應用特點和技術選型考量。 第七章 時間戳生成與精確計時技術 精確的時間戳對於PET事件的關聯和圖像重建至關重要。本章詳細介紹瞭各種時間戳生成技術，包括基於FPGA的時鍾同步、數字延遲綫技術、時間數字轉換器（TDC）等。深入分析瞭不同技術的時間分辨率、精度和功耗。重點講解瞭如何利用高精度TDC來測量信號到達時間，從而實現納秒級甚至更高精度的時間測量。還將探討時鍾同步和抖動抑製技術，以保證整個前端係統的時序一緻性。 第八章 功耗優化與低功耗設計技術 在移動式PET或便攜式PET設備的設計中，功耗是關鍵的考量因素。本章深入探討瞭PET前端電子的功耗來源，並提齣瞭多種功耗優化策略。包括選擇低功耗器件、采用動態電壓頻率調整（DVFS）技術、優化的電源管理策略、以及在保證性能的前提下降低電路的靜態功耗和動態功耗。將介紹低功耗放大器、低功耗ADC、以及低功耗FPGA/ASIC的設計技巧。 第九章 集成與係統級設計考量 將各個分立的前端電子模塊集成到一個整體係統中需要周密的規劃。本章將從係統級層麵齣發，探討PET前端集成電路的設計考量。包括PCB布局布綫技巧、信號完整性與電源完整性問題、電磁兼容性（EMC）設計、以及散熱設計。將介紹如何通過閤理的布局來減小串擾和噪聲耦閤，以及如何優化電源分配網絡以保證信號的穩定性。此外，還將討論模塊間的接口標準化和互聯互通問題。 第十章 性能測試與驗證方法 對設計完成的前端集成電路進行全麵的性能測試是必不可少的環節。本章詳細介紹瞭PET前端集成電路的典型測試項目，包括增益、噪聲、帶寬、綫性度、時間分辨率、功耗等。講解瞭各種測試儀器和測試平颱的使用，如示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、信號發生器、以及專用的PET探測器模擬測試係統。還將介紹如何利用PET仿真軟件和實際探測器數據來驗證電路的設計效果，並提齣性能評估與優化的方法。 第十一章 新興技術與未來發展趨勢 本章展望瞭PET成像前端集成電路設計的未來發展方嚮。將介紹當前熱門的新興技術，如先進的SiPM技術、新型閃爍體材料、先進的ASIC設計工藝、以及AI在前端信號處理中的潛在應用。探討瞭如何利用更先進的器件和技術來進一步提高PET係統的性能，如更高的計數率、更優異的時間分辨率、以及更低的功耗。最後，對PET前端電子設計的未來挑戰和機遇進行總結。 本書內容涵蓋瞭PET成像前端集成電路設計的理論、方法、實踐以及未來發展，旨在為從事PET係統研發的工程師、研究人員以及相關專業的學生提供一本全麵、深入、實用的參考書。

評分☆☆☆☆☆

這本書的題目——《PET成像前端集成電路設計》，單看名字就充滿瞭技術挑戰。我雖然不是專門做 this 領域的，但對醫療影像技術的發展一直很關注。書中關於PET成像原理的簡要迴顧，以及前端電子學在整個成像流程中的關鍵作用，為我提供瞭一個很好的切入點。我注意到書中花瞭相當大的篇幅討論瞭低功耗設計和高密度集成這兩個核心問題。在PET成像應用中，前端電子學通常需要集成在探測器模塊附近，這就對功耗和體積提齣瞭極為苛刻的要求。作者詳細介紹瞭各種低功耗電路設計技術，例如亞閾值電路、多閾值邏輯以及動態電壓和頻率調整（DVFS）等，並分析瞭它們在PET前端設計中的適用性。同時，書中還探討瞭如何在有限的芯片麵積內集成大量的通道，以提高空間分辨率和計數率。這涉及到先進的CMOS工藝技術、多層布綫技術以及封裝技術的選擇。我還在研究書中關於數據采集係統（DAS）的設計，包括如何高效地將大量的模擬信號進行數字化，並進行初步的數據預處理，以便傳輸到後端進行圖像重建。這部分內容讓我領略到瞭集成電路設計工程師在麵對復雜係統需求時所要考慮的多方麵因素。

評分☆☆☆☆☆

拿到這本書，我第一眼就被它厚重的體量和密集的圖錶所吸引。翻開目錄，可以看到它涵蓋瞭從基礎的半導體器件特性分析，到復雜的係統級集成設計，再到實際的測試和驗證方法。其中，關於時間飛行（Time-of-Flight, TOF）PET成像係統的介紹，以及前端電子學如何在高靈敏度和高時間分辨率之間取得平衡，是我非常感興趣的部分。書中詳細探討瞭如何設計具有納秒級時間分辨率的信號采集鏈，包括瞭前置放大器、閾值鑒彆器、時間數字轉換器（TDC）等關鍵模塊。我特彆注意到關於TDC設計的部分，作者介紹瞭不同架構的TDC，如環形振蕩器型TDC和延遲綫型TDC，以及它們在精度、功耗和麵積上的權衡。這部分內容對於理解如何精確測量光子到達時間至關重要，也讓我對現代數字信號處理技術在高端儀器中的應用有瞭更深的認識。此外，書中還涉及瞭能量探測器接口電路的設計，包括如何處理蓋革計數管或閃爍體探測器輸齣的信號，並進行能量測量和篩選。我對這部分內容感到很好奇，因為不同的探測器類型對前端電路的設計提齣瞭不同的要求。這本書的結構邏輯清晰，從基礎理論到具體實現，層層遞進，為讀者構建瞭一個完整的知識體係。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字《PET成像前端集成電路設計》聽起來就非常專業，我想瞭解一下它在實際應用中是如何將理論知識轉化為可行的設計方案的。書中關於信噪比（SNR）優化和綫性度保持的部分，引起瞭我的注意。PET成像對信號的靈敏度和精度要求非常高，任何一點噪聲或非綫性都會影響最終的圖像質量。作者詳細闡述瞭如何在不同電路模塊中減小噪聲的引入，例如在放大器設計中如何選擇閤適的器件和偏置，以及如何通過差分結構和濾波技術來抑製共模噪聲。同時，書中還討論瞭如何在高動態範圍內保持信號的綫性度，這對於準確測量光子能量和到達時間至關重要。我特彆關注書中關於ADC（模數轉換器）選擇和設計的章節，它介紹瞭SAR ADC、Delta-Sigma ADC等不同類型的ADC，以及它們在PET成像前端中的優缺點和設計考量。這部分內容對於將模擬信號轉化為數字信息，並為後續的圖像重建提供數據基礎起著關鍵作用。此外，書中還涉及瞭電磁兼容性（EMC）設計，強調瞭在高度集成的電子係統中，如何有效地抑製電磁乾擾，確保整個係統的穩定可靠運行。

評分☆☆☆☆☆

我拿到這本《PET成像前端集成電路設計》，感覺它的內容非常紮實，一看就不是一本泛泛而談的書。書中關於統計噪聲、量子噪聲以及各種電子學噪聲的深入分析，為理解PET成像的探測原理打下瞭堅實的基礎。我最感興趣的是書中關於前端信號鏈設計的部分，它詳細描述瞭從探測器輸齣的微弱信號，經過放大、整形、濾波，最終轉化為可以被數字化處理的數據的整個過程。作者在介紹放大器設計時，不僅講解瞭基本的跨導放大器和運算放大器，還深入探討瞭高帶寬、低噪聲、高穩定性的寬帶放大器設計技巧，以及如何應對不同類型的探測器（如閃爍體、半導體探測器）輸齣信號的特性。我還在仔細研究書中關於信號處理和數字化的部分，它介紹瞭如何設計高效的閾值鑒彆器（Discriminator）來區分有用的信號和噪聲，以及如何實現高精度的時間數字轉換器（TDC）來測量光子的到達時間，這對於實現高分辨率的PET成像至關重要。書中還提及瞭數字信號處理（DSP）在後端數據預處理中的應用，例如對采集到的數據進行校準、濾波和時間戳的處理，為圖像重建算法提供高質量的輸入。這本書的內容深度和廣度都非常可觀，對於有誌於深入研究PET成像前端集成電路設計的工程師和研究者來說，無疑是一本不可多得的寶藏。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字叫《PET成像前端集成電路設計》，聽起來就非常硬核，一看就知道不是那種能輕鬆翻閱的讀物。我剛拿到手，還在初步翻看，裏麵的內容涉及到瞭大量的半導體物理、模擬電路設計、數字電路設計，甚至還觸及到瞭信號處理和一些高級的電子工程概念。對於我這樣一個初學者來說，裏麵的很多公式和理論推導都顯得相當深奧，需要花費大量的時間去理解和消化。例如，在關於低噪聲放大器（LNA）的部分，作者詳細闡述瞭不同晶體管（MOSFET、BJT）的噪聲模型，以及如何通過優化器件尺寸、偏置電流和反饋網絡來最小化噪聲係數。這部分的內容不僅要求紮實的模擬電路基礎，還需要對噪聲機理有深入的認識，這對我來說無疑是一個巨大的挑戰。同時，書中還介紹瞭各種濾波器的設計方法，包括低通、高通、帶通和帶阻濾波器，以及如何在集成電路中實現這些濾波器，並考慮寄生效應和工藝變化的影響。光是理解這些濾波器設計背後的數學原理和電路實現就需要反復鑽研。我還在思考，書中提到的各種版圖設計規則和後仿真技術，對於確保實際芯片性能與理論設計一緻至關重要，這部分的內容也需要仔細學習。總的來說，這本書內容非常豐富，覆蓋麵很廣，對於想要深入瞭解PET成像前端集成電路設計的人來說，絕對是一份寶貴的參考資料，但需要付齣極大的努力去掌握。