PET成像前端集成电路设计 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：29623446864

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

售价：50.4元,便宜18.6元,折扣73

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

内容提要

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

作者介绍

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

序言

PET成像中的电子学前沿：从信号捕获到图像重建的集成化挑战 一、引言：PET成像的电子学核心与集成化需求 正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography，PET）作为一种重要的分子成像技术，在医学诊断、药物研发以及生物科学研究等领域扮演着不可或缺的角色。其核心原理在于探测由放射性核素衰变产生的正电子，这些正电子与体内电子湮灭后生成一对反向传播的光子，PET探测器阵列即是捕获这些光子的关键。探测器的效率、分辨率和速度直接决定了PET图像的质量。而支撑这一切的，正是前端集成电路（Integrated Circuit，IC）的设计与性能。 PET探测器前端电子学面临着一项艰巨的任务：如何在极短的时间内、极小的空间内、以极低的功耗捕获并处理海量高能光子探测信号，并将其转化为可供后续数字处理的数据。这要求前端电路不仅要具备高灵敏度、低噪声、宽动态范围以及高速响应等基本特性，更要能够实现高度集成化。集成化设计能够显著减小探测器的体积和功耗，提高系统的整体稳定性和可靠性，降低制造成本，并最终实现更高性能的PET系统。 本书将聚焦于PET成像前端电子学的集成化设计，深入探讨从光电探测信号的捕获，到模拟信号的预处理、数字化转换，再到与探测器阵列的紧密集成等一系列关键技术与挑战。我们将从基本原理出发，逐步深入到复杂的电路设计细节，并结合当前PET成像技术的发展趋势，展望未来集成化前端电路的设计方向。 二、PET探测器信号的产生与特性 要设计高效的前端集成电路，首先必须深入理解PET探测器产生的信号特性。PET探测器主要由闪烁晶体和光电探测器组成。当高能光子（通常为511 keV）与闪烁晶体相互作用时，会激发闪烁晶体产生大量可见光或紫外光。这些光子随后被光电探测器（如光电倍增管PMT或硅光电倍增SiPM）转化为电信号。 光电探测器的选择与信号特性： 光电倍增管（PMT）： 具有高增益、低暗电流和快速响应的优点，但体积较大，易受磁场影响，且功耗相对较高。PMT产生的信号是脉冲电流，其幅度和时间宽度与入射光子数量和到达时间相关。 硅光电倍增（SiPM）： 采用大量微型雪崩光电二极管（APD）阵列构成，具有体积小、低压工作、抗磁场等优点，且具有良好的能量分辨能力。SiPM的输出信号是离散的脉冲，每个微型APD的导通代表一个光子的探测，输出信号的幅度是所有导通的微型APD信号的叠加。 信号的挑战： 低信号幅度： 单个光子激发的闪烁光子数有限，导致光电探测器输出的电信号幅度通常非常微弱，需要高灵敏度的放大电路来捕获。 噪声： 系统噪声是影响PET成像分辨率和灵敏度的重要因素，包括暗电流噪声、热噪声、放大器噪声以及串扰等。前端电路必须具备出色的信噪比（SNR）性能。 高速响应： PET成像需要精确的时间测量以实现时间飞行（Time-of-Flight, TOF）功能，这对于提高图像对比度和降低背景噪声至关重要。前端电路必须能够快速响应并精确地记录信号的到达时间。 能量分辨： 区分不同能量的光子对于排除非511 keV的事件，以及优化成像质量非常重要。前端电路需要能够对探测到的光子的能量进行准确的测量。 动态范围： 同一个探测器可能同时接收到大量光子（如一次事件）或极少量光子（如背景辐射），前端电路需要能够处理宽范围的信号幅度。 串扰（Crosstalk）： 尤其是在SiPM中，一个微型APD的雪崩效应可能触发相邻的微型APD，产生错误的信号，前端电路需要能够识别和抑制串扰。 三、前端集成电路的核心功能模块 针对上述信号特性与挑战，PET成像前端集成电路通常包含以下几个核心功能模块： （一）低噪声前置放大器（Low-Noise Preamplifier, LNPA）： LNPA是前端电路的第一级，其首要任务是以最小的噪声增加来放大微弱的探测器信号。其设计直接决定了整个系统的信噪比。 设计要点： 低输入等效噪声电压和电流： 这是LNPA设计的核心目标。通常采用低噪声晶体管（如JFET或MOSFET）作为输入级，并进行精心偏置。 宽带宽： 以确保对快速变化的信号具有良好的响应，满足TOF探测的需求。 高输入阻抗： 避免对探测器输出产生过大的负载效应，确保信号的完整性。 集成化考虑： 针对SiPM等探测器，通常需要设计集成化的LNPA，例如将放大器直接集成在SiPM的传感器芯片上，或者与SiPM芯片封装在一起，以缩短信号传输路径，降低寄生电容和电感，进一步降低噪声。 功耗优化： 在追求低噪声的同时，也需要考虑功耗的限制，尤其是在大规模探测器阵列的应用中。 （二）滤波与整形电路（Filtering and Shaping Circuits）： 前置放大器输出的信号通常是粗糙的、带有噪声的，需要通过滤波电路来抑制高频噪声，并可能通过整形电路将其转化为适合后续模数转换（ADC）的脉冲形状。 滤波类型： 低通滤波器： 用于去除高频噪声。 带通滤波器： 用于选择特定频率范围的信号，有时也用于区分噪声和有效信号。 脉冲整形： CR-RC整形： 一种经典的脉冲整形方法，可以将信号转化为近似高斯或二阶导数高斯形状的脉冲，有助于改善时间分辨能力。 其他整形技术： 根据具体的应用需求，可能采用更复杂的整形方法，以进一步优化噪声抑制和时间分辨。 集成化设计： 滤波和整形电路可以与LNPA集成在同一芯片上，或者紧密连接，以减少信号损耗和干扰。 （三）增益控制与动态范围扩展（Gain Control and Dynamic Range Extension）： 如前所述，PET探测器产生的信号幅度变化范围很大，需要电路具备一定的动态范围扩展能力，以适应不同的信号强度。 可变增益放大器（Variable Gain Amplifier, VGA）： 通过调整放大器的增益来适应不同幅度的信号。增益的控制可以根据信号的幅度自适应进行，也可以通过外部信号进行控制。 自动增益控制（Automatic Gain Control, AGC）： 一种自动调整增益的机制，可以保证输出信号在一定的范围内，避免信号饱和或淹没在噪声中。 事件幅度测量： 在某些设计中，并不需要将所有信号都放大到相同的幅度，而是需要精确测量事件的幅度，用于能量重建。此时，更侧重于高精度幅度测量电路的设计。 （四）时间测量与触发电路（Timing Measurement and Trigger Circuits）： PET成像的时间测量是实现TOF功能的基础。精确测量光子到达时间（Time-of-Arrival, ToA）对于提高成像质量至关重要。 时间数字转换器（Time-to-Digital Converter, TDC）： 将模拟的信号到达时间转换为数字信号。TDC的精度直接决定了TOF分辨率。 基于锁存器（Latch-based）TDC： 结构简单，但精度受限。 基于延迟线（Delay-line based）TDC： 精度较高，但功耗和面积较大。 基于模数转换器（ADC-based）TDC： 将时间信息转化为幅度信息，再由ADC进行转换。 触发电路： 当探测器检测到符合条件的事件时，产生一个触发信号，激活TDC和ADC等后续电路进行数据采集。触发信号的设计需要兼顾灵敏度和抗干扰能力。 集成化设计： TDC和触发电路通常集成在专门的ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）中，与探测器和LNPA等模块协同工作，实现高效的时间信息采集。 （五）能量测量与数模转换（Energy Measurement and Analog-to-Digital Conversion, ADC）： 精确测量每个光子事件的能量有助于排除伪影，并提高图像的准确性。 能量积分器（Energy Integrator）： 对探测器输出的信号进行积分，得到与光子能量成正比的电荷量。 模拟数字转换器（ADC）： 将模拟的能量信号转换为数字信号，以便进行后续的计算和处理。 逐次逼近型ADC（SAR ADC）： 常用在低功耗、中等速度的应用中。 Σ-Δ ADC： 具有高分辨率，但速度相对较慢。 流水线型ADC（Pipelined ADC）： 速度较快，分辨率较高，适用于需要高速采样的场合。 分辨率与采样率： ADC的分辨率决定了能量测量的精度，采样率则决定了其处理速度。在PET成像中，通常需要较高的能量分辨率和足够快的采样速度。 （六）数字信号处理与接口（Digital Signal Processing and Interface）： 虽然本书主要关注前端模拟电路，但了解数字处理部分对于前端设计至关重要。前端ADC输出的数字数据需要经过数字信号处理，包括事件筛选、时间戳生成、坐标计算等，最终通过接口电路传输给后端的数据采集与图像重建系统。 片上存储器（On-chip Memory）： 用于临时存储数据，减少对外部接口的依赖。 通信接口： 如SPI、I2C、LVDS等，用于与后端系统进行数据通信。 低功耗设计： 数字处理部分的功耗也需要严格控制，特别是在大规模探测器阵列中。 四、集成化设计的关键挑战与解决方案 PET成像前端集成化设计并非易事，其面临着诸多技术挑战： 功耗与散热： 大规模集成化意味着大量的晶体管在小范围内工作，功耗和散热成为严重的问题。需要采用低功耗设计技术，如动态电压/频率调整（DVFS）、低功耗工艺等。 噪声耦合与串扰： 在高度集成的芯片上，不同模块之间的电磁耦合和信号串扰容易发生，影响电路性能。需要精心的版图设计、屏蔽技术以及差分信号传输等。 信号完整性： 高速信号在芯片内部和封装过程中容易失真。需要考虑传输线效应、阻抗匹配等问题。 工艺选择与器件特性： 不同的半导体工艺（如CMOS、BiCMOS）具有不同的特性，需要根据应用需求选择合适的工艺，并优化器件模型。 测试与验证： 集成化芯片的测试和验证是极其复杂的工程，需要开发高效的测试方法和设备。 成本控制： 集成化设计旨在降低整体系统成本，因此在电路设计阶段就需要考虑材料、制造工艺以及良品率等因素。 五、先进集成化设计理念与技术趋势 为了克服上述挑战，PET成像前端集成化设计正朝着以下几个方向发展： ASIC设计： 针对PET探测器前端的特定需求，设计高度优化的ASIC，将多个功能模块集成在一块芯片上，实现最佳性能和最小的体积与功耗。 片上系统（System-on-Chip, SoC）： 将更多功能（包括部分数字处理）集成到同一芯片上，实现更高级别的集成。 3D堆叠与先进封装技术： 将多个芯片（如传感器芯片、ASIC芯片）垂直堆叠，或采用扇出（Fan-out）等先进封装技术，进一步减小体积，缩短信号路径。 低功耗模拟电路设计： 采用创新的低功耗设计技术，如亚阈值电路、动态偏置等，最大限度地降低功耗。 自适应与智能电路： 设计能够根据环境和信号特性进行自适应调整的电路，以优化性能和功耗。 与探测器材料的紧密结合： 如将光电探测器（如SiPM）与前端电子学芯片直接集成，实现“探测即处理”的模式。 六、结论：面向未来的PET成像电子学 PET成像前端集成化设计是推动PET技术进步的关键驱动力之一。本书对这一领域进行了系统而深入的探讨，旨在为相关研究人员和工程师提供坚实的理论基础和实用的设计思路。通过对低噪声放大、精确时间与能量测量、以及高度集成化等关键技术问题的深入剖析，我们希望能够启发读者在未来的PET系统设计中，创造出更小巧、更高效、更精准的成像设备，从而更好地服务于人类健康与科学探索。 随着半导体工艺的不断进步以及新型探测器技术的涌现，PET成像前端集成化设计将迎来更广阔的发展空间，为实现下一代高性能、低成本PET系统奠定坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

我得说，这本书的实践指导价值远超我的预期。很多号称“实践”的教材往往只停留在概念介绍层面，但这一本不同，它详尽地介绍了从系统级架构定义到具体IP核选择和布局布线的全过程。举个例子，书中关于时间同步和时钟抖动控制的那几章，简直就是一本实战手册，它不仅指出了问题所在，还提供了多种解决策略及其适用场景的对比分析，这对于我们进行高速数据采集系统设计时至关重要。我试着按照书中的某些流程进行模拟验证，发现其推荐的仿真参数设置和后仿真校准方法，确实能显著提高设计收敛的速度和精度。这种手把手的引导，极大地降低了新手入门的门槛，同时也为资深工程师提供了一套系统化回顾和优化的工具箱，它真正做到了理论指导实践，而不是纸上谈兵。

评分☆☆☆☆☆

从一个初学者的角度来看，这本书的友好度令人惊喜，尽管主题极其专业和硬核，但作者似乎深知如何与读者进行有效沟通。在解释那些极其复杂的反馈回路和噪声抑制机制时，作者并没有直接堆砌复杂的数学推导，而是巧妙地运用类比和简化模型进行铺垫，让读者先建立起直观的物理图像，然后再逐步引入精确的数学描述。这种“先易后难，循序渐进”的教学方式，极大地缓解了初次接触此类前端集成电路设计时的畏难情绪。我感觉自己不是在啃一本艰涩的技术报告，而是在听一位经验丰富的导师进行一对一的深入讲解，他总能在我快要迷失在细节深处时，及时拉我回到问题的核心。这种清晰的逻辑脉络和耐心的引导，使得复杂的学习曲线变得平缓可控，对于自学和提升都有极大的帮助。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计真的很用心，封面采用了哑光处理，手感温润，拿在手里沉甸甸的，一看就是精心制作的专业书籍。字体选择上，正文排版清晰易读，关键术语的标注也很到位，让人在阅读复杂的技术细节时，能够快速抓住重点。特别是书中对那些高深莫测的电路图和流程图，都进行了细致入微的重新绘制，线条流畅，逻辑一目了然，这对于我们这些需要反复对照图表来理解理论的工程师来说，简直是福音。我可以想象，为了达到这样的印刷效果和排版质量，出版社和作者团队投入了巨大的心血。书中的章节划分也非常合理，从基础理论的铺陈到具体模块的深入剖析，再到最后的系统集成和测试验证，过渡自然，层层递进，整体阅读体验非常顺滑流畅，完全不像某些技术书籍那样生硬晦涩，让人望而却步。这种对细节的极致追求，让我对书中内容的专业性也充满了信心。

评分☆☆☆☆☆

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评分☆☆☆☆☆

这本书在技术文献的引用和前沿技术的追踪方面做得非常出色，可以感受到作者对学术界和工业界的最新动态保持着高度的敏感性。它并没有沉溺于已有的成熟技术，而是勇敢地探讨了未来可能的主流方向，比如在新材料应用和新型信号处理算法的融合趋势上，作者给出了非常前瞻性的见解。我特别注意到，书中对于跨学科知识的整合能力令人印象深刻，它将核物理、信号处理、超低功耗模拟电路设计这些看似分散的领域，巧妙地编织在一起，形成了一个有机的整体。这种宏大的视角，对于培养具有全局观的工程技术人员至关重要。它促使读者不应该只关注自己手头那一块电路的性能指标，而是要理解它在整个复杂系统乃至最终应用场景中的定位和贡献，阅读过程本身就是一次思维的迭代升级。