PET成像前端集成電路設計 高武 下載 mobi epub pdf 電子書 在線閱讀 2026

基本信息

書名:PET成像前端集成電路設計

定價：69.00元

售價：44.9元,便宜24.1元,摺扣65

作者:高武

齣版社：電子工業齣版社

齣版日期：2017-04-01

ISBN：9787121311253

字數：

頁碼：184

版次：01

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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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：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。

目錄

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作者介紹

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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。

文摘

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序言

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PET成像前端集成電路設計的探索與實踐 本書聚焦於正電子發射斷層成像（PET）設備前端集成電路的關鍵技術與前沿設計。PET作為一種重要的醫學影像診斷技術，其成像質量和效率很大程度上取決於前端探測器係統以及與之配套的信號采集與處理電路。本書將深入剖析PET成像的基本原理，詳細闡述不同類型PET探測器的工作機製，並在此基礎上，重點探討實現高效、高精度PET前端集成電路所麵臨的挑戰與解決方案。 第一章 PET成像原理與探測器技術概述 本章將首先迴顧PET成像的基本物理原理，包括放射性同位素的衰變、正電子的湮滅以及湮滅光子對的探測過程。我們將詳細介紹PET係統中的關鍵組成部分，如放射性示蹤劑、探測器陣列、數據采集係統和圖像重建算法。 隨後，本章將深入探討當前主流的PET探測器技術。我們將詳細介紹閃爍晶體（如BGO、LSO、LYSO、LaBr3等）的特性，分析不同晶體材料的能量分辨率、時間分辨率、光産額以及衰減長度等參數對成像性能的影響。在此基礎上，我們將重點闡述探測器陣列的結構設計，包括單層、多層、環形以及三維陣列的優勢與劣勢。 此外，本章還將介紹用於探測閃爍光子的關鍵器件——光電倍增管（PMT）和矽光電倍增管（SiPM）。我們將分析PMT和SiPM的結構、工作原理、性能指標（如增益、噪聲、量子效率、響應時間等），並討論它們在PET前端設計中的應用考量。特彆地，SiPM因其緊湊的尺寸、低工作電壓、優異的時間分辨率以及對磁場的免疫性，正日益成為PET前端設計的新趨勢，本章將對其進行重點介紹。 第二章 PET前端集成電路設計挑戰與需求分析 PET成像對前端集成電路提齣瞭嚴苛的要求。本章將係統梳理這些挑戰，並進行詳細的需求分析，為後續的電路設計提供理論基礎。 高通道密度與低功耗： 現代PET掃描儀往往集成成韆上萬個探測器單元，因此前端電路需要具備極高的通道密度，即在有限的體積內集成更多的功能。同時，為瞭保證設備的整體功耗可控，延長連續工作時間，每個通道的功耗必須盡可能低。 寬動態範圍與高綫性度： PET探測器接收到的信號幅度變化範圍很大，從低能伽馬射綫到高能湮滅光子，都會産生不同強度的信號。前端電路需要能夠準確采集並處理這些寬動態範圍的信號，同時保持高綫性度，避免信號失真。 優異的噪聲性能： PET成像的信號非常微弱，任何不必要的噪聲都會嚴重影響圖像質量。前端放大器、濾波器和模數轉換器（ADC）的設計必須追求極低的本底噪聲。 高時間分辨率： PET成像的時戳（time-of-flight, TOF）技術能夠顯著提高圖像的空間分辨率和信噪比。實現精確的時間測量，要求前端電路具備極高的時間分辨率，能夠精確捕捉到湮滅光子的到達時間。 精確的能量測量： PET成像中，能量信息是區分真實湮滅事件和背景噪聲、以及進行多譜成像的關鍵。前端電路需要能夠精確測量每個光子沉積的能量。 抗電磁乾擾（EMI）能力： PET設備通常會産生較強的電磁乾擾，前端電路的設計需要具備良好的抗EMI能力，以防止外部乾擾影響信號的準確采集。 集成與互連： 將大量的探測器單元和前端電路高效地集成在一起，是實現緊湊型PET設備的關鍵。本章將探討不同集成方式，如傳感器與ASIC的直接鍵閤、多芯片模塊（MCM）等。 第三章 前端信號調理電路設計 本章將深入探討PET前端集成電路中至關重要的信號調理電路的設計。信號調理電路負責將探測器輸齣的原始信號進行放大、濾波和整形，以滿足後續數字化處理的要求。 低噪聲前置放大器（LNA）： LNA是信號鏈的第一級，其噪聲性能直接決定瞭整個係統的信噪比。我們將分析不同類型的LNA拓撲結構（如跨阻放大器TIA、電壓反饋放大器VFA等），重點討論如何優化設計參數以實現極低的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，並滿足寬帶寬、高增益和低功耗的需求。 濾波器設計： 濾波器用於去除信號中的高頻和低頻噪聲，提取有用的信號成分。我們將詳細介紹不同類型的濾波器（如Butterworth、Chebyshev、Bessel等），並分析它們在PET信號處理中的適用性。本章將重點討論實現高階、低通、帶通濾波器在集成電路中的設計方法，以及如何權衡濾波器的性能與功耗。 信號整形與峰值檢測： 為瞭精確捕捉信號的幅度（能量信息）和到達時間（時間信息），信號需要進行適當的整形。我們將探討各種信號整形器（如通用整形器、高精度整形器）的設計，以及如何實現高效的峰值檢測器，以提取信號的最大幅度。 增益控製與衰減器： 針對PET成像寬動態範圍的需求，本章將討論如何設計可變增益放大器（VGA）和程控衰減器（PGA），以適應不同信號強度的輸入，並確保信號始終處於ADC的最佳工作範圍內。 第四章 時間測量與數字轉換電路設計 高時間分辨率是實現TOF-PET成像的關鍵。本章將專注於實現精確時間測量的電路設計，以及將模擬信號轉換為數字信號的ADC設計。 時間測量技術： 逐次逼近型ADC（SAR ADC）: 介紹SAR ADC的基本原理、結構以及在PET前端中的應用。重點分析如何通過優化采樣保持電路、比較器和數字邏輯來實現高速、高精度的時間戳采集。 流水綫型ADC（Pipeline ADC）: 探討流水綫型ADC的結構特點、設計優勢以及在追求更高采樣率時的應用。 Σ-Δ ADC: 分析Σ-Δ ADC的噪聲整形原理，以及其在PET前端中實現高分辨率能量測量的潛力。 納秒級時間分辨率電路： 時間-數字轉換器（TDC）: 詳細介紹不同TDC的實現原理，包括基於延遲鏈、多路徑延遲綫、Vernier延遲綫等方法。我們將分析如何優化TDC的設計以達到納秒甚至亞納秒級的時間分辨率，並討論其與探測器信號時序特性的匹配。 時間放大與比較技術： 探討如何對微弱的探測器信號進行放大和快速比較，以精確地捕捉其上升沿或下降沿，從而獲得準確的觸發信號。 模數轉換器（ADC）設計： ADC性能指標： 詳細闡述ADC的關鍵性能指標，如分辨率（bits）、采樣率（SPS）、有效位數（ENOB）、功耗等。 ADC架構選擇： 分析不同ADC架構（如SAR、Pipeline、Flash、Σ-Δ）在PET前端中的適用性，根據具體需求（如能量分辨率、時間分辨率、通道數量、功耗限製）選擇最閤適的ADC架構。 低功耗ADC設計： 提齣實現低功耗ADC的策略，如采用低壓差分信號（LDVS）技術、優化時鍾方案、共享ADC資源等。 數字後端接口： 簡要介紹ADC輸齣數據與數字信號處理器（DSP）或現場可編程門陣列（FPGA）的接口設計，如LVDS、CMOS等接口標準。 第五章 集成電路實現技術與考慮 本章將從CMOS工藝技術齣發，探討PET前端集成電路的實現細節和關鍵考慮因素。 CMOS工藝選擇與模型： 分析不同CMOS工藝節點（如90nm, 65nm, 45nm等）的特點，以及它們在功耗、速度、集成度、成本等方麵的權衡。討論如何選擇閤適的工藝模型來精確模擬電路性能。 模擬與數字混閤信號設計： PET前端集成電路通常是混閤信號電路，需要同時處理模擬和數字信號。本章將重點介紹模擬電路和數字電路在同一芯片上的布局、布綫、電源隔離、時鍾分配等方麵的挑戰與設計技巧。 電源管理與去耦： 高密度集成電路容易受到電源噪聲的影響。本章將討論有效的電源分配網絡（PDN）設計、片上退耦電容的布局與選擇，以及低壓差分信號（LVDS）等技術在減少電源串擾方麵的應用。 布局布綫與版圖設計： 詳細講解在集成電路版圖中，模擬信號綫、數字信號綫、高頻信號綫、低頻信號綫以及電源綫、地綫等的閤理布局與布綫規則，以最小化寄生效應和串擾。 可靠性設計： 探討電路在不同溫度、電壓、濕度等環境下的可靠性問題，如器件的老化、ESD（靜電放電）防護、EMI防護等，並提齣相應的可靠性設計策略。 IP核復用與驗證： 介紹如何有效地利用預先設計的IP核來加速設計進程，以及進行全麵的電路仿真與驗證，確保設計的功能正確性和性能達標。 第六章 PET前端集成電路的先進技術與未來發展 本章將展望PET前端集成電路領域的最新研究進展和未來發展趨勢。 低功耗與高能效設計： 討論先進的低功耗設計技術，如亞閾值工作、動態電壓頻率調整（DVFS）、體偏置技術等，以及如何實現更高能效的信號采集與處理。 智能與自適應前端： 探索將人工智能（AI）或機器學習算法集成到前端電路中，實現智能化的事件篩選、噪聲抑製和參數自適應調整，進一步提升成像質量和效率。 新型探測器與電路接口： 介紹新興的PET探測器技術（如固態探測器、矽光電倍增管陣列等），以及與之匹配的新型集成電路接口設計。 全集成探測器與ASIC： 展望探測器與前端ASIC完全集成化的發展趨勢，實現更小型化、更低功耗、更高性能的PET係統。 先進封裝技術： 探討3D堆疊、扇齣晶圓級封裝（Fan-out Wafer Level Packaging, FOWLP）等先進封裝技術在提高集成度、降低互連延遲和改善散熱方麵的作用。 標準化與開放平颱： 討論建立PET前端集成電路的設計標準和開放平颱的重要性，以促進技術的交流與閤作，加速産業的發展。 本書旨在為從事PET成像技術、集成電路設計、醫學物理等領域的科研人員、工程師和學生提供一本全麵、深入的參考資料。通過對PET成像原理的深入理解，以及對前端集成電路設計關鍵技術和實踐經驗的係統闡述，讀者能夠掌握設計高性能、高效率PET前端集成電路的核心知識和技能，為推動PET成像技術的進步貢獻力量。