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

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高武 著

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店铺： 读者科技图书专营店

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121311253

商品编码：29720424691

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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《PET成像前端集成电路设计：高性能探测器控制与信号处理》 内容简介： 本书旨在为读者提供一套全面、深入的PET（正电子发射断层成像）成像前端集成电路设计理论与实践指导。PET技术作为一种无创的分子成像手段，在疾病诊断、药物研发、神经科学研究等领域扮演着至关重要的角色。其成像质量的提升，很大程度上依赖于前端探测器系统的性能，而前端探测器系统，尤其是其信号采集、处理和控制单元，是整个PET系统中最具挑战性的部分之一。本书将聚焦于 PET成像前端集成电路的设计，从基础原理出发，详细阐述构成高性能PET探测器前端所需的关键集成电路模块，并提供实际设计中的考量、优化策略与典型应用案例。 第一章 PET成像原理与前端探测器系统概述 本章将首先回顾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、符合探测及其信号拾取过程。在此基础上，重点介绍PET探测器系统及其前端的组成结构，包括闪烁体、光电探测器（如光电倍增管PMT、硅光电倍增管SiPM）以及负责信号采集、放大、数字化和初步处理的电子学前端。我们将探讨不同类型闪烁体与光电探测器的特性如何影响成像效果，并初步勾勒出前端电子学在实现高精度、高计数率、低噪声探测中的关键作用。同时，本章还将简要介绍当前PET技术的发展趋势，以及高性能前端集成电路设计在推动这些趋势中的必要性。 第二章 高精度信号采集电路设计 前端信号采集电路是 PET成像链的第一道关卡，其设计直接决定了信号的保真度和信噪比。本章将深入探讨高性能信号采集电路的设计要点。 信号放大器的设计： 详细分析不同类型的低噪声放大器（如跨阻放大器TIA、电压放大器）的设计考量，包括增益、带宽、噪声系数、功耗以及输入阻抗匹配等参数的优化。我们将讨论如何根据光电探测器的输出特性选择合适的放大器拓扑结构，并介绍如何通过反馈网络和器件选择来最小化噪声注入。 滤波器的设计： 讨论用于抑制噪声、提取有用信号的滤波电路设计。我们将深入研究低通滤波器、带通滤波器在 PET信号处理中的应用，并介绍如何在有限的硬件资源下实现最优的滤波效果。滤波器设计将涵盖原型滤波器（如巴特沃斯、切比雪夫）的理论，以及如何在集成电路中实现这些滤波器，包括有源滤波器和无源滤波器的设计考量。 基线恢复与阈值检测： 针对PET信号的脉冲特性，我们将详细介绍基线恢复电路的设计，以应对信号漂移和信号叠加的问题。同时，阈值检测电路的设计将是实现事件触发和初步数据筛选的关键。我们将讨论如何设计低功耗、高精度的比较器和延时电路，以实现精确的事件阈值判断，并为后续的数字化处理做好准备。 第三章 高速信号数字化与数据预处理 将模拟信号转化为数字信号是 PET成像前端的关键步骤，也是实现高性能数据处理的基础。本章将聚焦于高速信号数字化电路的设计与数据预处理技术。 模数转换器（ADC）的选择与应用： 详细介绍适合 PET前端应用的ADC类型，包括逐次逼近型ADC (SAR ADC)、流水线型ADC (Pipelined ADC) 和Σ-Δ型ADC (Sigma-Delta ADC)。我们将分析各类ADC的优缺点，如采样率、分辨率、功耗、线性度等，并指导读者如何根据具体应用需求选择合适的ADC。同时，将探讨ADC的驱动电路设计，确保ADC能够在高频下稳定工作。 时间测量电路设计： PET成像的关键在于精确测量两个探测事件发生的时间差，以计算正电子湮灭点。本章将详细介绍时间测量电路的设计，包括基于高精度时间数字转换器（TDC）的设计思路。我们将探讨如何设计能够捕捉微弱信号、实现纳秒甚至亚纳秒级时间分辨率的电路。这部分内容将包括对延迟线、锁相环（PLL）等技术的应用介绍。 数字信号处理（DSP）初步： 在ADC输出之后，进行初步的数字信号处理是提高效率和减少数据量的必要手段。本章将介绍一些基础的数字信号处理算法在 PET前端的应用，如脉冲形状分析 (PSA) 用于区分不同类型的事件，以及简单的门控和触发逻辑。我们将讨论如何利用FPGA或专用ASIC实现这些DSP功能，以满足实时处理的需求。 第四章 探测器控制与电源管理 高性能PET探测器前端不仅需要强大的信号处理能力，还需要精密的控制和稳定的电源供应。本章将深入探讨探测器控制与电源管理电路的设计。 探测器偏置与阈值设置： 针对不同类型的光电探测器（如SiPM），我们将详细介绍其偏置电压的设置方法，以及如何通过集成电路实现精确、可调的偏置控制。同时，将讨论事件触发阈值的精确设定与动态调整，以适应不同的探测环境和信号强度变化。 数字控制接口设计： 现代PET前端通常需要与主控系统进行数据和控制信息的交互。本章将介绍通用的数字接口协议（如SPI、I2C、LVDS）在 PET前端集成电路中的应用，以及如何设计鲁棒的接口电路，以确保数据传输的可靠性。 低功耗电源设计： PET探测器前端通常需要集成到紧凑的设备中，因此低功耗设计至关重要。本章将讨论如何设计高效率的电源管理单元（PMU），包括低压差线性稳压器（LDO）、开关稳压器（Switching Regulator）的设计考量，以及如何通过动态电压与频率调整（DVFS）等技术进一步降低功耗。 噪声抑制与EMI防护： 在高度集成的电路环境中，噪声的产生和相互干扰是普遍存在的问题。本章将探讨在电路设计层面如何进行有效的噪声抑制，包括接地设计、布线规则、滤波技术等。同时，将介绍电磁干扰（EMI）的防护策略，确保探测器前端在复杂的电磁环境下稳定工作。 第五章 集成电路设计流程与工具 本章将介绍 PET成像前端集成电路设计的完整流程，以及在实际设计中常用的EDA（Electronic Design Automation）工具。 设计流程概述： 从需求分析、系统架构设计、模块划分，到RTL编码、逻辑综合、物理布局布线（Place and Route）、时序分析、功耗分析，再到流片与测试，我们将全面介绍集成电路设计的典型流程。 主流EDA工具介绍： 重点介绍用于前端集成电路设计的关键EDA工具，如Cadence、Synopsys、Mentor Graphics等公司的设计套件。我们将简要介绍各工具在不同设计阶段的功能，例如Verilog/VHDL仿真、逻辑综合、布局布线、版图设计、寄生参数提取、静态时序分析（STA）等。 版图设计与可制造性设计（DFM）： 详细讲解集成电路的版图设计规则，以及如何根据工艺库的要求进行版图绘制。我们将介绍可制造性设计（DFM）的概念，以及如何在版图设计中考虑制造过程的限制，以提高芯片的可制造性和良率。 验证与测试策略： 强调在设计过程中进行充分的功能验证和性能验证的重要性。我们将介绍仿真测试、形式验证、以及芯片流片后的测试策略，包括ATE（Automatic Test Equipment）的应用，以确保设计满足所有规格要求。 第六章 性能优化与实际应用考量 在完成基础设计后，如何进一步优化电路性能，并考虑实际应用中的挑战，是提升 PET系统整体成像质量的关键。 噪声性能的深入优化： 针对 PET成像对低噪声的极致追求，本章将探讨更高级的噪声分析与抑制技术。例如，如何在电路层面最小化器件噪声、耦合噪声，以及如何通过数字信号处理算法进一步滤除残留噪声。 计数率能力的提升： PET成像过程中，探测器需要处理大量的事件。本章将讨论如何设计能够应对高计数率的电路，包括快速信号传输、避免信号饱和、以及有效的事件分离与判别机制。 功耗与散热的管理： 随着集成度的提高，功耗和散热成为不容忽视的问题。本章将深入探讨低功耗设计策略，包括选择低功耗器件、优化电路拓扑、以及先进的功耗管理技术。同时，将讨论如何进行热分析，并采取有效的散热措施，以保证芯片在长期运行下的稳定性。 抗辐射设计考量（可选，根据具体应用）： 对于某些特殊的 PET应用场景（如高能物理实验中的探测器），需要考虑辐射环境对电子器件的影响。本章将简要介绍抗辐射设计的基本概念和一些常用的防护措施。 典型应用案例分析： 本章将结合实际的 PET系统设计，提供一些典型的集成电路设计案例。例如，针对高分辨率 PET的需求，如何设计超低噪声的前置放大器；针对快速计数率PET的需求，如何设计高速ADC和DSP模块。通过这些案例，读者可以更直观地理解理论知识在实际设计中的应用。 第七章 未来发展趋势与挑战 本章将展望 PET成像前端集成电路设计的未来发展方向，并讨论当前面临的主要挑战。 更小尺寸、更高集成度： 随着半导体工艺的不断进步，未来 PET前端集成电路将朝着更小的尺寸和更高的集成度发展，这将对设计和封装技术提出新的要求。 智能化与自适应性： 未来的 PET前端集成电路将更加智能化，能够根据探测环境和信号特性进行自适应调整，以实现最优的成像效果。 新型探测器技术的集成： 随着新型光电探测器（如固态光电探测器）和闪烁体材料的出现，前端集成电路的设计需要与这些新技术紧密结合。 人工智能与机器学习的应用： AI和机器学习技术有望在 PET信号处理、图像重建等环节发挥更大作用，这也将对前端数据采集和预处理提出新的需求。 成本与可制造性： 在追求高性能的同时，如何兼顾成本与可制造性，实现大规模商业化应用，仍是重要的挑战。 本书内容详实，理论与实践相结合，适合从事 PET成像系统研发的工程师、科研人员以及对集成电路设计感兴趣的在校学生阅读。通过学习本书，读者将能够系统地掌握 PET成像前端集成电路设计的方法与技巧，为开发新一代高性能 PET成像设备奠定坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度和广度达到了一个非常高的平衡点。它既没有为了追求晦涩而堆砌过于深奥的数学公式，导致大部分人望而却步；也没有因为追求易懂而流于表面，缺乏技术上的深度和说服力。它仿佛找到了一个完美的黄金分割点，在理论基础的严谨性和工程应用的实用性之间做到了游刃有余的切换。比如，在讨论特定器件选型时，作者不仅指出了其参数优势，还结合实际工作温度、寿命、成本等多个维度进行了综合考量和权衡，这种全方位的视角，对于正在进行实际项目设计的人来说，具有极高的参考价值。读完这本书，我感觉自己对整个领域的技术栈有了更全面、更立体的认识，不再是零散知识点的堆砌。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事节奏把握得非常到位，从宏观的系统需求分析入手，逐步深入到微观的器件级实现，这种由表及里、循序渐进的结构安排，极大地降低了读者的认知负荷。作者在每一章节的衔接上处理得极其自然流畅，上一章遗留的问题会在下一章中得到合理的解答和延伸，使得整个阅读过程一气呵成，很少有“卡壳”或感觉突兀的地方。这种行云流水的写作风格，使得原本可能枯燥的专业知识学习过程变得非常享受。它就像是一部结构精妙的交响乐，各个声部（章节）和谐统一，共同营造出一种清晰、和谐的知识体验，让人沉浸其中，不知不觉中就吸收了大量知识。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和装帧设计简直是业界良心，每一页的阅读体验都非常舒适。装帧材质的选取恰到好处，拿在手里有分量感，但又不会过分沉重，封面的设计简洁大气，透露出一种专业和严谨的气质。更难能可贵的是，书中大量的图表和示意图，其清晰度和细节的丰富程度令人印象深刻。很多复杂的电路拓扑结构，如果单靠文字描述，恐怕需要反复揣摩才能理解，但在这本书里，配图往往能一锤定音，直观地展示了设计思路。插图的绘制风格统一，标注清晰无歧义，这对于需要对照文字和图形进行学习的读者来说，简直是巨大的福音。可以说，这本书在视觉上传达信息的效率上做到了极致，看得出出版方在细节处理上花费了大量的心思。

评分☆☆☆☆☆

我个人对书中探讨的创新性方法论非常感兴趣。这本书并非仅仅停留在对现有技术的罗列和描述，它更像是一份充满前瞻性的思考录。作者敢于挑战传统的设计范式，提出了一些非常具有颠覆性的观点，尤其是在功耗优化和信号完整性处理方面，给出了很多令人意想不到的巧妙思路。阅读过程中，我经常需要停下来，反思自己以往的工作方法，并开始尝试用书中提出的新视角去审视那些看似已经成熟的技术难题。这种引导读者进行批判性思考的能力，是衡量一本优秀专业书籍的重要标准。它不提供标准答案，而是提供思考的框架和工具，让读者自己去探索和发现更优的解决方案，这种授人以渔的教育理念贯穿始终，令人钦佩。

评分☆☆☆☆☆

这本书读起来真是让人耳目一新，从头到尾都展现出一种对前沿科技深入骨髓的理解和把握。作者的叙事方式非常独特，没有采用那种枯燥的教科书式的讲解，而是像一个经验丰富的老教授在娓娓道来，将那些复杂深奥的原理用生动形象的比喻串联起来，即便是初次接触这个领域的读者也能很快领会其中的精髓。特别是关于系统架构设计的那几章，逻辑清晰，层次分明，每一个模块的功能和相互之间的制约关系都交代得清清楚楚，让人感觉作者不仅是知其然，更是知其所以然。书中对设计流程中的痛点和解决方案的探讨，更是体现了作者扎实的工程实践经验，读来让人有豁然开朗之感。整本书的语言风格沉稳而不失灵动，充满了对专业知识的热爱和敬畏，读完后，感觉自己的知识体系被极大地夯实和拓展了。