正电子发射断层(PET)是一种无创的能够再现体内生物分布的分子成像技术,是现代生物医学成像中最高层次的成像技术之一,在临床诊断、生物医学研究和癌症普查等方面有重大意义和广阔前景。PET性能的提升关键在于辐射探测器前端电子系统的设计和开发。为了缩小仪器体积,PET系统采用多通道的专用集成电路芯片处理来自多通道探测器的前端弱信号是非常必要的。本论文研究的对象就是一款用于LYSO(Ce)闪烁晶体和Photonis公司MCP探测器的PET专用前端读出电路芯片的设计技术。　　大多数PET系统探测器模组是基于多个像素的闪烁晶体绑定一个像素数目较少的光电倍增管(PMT)的架构。一般来说,其空间分辨率主要由这些PET成像系统的探测效率决定,这就意味着该系统不能同时获得高分辨率和高探测效率。在本文中,每个探测器模组的晶体轴向放置并从两端读出,其空间分辨率就与探测效率无关。采用这个配置,光子撞击到晶体的位置由探测器生成的电荷量决定。因此,采用这种探测器模组的PET系统需要同时测量能量和时间两个信息。本文的方案如下:在能量测量通道,探测器的前端弱信号首先由一个可调共源共栅(RGC)放大器读出,再由半高斯成形器进行脉冲成形。经过整理的波形的峰值将由一个经单稳态电路的时序信号采用后保存在一个模拟存储器中。该峰值电压信号再经过一个模拟/数字转换器(ADC)进行数字化。在时间测量通道,采用基于计数器和延迟锁相环技术实现了一个高精度的基于计数器和延迟锁相环的多通道时间/数字转换器(TDC),来进行符合事件的判断。　　本论文的主要研究内容和创新点如下:　　1.介绍了基于LYSO闪烁体晶体和MCP双端读出的PET成像系统及其前端电子,指出了前端读出芯片的设计挑战。综述了PET前端专用集成电路技术,提出了集成前端读出和模拟信号处理电路、高精度TDC和高分辨率ADC的多通道前端读出芯片微系统结构。所提结构将用于采用轴向放置的闪烁晶体(LYSO)并通过光电探测器(MCP)由两端读出的探测器模组中,这将引导一个构建PET成像系统的新方向。　　2.详细综述了辐射探测器前端微电子技术。首先介绍了前端电子系统和现代前端电子。接着介绍了前端信号处理和相关电路。本文将前端信号处理分为光电转换、信号获取、脉冲高度分析、峰值探测和保持、时间鉴别及信号数字化等不同阶段,详细描述了各阶段的电路原理。　　3.提出了基于调制级联放大器的电流模式前端读出和模拟信号处理电路的微系统结构。重点研究了调制级联前置放大器、电流模式增益调节电路、高速电流模式鉴别器、CR-RC成形器和峰值探测保持电路等。采用AMS0.35μmCMOS工艺设计设计了一款10通道前端模拟信号处理实验芯片,优化了动态范围、线性度和功耗,并通过专门的测试开发板进行了测试,获得的输入范围为几个fC到高于100pC,读出电路的模拟输出范围为1.2V～3.2V,成形时间为280ns,功耗减小到低于15mW。　　4.提出了采用低抖动延迟锁相环实现高精度多相位时序生成技术。延迟锁相环是TDC中的重要模块,本文重点研究了电荷泵延迟锁相环的原理和结构,提出了从抖动建模和理论分析出发,优化各子电路模块的性能来获得低抖动输出时钟的设计技术。另外,采用本文提出的技术实现了一个延迟锁相环阵列,使输出时钟信号的相位差缩小到几十皮秒。　　5.研究了基于延迟锁相环技术的多通道高精度TDC的结构和精度改进方法。采用AMS0.35μmCMOS工艺首先设计了一款基于单个延迟锁相环的多通道TDC,其RMS抖动和峰峰抖动性能分别为50皮秒和120皮秒。在参考时钟为50MHz时,TDC的最小测量单位为625皮秒。为了提高精度,采用相同工艺实现了另一款基于延迟锁相环阵列的多通道TDC原型芯片。测试结果表明,在基于延迟锁相环阵列的TDC芯片中,RMS抖动和峰峰抖动性能分别减小到7皮秒和21皮秒。在参考时钟为100MHz时,TDC的最小测量单位减小到71皮秒。　　6.提出了基于WilkinsonADC和数字延迟锁相环的多通道基于时间的ADC的微系统结构,利用模拟延迟锁相环的结构和原理,提出并设计实现了一个采用线性延时单元的数字延迟锁相环。而且提出了一个数字滤波算法,理想情况下使得电路对输出时钟贡献零抖动。采用AMS0.35μmCMOS工艺设计设计了一款基于8通道的ADC原型芯片。测得该ADC的最大分辨率为12位,采样率约为1MS/s,功耗为3mW+0.2mW/通道。　　基于本文的研究,下一步工作可根据具体的应用选择合适的电路进行前端读出和信号处理的单片集成,并进行性能评估。随着CMOS工艺尺寸缩小,纳米级工艺已经成熟,还需要考虑工艺尺寸缩小给前端读出芯片带来的设计问题。