PET成像前端读出芯片研究进展

在过去的半个多世纪里,虽然正电子发射断层(PET)成像设备在外型上没有多大变化,但在技术和方法上发生了多次革命性的飞跃。微电子技术在PET成像领域的应用将进一步推动PET向更小体积、更高性能、更低成本等方向发展。从PET系统成像原理出发,详细综述了PET前端读出芯片技术的研究进展。将PET探测器信号的前端读出和信号处理分为光电转换、信号采集、脉冲高度分析、峰值探测和保持、信号数字化和数字信号处理等环节,给出了各个环节的微电子电路实现。然后,描述了PET前端读出大规模专用集成电路的研发进展,指出采用数字电路的方法来处理探测器前端读出和模拟信号处理已经成为PET前端电子的发展趋势,而且集成PET专用DSP的多通道智能前端读出电路已经成为一个重要的方向。     

高性能低噪声数字读出电路

红外焦平面的数字读出是信息化发展的必然方向,其关键技术是数字读出电路。介绍了数字读出电路的发展现状和主要架构,重点分析了时间噪声和空间噪声的来源和影响,并给出低噪声设计指导。同时对线性度、动态范围和帧频等主要性能进行了讨论,设计了两款数字读出电路。采用列级ADC数字读出架构设计了640×512数字焦平面探测器读出电路,读出噪声测试结果为150 μV,互连中波探测器测试NETD为13 mK。基于数字像元读出架构设计了384×288数字焦平面探测器读出电路,互连长波探测器测试NETD小于4 mK,动态范围超过90 dB,帧频达到1 000 Hz。所设计的两款读出电路有效提升了红外焦平面的灵敏度、动态范围和帧频等性能,表明数字读出电路技术对红外探测器性能的提升具有重要作用。     

1280 × 1024，10 μm数字红外焦平面读出电路设计（特邀）

焦平面红外探测器的数字读出是其发展的一个重要方向,相比传统的模拟红外焦平面探测器,数字红外焦平面探测器具有诸多优势。数字红外焦平面探测器的核心在于数字读出电路。文中详细介绍了1280 × 1024, 10 μm数字焦平面读出电路的设计和实现。通过对读出电路的测试得到其噪声为157 μV,在50 Hz帧频下功耗为165 mW,列级固定图案噪声为0.1%。所设计的数字读出电路与短波红外探测器成功实现了倒装焊互连并完成了成像,所成图像清晰、细节丰富。测试结果和探测器成像效果表明,所设计的数字读出电路具有低噪声、高传输带宽、高抗干扰性等特点,有助于提升红外焦平面探测器的各项性能。     

320×240元非制冷红外焦平面阵列读出电路

采用1.2 μm DPDM n阱CMOS工艺设计并研制成功320×240热释电非制冷红外焦平面探测器读出电路.该读出电路中心距为50 μm,功耗小于50 mW,主要由X、Y移位寄存器、列放大器、相关双采样电路等构成,采用帧积分工作方式.经测试,研制的读出电路性能指标达到设计要求.给出了单元读出电路的电路结构、工作过程和参数测试结果.采用该读出电路和热释电红外探测阵列互联后,获得了良好的红外热像.     

背景暗电流抑制的红外探测器读出电路输入级设计

主要研究红外探测器读出电路的输入级设计,针对短波红外信号,电容反馈互导放大器型(CTIA)读出电路具有高注入效率的特点.本文设计了一种带有背景暗电流抑制的CTIA型读出电路输入级结构,该结构在77 K低温环境,大于300μs的长积分时间工作.探测器接收短波小信号,注入电流0～800 pA,与传统的CTIA型读出电路输入...     

红外焦平面探测器数字读出电路研究

读出电路是红外焦平面探测器组件的重要组成部分,其性能对探测器乃至整个红外成像系统的性能有重大影响。随着硅CMOS工艺的发展,数字化读出电路以及读出电路片上数字信号处理等功能得以实现,能够大幅度提高红外焦平面探测器的性能。以红外焦平面探测器对读出电路的要求入手,分析了读出电路各性能参数对红外焦平面探测器性能的影响,介绍了读出电路的数字化技术及各种实现方式以及数字积分技术。CMOS技术的发展使得数字积分技术在红外焦平面探测器读出电路中得以实现,有效解决了读出电路的电荷存储容量不足的问题,极大地提高了探测器性能。     

一种高灵敏度大动态范围读出电路

为读出光电探测器微弱的响应电流,设计了一种增益自动可调列放大器,提高了读出电路的灵敏度和动态范围,读出电路的动态范围提高了24dB,读出电路功耗为230μW,满足探测器读出要求。读出电路的输出信号可以根据应用要求分别采用线性法和非线性法重建。     

基于MEMS的非制冷红外探测器读出电路的设计

基于MEMS的非制冷红外探测器广泛用于军用和民用领域,其中作为探测器核心部件的焦平面探测阵列的读出电路等关键技术的研究至为重要.设计了一块240×320的焦平面探测阵列的读出电路,此电路能够抑制MEMS工艺的波动,减小探测器环境温度的影响.采用HHNEC 0.5 μm 工艺对此设计流片,其测试结果达到预期目标.芯片输出电压为1.5～3.5 V,每帧图像输出时间为16.32 ms,可以保证每秒61帧图像输出.     

CZT探测器低噪声读出电路设计

采用TSMC 0.35 μm CMOS工艺,设计了CZT探测器低噪声读出电路链和一款多通道能量读出ASIC,该电路将应用于8×8 CZT像素探测器的能量读出.给出了系统框图及低噪声能量读出电路链,分析了低噪声技术策略.实验结果表明,能量分辨范围为20 keV～4 MeV,等效噪声电荷(ENC)小于150个电子,电荷转电压增益为9.2 V/pC,非线性度小于3％,多通道串扰小于10个电子,满足设计需求.     

AlGaN紫外探测器读出电路研究

设计了一款AlGaN 320×256规模紫外探测器专用读出电路.该款读出电路属于数模混合电路,其中模拟信号处理电路包含积分放大电路、采样保持电路、缓冲器及输出驱动电路,数字逻辑控制电路实现了多种用户可配置的功能.给出了理论分析和电路模拟仿真的结果数据及波形.采用标准0.35μm 2P3M CMOS工艺设计了电路版图,最终版图面积为ll.8mm×11.1mm,并对流片后的读出电路进行了主要参数的测试和数据分析,验证了该读出电路的功能.     

基于SIXS-ASIC的半导体传感器信号读出电子学系统的研制

介绍了一种用于半导体传感器信号读出的专用集成电路（ASIC,Application-SpecificIntegratedCircuit）的基本结构和工作原理,分析其测试需求,设计并实现了基于该ASIC芯片的探测器读出电子学系统。描述了测试系统的主要硬件电路设计以及对该芯片的控制流程,上位机通过USB与该电子学系统进行双向通讯,并利用FPGA对该ASIC芯片进行时序控制以及数据采集。最后,对测试系统进行功能测试,采用信号发生器给系统注入模拟不同沉积能量的半导体传感器信号,得到能谱图及相应的线性响应曲线。最后,分别用放射源90Sr／90Y和207Bi对该电子学系统进行性能测试,得出各自的能谱图。     

高性能TDI扫描式红外传感器读出电路研究

扫描式红外成像传感器在遥测遥感、卫星成像等远距离成像领域具有广泛的应用。为了缓解信噪比相对较低而影响图像质量的问题,提出了一种时间延时积分(TDI)型读出电路。该读出电路由电容跨阻放大器(CTIA)像素电路阵列、并行TDI电路、多路开关选择电路和输出缓冲器等组成。为实现对宽动态范围光电流的处理,CTIA电路设计有多档可选增益,且非线性度小于0.3%。该读出电路采用0.35 μm CMOS工艺设计与制造,芯片面积约为1.3 mm×20 mm,采用5 V电源时功耗小于60 mW。为了评估1024×3 TDI读出电路的功能,采用了对TDI输入端注入不同电压激励的方式进行测试,测试结果验证了所提出的设计方案。     

嵌套式斩波运放的分析与设计

针对传统的斩波运放具有大残余失调的特点,设计了一个嵌套式斩波运放。基于SMIC0.18μm工艺,通过Spectre仿真工具进行验证与仿真,运放的开环增益达到78.3dB,共模抑制比达到112dB。在斩波频率fchophigh=10kHz、fchoplow=500Hz的条件下,通过使用非匹配斩波开关,分别对单斩波和嵌套式斩波运放进行仿真。结果表明,嵌套式斩波技术能有效减小残余失调的影响。适用于带宽较低的微弱信号检测与处理电路,如传感器前端读出电路和音频信号放大电路等。     

Integrated low-power 24-channel EEG front-end

The first integrated CMOS multichannel electroencephalogram (EEG) readout front-end, capable of extracting EEG signals from conventional AgCl electrodes without the use of any trimmed components, is presented. Each channel of the ASIC achieves better than 90 dB common-mode rejection ratio (CMRR) at 50 Hz with 50 mV DC offset between EEG electrodes. This is consistent with the presented formula describing the CMRR behaviour of the preamplifier under DC electrode offset. The front-end includes 24 channels and consumes 10.5 mW from a 3 V supply.     

MEMS高精度电容读出电路的单芯片集成研究

MEMS电容式传感器的迅速发展为后续集成化读出电路的设计提出了巨大挑战.系统地分析了制约微传感器高精度电容读出电路设计的主要因素,回顾了目前主要的几种读出电路结构,阐述了这些电路的基本原理,并对影响电路分辨率的主要设计参数进行了分析和对比,最后探讨了电容式读出电路设计的发展趋势.     

用于生物医学成像的多通道流水线数字化电路设计

针对生物医学成像中前端读出电路多通道以及要求高速数字化的特点,设计了一个16通道的流水线数字化电路.整个电路由模拟多路选择器、单端转差分电路、8-bit 25Ms/s 1.5bit/stage流水线ADC以及数据输出模块组成.模数转换和数据输出在两相邻时间窗口内采用流水线方式进行.电路采用TSMC 0.18μm mixed signalCMOS工艺实现.电路仿真结果表明,流水线ADC的DNL为-0.62/0.67LSB,INL为-0.39/0.72LSB,SNR为45.99dB,ENOB为6.03bit,该电路能够在两个相邻时间窗口内完成16通道的信号数字化并输出,满足系统设计要求.     

采用稀疏读出策略的电容触摸屏前端IC设计

针对采用触摸预测和窗口采样(TPWS)稀疏读出策略实现的电容触摸屏系统容易受到显示噪声和充电器噪声干扰的问题,本文提出了并行互补驱动和差分感应的方法以提高系统的信噪比。基于本文提出的并行驱动和差分感应方法,并结合TPWS系统的特点,采用0.35μm CMOS工艺设计实现了一个48通道电容触摸屏模拟前端IC,并设计了一个11.6in原型触摸屏系统用于评估该IC的性能。测试结果表明,本文设计的IC不仅能满足TPWS系统对于点测量和线测量的功能需求,并且系统的信噪比从原来的25.0dB提升到了35.8dB。     

用于混合信号VLSI的可扩展JTAG控制器IP核设计

正电子发射断层成像系统（PET）前端读出电路是数模混合信号超大规模集成电路芯片.针对多通道高性能PET专用集成电路芯片的特点,采用JTAG控制器对该芯片进行初始控制和辅助测试.采用TSMC 0.18μmCMOS工艺设计实现了一个可扩展的JTAG控制器IP核,支持14组可扩展控制信号和16个多位寄存器扫描链的读/写操作,并配备定制的底层驱动软件.该JTAG控制器IP核还可用于其它混合信号VLSI的控制与测试,具有较强的通用性和工程实用价值.     

Design of Diode Type Un-Cooled Infrared Focal Plane Array Readout Circuit

The diode infrared focal plane array uses the silicon diodes as a sensitive device for infrared signal measurement. By the infrared radiation, the infrared focal plane can produces small voltage signals. For the traditional readout circuit structures are designed to process current signals, they cannot be applied to it. In this paper,a new readout circuit for the diode un-cooled infrared focal plane array is developed. The principle of detector array signal readout and small signal amplification is given in detail. The readout circuit is designed and simulated by using the Central Semiconductor Manufacturing Corporation (CSMC) 0.5 μm complementary metal-oxide-semiconductor transistor (CMOS) technology library. Cadence Spectre simulation results show that the scheme can be applied to the CMOS readout integrated circuit (ROIC) with a larger array, such as 320×240 size array.