本文是一篇工程硕士论文，本文主要讨论了一种应用于PET系统的针对检测SiPM阵列探测器产生的微弱光电信号的模拟前端电路，对微弱光电流信号进行采集和处理，根据脉冲信号的特点利用线性TOT技术实现对信号的粒子识别和能量测量。对所设计的电路模块进行了前后仿真和版图绘制。
第一章绪论
1.1研究背景
随着科技的进步，微弱信号检测技术在全球科技及战略发展中的地位日益提高。为了满足现代科学研究和工程制造的各项应用，在强噪声背景下检测出想要提取的高精度的微弱信号十分重要，尤其随着现代检测飞速发展，对微弱信号所进行的光电检测技术展现出了其迅猛的发展势头和重要地位[1]。微弱信号检测和处理在各个领域的应用都十分广泛，例如，在通信和雷达探测领域，微弱信号的准确探测和接收十分重要，可以提高雷达探测和信息传输的精度和可靠性；在农业治理领域，可用于农作物生长检测、病虫害防治、温室作物光照检测、温湿度监测、森林火灾预警等[2]；在生物医学领域，可用于探测人体的心电信号、脉搏信号、脑电信号等来诊断人体各个部位的生理机能[3]；在机械制造领域，可通过对微弱特征信号的实时监测来预防机械故障的发生，提高设备的各项性能并降低故障率，延长设备的使用寿命等等。
微弱信号的采集与检测是传统光电检测系统当中检测工作的难点所在，常规的信号检测仪已经不能满足现代科学研究和检测的需求[4]，因此需要利用一些技术手段来提高光电检测系统对微弱信号的判断能力。光电信号检测的技术实现主要基于利用半导体探测器获取检测到的能量、信号能量的转换，以及最后的光电转换和电子信号处理[5]。光电转换器通常由闪烁晶体和光电探测器组成的模块实现[6]。本文主要研究和设计的光电探测器系统，在探测器的前一部分通常使用光电二极管或光电晶体管作为光接收器，信息载体是被检测物体，并根据不同的应用场景设计和配置光源等光学系统，光电二极管或光电晶体管用作光电探测器[7]。在测量过程中，一定波长的单色光从光源发射出来，照射到待检测的载体物体上，经过反射、激发等物理过程，产生包含待检测物质信息的光信号，这些光信号通过滤波或衰减透镜照射到光电探测器上，产生可用于检测的光电流信号，然后经由光电流检测系统得出目标检测数据[8]，典型结构如图1-1所示。
1.2国内外研究现状
随着时代发展以及人们对健康意识的提高，微弱信号检测技术在生物医疗电子的应用愈发成熟，不断完善检测的精度和灵敏度。用于微弱信号处理的生物光电芯片是目前医疗领域的研究热点[19]。
早在上世纪50年代，霍夫斯古塔采用FP-54静电计管，用了仅仅几分钟的时间就测出了3×10-19A的电流信号[20]。从1905年光电效应被爱因斯坦提出，光电检测技术开始逐渐进入了人们的生活应用范围，随着集成电路领域技术的不断进步，众多领域在微弱电流检测方面已经形成了相对完善的解决方案。
20世纪60年代，出现了以激光技术为基础的光子计数法以及光纤技术等微弱光信号检测技术，信号传输距离虽然远，但提高了可靠性并降低了损耗，使检测精度和准确性得到快速提高。随着微电子技术水平的发展，逐步出现各类处理微弱信号的光电检测设备，新兴的光电检测技术在美、日、德国等地发展迅速。
1937年，俄罗斯科学家Kubetsky L.A.研制出第一只电磁聚焦性光电倍增管（Photomultiplier Tube,PMT），为之后PMT的量产奠定基础，使其在医学成像，光谱学，物理探测等各个领域的应用得到快速更新与迭代[21]，往后的近百年来一直都是科学界研究的热点领域之一。
1999年，A.Saoudi and R.Lecomte研究出了一种新的探测器，由一个耦合到雪崩光电二极管APD(Avalanche Photo Diode)的多晶组件组成，能够分辨低能x射线、中能单y射线和高能湮灭辐射粒子，具备高信噪比，高量子效率，高稳定性等特点[22]，提高对信号探测的准确性，可应用于PET/SPECT/CT多模态成像中。
2002年，D.M.Binkley团队提出了一种基于PET系统的低功耗，低噪声的CMOS电荷敏感前置放大器，采用量子效率更高的雪崩光电二极管APD取代PMT[23]，减小正电子发射断层成像扫描仪的尺寸和成本，为后续针对微弱光电信号的检测奠定了坚实的基础。
第二章微弱光电流信号处理系统
2.1微弱信号检测基本原理
微弱信号通常指微安或毫伏级别及以下的低振幅、低频率信号，容易淹没在噪声中且背景噪声较强，主要包含热噪声、低频噪声、散粒噪声等，信号不易被检测和感知，其中低振幅信号的定义是指相对于噪声振幅很低，绝对值也很低的信号[29]。例如，生物电信号基本上都是微弱信号，对生物的生理活动进行记录，记录从基因和蛋白质序列到神经和心脏律动，以及组织和器官的图像[30]。人体脉搏信号、心电信号、脑电波信号和各种诱发电位诊断信号都属于生物电信号的范畴。
常规的微弱信号处理方法主要可分为两种方式，一种是消除和抑制信号中夹杂的强噪声，然后将处理后的噪声作为特征信号进行处理，常用的方法有小波去噪、自适应滤波、信号分解等；另一种方式是利用特定噪声来提取有用信号，例如随机共振，利用非线性系统实现信号和噪声之间的协同作用，使得输出信号与输入的微弱信号具备相同的周期性，完成微弱信号和噪声谐振模型间的匹配，从而实现对微弱信号的处理。为了从大量噪声中提取到我们想要探测的微弱信号，所设计的电路检测系统通常要考虑各种抗干扰措施，包含选取低噪声的前端探测器件，根据所检测的目标信号特点设计合理的放大电路，使用合理的屏蔽措施抑制外部噪声的干扰。由于本文中的设计电路主要针对于生物电信号的应用，因此选用合适的光探测器件来读取微弱光电信号十分重要。
模拟前端电路对强噪声背景下的弱光电信号的常用处理方法是先将与读出电路相匹配的闪烁体探测器转换产生的电流或者电压信号进行采集、放大和滤波，最后转化为一定的电压数字信号，传送到芯片的数据处理部分利用计算机进行生物成像构建。图2-1所示为微弱信号前端模拟电路的常用信号处理方式流程图，光电探测器件Detector首先把探测到的入射粒子的能量转换为微弱电信号，由于此时的电压或者电流信号幅值较低，所以先由前置放大器Preamp对信号进行放大，再送入能量检测和时间检测两个通道进行下一步转换。
2.2 SiPM光电流信号概述
2.2.1内部等效电路
SiPM探测器工作盖革模式下（偏置电压在击穿电压之上）时，入射光子通过触发雪崩击穿来产生高电场，在输出端转换为电流脉冲，其基本结构（像素）内部主要由单光子雪崩二极管SPAD阵列和淬灭电阻串联，最后由几百到上千个不等的单元并联在一起构成[36]，传输电流为被触发的雪崩SPAD单元的电流之和，即产生与探测的光强成正比的电流脉冲信号。如图2-2为SiPM内部结构示意图。
SPAD具有低噪声、高光子探测效率、高分辨率的快速定时响应等优点，满足光子计数和对微弱信号进行高精度检测的基本要求。当光子信号被SPAD某一个单元吸收时，由于外加非常高的电场，产生的载流子会出触发雪崩倍增，由于较高的电场会增加雪崩的概率，光子探测效率会随偏置电压的增加而增加[36]。SPAD工作条件还要求有合适的电路，通常称为淬灭电阻，雪崩电流通过增加高阻抗负载上的压降来降低。
可以看出，SiPM阵列的增益来自于半导体内部的雪崩增益。由于产生的电流脉冲信号极具辨识度，其信号脉冲峰值与探测光子数量呈正相关，所以我们只要能对脉冲峰值进行精确的探测便能检测出光子强度[37]。在进行电路设计之前，我们首先要分析SIPM脉冲信号的特点，以便于有针对性的设计出匹配性较高的模拟前端电路。接下来将对信号脉冲的特点进行详细的介绍。
第三章 微弱信号采集电路模块设计 .......................... 15
3.1 信号读出模块电路设计......................... 15
3.1.1 运放设计 ............................... 17
3.1.2 运放参数仿真 ............................... 19
第四章 版图设计及整体仿真 .......................... 33
4.1 版图设计概述 ................................... 33
4.2 跨阻放大器版图设计 ................................... 33
4.3 带通滤波电路版图设计........................... 34
第五章 总结及展望 .......................... 40
5.1 本文主要结论 .................................... 40
5.2 未来研究展望 .................................. 41
第四章版图设计及整体仿真
4.1版图设计概述
集成电路的版图设计是拓扑到芯片制造的最重要的流程，需要设计者对电路进行全局的排版布局和规划，并进行版图验证，最后通过后仿真来测试版图的可靠性。在进行版图布局的第一步就是要规划好每个模块的面积大小的形状和模块之间输入与输出端口的距离，留出合理的位置，再对电源线和地线进行连接，最终进行拼版，尽可能节省面积，设置版图最佳尺寸。绘制版图时尽量保持一致的布线方向，留意控制位的布置，实现线宽最小化，确保晶体管间有安全边界，防止因走线过长引起的天线效应[62]。版图设计时要提高内部空间的利用率，具有良好的对称性，尽量避免每个模块间的串扰和版图设计不规范引入的寄生效应。数字电路要用隔离环隔离开，减小模拟电路模块和数字处理模块的相互影响，合理安排衬底
