CN113037221A - 用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路及其读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于PET技术领域，具体涉及用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路及其读出方法。包括SiPM光探测器和若干个共基极放大电路；所有共基极放大电路电连接组成一个N行N列的SiPM阵列，N≥2；所述SiPM阵列与SiPM光探测器电连接。本发明还包括行列加和电路；所述行列加和电路与SiPM阵列电连接，用于将SiPM阵列的行或列输出的电流信号经过所述共基极放大电路驱动后分别相加，得到行或列的总电流信号。本发明具有能够减少电路噪声，提高电路带宽，结构简单且成本低廉的特点。

Description

用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路及其读出方法

技术领域

本发明属于PET技术领域，具体涉及用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路及其读出方法。

背景技术

正电子发射计算机断层扫描成像系统(Positron Emission TomographyScanner，PET)是一种核医学影像设备，通过采集判选注入活体的放射性示踪剂产生的一对gamma光子来实现断层扫描成像。其基本原理是利用闪烁晶体将高能gamma光子捕获转换为低能可见光，然后通过光电转换器件将可见光转换为模拟电信号，并利用模拟调理电路将模拟电信号进行放大成形后送入能量测量装置(Analog-Digital Converter，ADC)和时间测量装置(Time-Digital Converter,TDC)得到该信号的能量和到达时间信息。通过汇总整个PET系统所有探测器测量得到的所有信息，并对这些信息在后端进行合理的符合判选可以挑选出真实有效的信号。在这个过程中，能量测量和时间测量，对PET系统来说具有至关重要的作用,能量分辨率和时间分辨率是影响PET图像的重要参数之一。

由于PET系统需要较多的读出电子学通道，会给测量和数据传输带来巨大压力，因此一般前端读出电路大多是利用分立器件组成多路复用电路来减少读出通道。其中，行列读出方式比较常见。其基本电路结构是使用电阻对硅光电倍增管SiPM输出信号进行分流，然后行和列信号分别相加，得到的加和信号通过电流灵敏放大器进行快放大，起到减少通道数的作用。但是，大量电阻的使用会导致其与寄生电容组成低通滤波电路，使信号变缓。另外，运放也会带来电路噪声和带宽损失，不利于高精度的时间和能量测量。另外，多路复用电路还存在结构复杂，硬件成本高的问题。

因此，设计一种能够减少电路噪声，提高电路带宽，结构简单，且成本低廉的用于SiPM读出系统的电路结构，就显得十分必要。

例如，申请号为CN202010032332.3的中国发明专利所述的一种用于PET系统中探测器的加法电路，所述探测器包括，用于耦合闪烁晶体的硅光电倍增管SiPM，加法电路包括：对应每一个SiPM的加和电阻、一个运算放大器和滤波电路；每一个加和电阻的第一端用于接收各自SiPM输出的SiPM信号，所有加和电阻的第二端均连接所述运算放大器的第一输入端；所述运算放大器的第二输入端接地，且所述运算放大器用于将加和后的SiPM信号按照时间甄别电路的条件进行放大输出；所述滤波电路和所述运算放大器组成有源滤波器，对待输出的混合后的多路SiPM信号进行滤波处理。上述加法电路应用于探测器，虽然提高了探测器的定时分辨率，提高可PET系统的性能，但是其缺点在于，上述加法电路并不能减少由于电阻和运放带来的带宽损失，整体电路带宽较低，不利于高精度的时间和能量测量。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中，传统电阻网络采用电阻加电流放大器的方式，会导致大量电阻与寄生电容组成低通滤波电路，导致信号变缓、运放出现电路噪声和带宽损失，同时存在结构复杂以及成本高的问题，提供了一种能够减少电路噪声，提高电路带宽，结构简单且成本低廉的用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路及其读出方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路，包括SiPM光探测器和若干个共基极放大电路；所有共基极放大电路电连接组成一个N行N列的SiPM阵列，N≥2；所述SiPM阵列与SiPM光探测器电连接。

作为优选，所述SiPM光探测器包括光传感器、探测器电容C1和接地电阻R1；所述光传感器与探测器电容C1并联；所述接地电阻R1的一端分别与光传感器和探测器电容C1电连接，接地电阻R1的另一端接地。

作为优选，所述共基极放大电路均包括三极管Q1、电阻R2和两个直流电源；一个直流电源的一端与三极管Q1的基极电连接，另一端接地；另一个直流电源的一端接地，另一端与电阻R2的一端电连接；电阻R2的另一端与三极管Q1的集电极电连接。

作为优选，用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路还包括行列加和电路；所述行列加和电路与SiPM阵列电连接，用于将SiPM阵列的行或列输出的电流信号经过所述共基极放大电路驱动后分别相加，得到行或列的总电流信号。

作为优选，所述SiPM阵列中，其中两个位于同一列的相邻的共基极放大电路中的三极管Q1的发射极，均分别与光传感器、探测器电容C1和接地电阻R1电连接。

本发明还提供了用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路的读出方法，还包括闪烁晶体，所属闪烁晶体与SiPM光探测器连接，包括以下步骤：

S1，输入γ光子与闪烁晶体发生作用，产生并放出可见光光子，所述SiPM光探测器将闪烁晶体输出的可见光信号转换为电流信号；

S2，所述SiPM光探测器输出的电流信号，经由共基极放大电路中三极管Q1的发射极输入和驱动后，从三极管Q1的集电极输出；

S3，所述行列加和电路将SiPM阵列中的行或列输出的电流信号，经过所述共基极放大电路驱动后分别相加，得到行或列的总电流信号；

S4，对步骤S3中得到的行或列的总电流信号，进行能量和时间测量，最终反推得出输入γ光子的能量和到达时间。

作为优选，步骤S4还包括如下步骤：

通过判断所述SiPM阵列中行和列的输出电流信号的通道，来判断γ光子的入射位置坐标。

本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明摒弃使用大量电阻的方案，减小了电路寄生电容对信号的衰减，保证了信号带宽；(2)本发明基于共基极放大电路，对SiPM输出的电流信号进行快放大和加和，减少由于电阻和运放带来的带宽损失和噪声，提高电路信噪比；(3)本发明电路结构简单，节约硬件成本。

附图说明

图1为本发明中用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路的一种电路图；

图2为传统电阻网络电路的一种电路图；

图3为图1和图2两种电路的瞬态波形仿真后的一种效果图；

图4为图1和图2两种电路的AC性能仿真后的一种效果图；

图5为图1和图2两种电路的噪声性能仿真后的一种效果图。

图中：光传感器1。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例1：

如图1所示的用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路，包括SiPM光探测器和若干个共基极放大电路；所有共基极放大电路电连接组成一个8行8列的SiPM阵列；所述SiPM阵列与SiPM光探测器电连接。所述SiPM阵列的连接方式如图1所示。

进一步的，所述SiPM光探测器包括光传感器1、探测器电容C1和接地电阻R1；所述光传感器与探测器电容C1并联；所述接地电阻R1的一端分别与光传感器和探测器电容C1电连接，接地电阻R1的另一端接地。

其中，所述光传感器的电流源的信号上升时间为8ns，下降时间为40ns，探测器电容C1的电容值为300pF，接地电阻R1的阻值为60Ω。

进一步的，所述共基极放大电路均包括三极管Q1、电阻R2和两个直流电源；一个直流电源的一端与三极管Q1的基极电连接，另一端接地；另一个直流电源的一端接地，另一端与电阻R2的一端电连接；电阻R2的另一端与三极管Q1的集电极电连接。

其中，共基极放大电路中的三极管Q1的型号为BFT25A，三极管Q1的直流工作点由图1中直流电源DC1(2.5VDC)和直流电源DC2(8VDC)进行偏置，使三极管Q1工作在饱和区。电阻R2用于将电流信号转换为电压信号，供后端测量电路使用。共基极前置放大器的电压增益由R2电阻决定，本发明中R2的取值为280Ω。

进一步的，用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路还包括行列加和电路；所述行列加和电路与SiPM阵列电连接，用于将SiPM阵列的行或列输出的电流信号经过所述共基极放大电路驱动后分别相加，得到行或列的总电流信号。一行(或列)中的8个SiPM信号被共基极放大电路驱动后相加，以减少读出通道数目。所述行列加和电路采用加法运算放大器进行电流信号的加和。

进一步的，如图1所示，所述SiPM阵列中，其中位于第一列第一行和第一列第二行的两个共基极放大电路中的三极管Q1的发射极，均分别与光传感器、探测器电容C1和接地电阻R1电连接。

基于实施例1，本发明还提供了用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路的读出方法，还包括闪烁晶体，所属闪烁晶体与SiPM光探测器连接，具体包括以下步骤：

S1，输入γ光子与闪烁晶体发生作用，产生并放出可见光光子，所述SiPM光探测器将闪烁晶体输出的可见光信号转换为电流信号；

S2，所述SiPM光探测器输出的电流信号，经由共基极放大电路中三极管Q1的发射极输入和驱动后，从三极管Q1的集电极输出；

S3，所述行列加和电路将SiPM阵列中的行或列输出的电流信号，经过所述共基极放大电路驱动后分别相加，得到行或列的总电流信号；

S4，对步骤S3中得到的行或列的总电流信号，进行能量和时间测量，最终反推得出输入γ光子的能量和到达时间。

进一步的，步骤S4还包括如下步骤：

通过判断所述SiPM阵列中行和列的输出电流信号的通道，来判断γ光子的入射位置坐标。

其中，步骤S1的过程中，γ光子先与闪烁晶体发生作用，在闪烁晶体内产生能量沉积(一般有多次能量沉积过程)并放出可见光光子，可见光光子经过闪烁晶体传输到SiPM光探测器并被转化为电流脉冲。

另外，本实施例还对传统电阻网络电路进行了仿真，以进行性能对比。传统电阻网络电路的具体结构如图2所示，图2中电阻R2(阻值1kΩ)对SiPM光探测器输出的电流信号分流，然后行和列分别通过运放进行加和，最终加和后的电流信号通过高速运放AD8000组成的电流灵敏放大器IC1进行放大。

如图3所示，为本发明电路和传统电阻网络电路的瞬态波形仿真后的一种效果图。从图中可以得知，显然相比传统电阻网络电路，本发明中的电路输出信号对信号的前沿损失较小，即电路带宽较高。

如图4所示，为本发明电路和传统电阻网络电路的AC性能仿真后的一种效果图。从图中可以得知，本发明电路在-3dB的带宽约为650MHz，传统电阻网络电路在-3dB的带宽约为170MHz，在相同条件下，本发明电路的带宽明显大于传统电阻网络电路的带宽。

如图5所示，为本发明电路和传统电阻网络电路的噪声性能仿真后的一种效果图。从图中可以得知，本发明电路输出噪声约为86uV，明显低于传统电阻网络电路的输出噪声。

综上所述，本发明中的用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路相比传统电阻网络电路带宽更高、噪声更小，更加适用于SiPM读出系统。

图3、图4和图5中，曲线CBA代表的是本发明中的用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路，曲线OPA代表的是传统电阻网络电路。

本发明摒弃使用大量电阻的方案，减小了电路寄生电容对信号的衰减，保证了信号带宽；本发明基于共基极放大电路，对SiPM输出的电流信号进行快放大和加和，减少由于电阻和运放带来的带宽损失和噪声，提高电路信噪比；本发明电路结构简单，节约硬件成本。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路，其特征在于，包括SiPM光探测器和若干个共基极放大电路；所有共基极放大电路电连接组成一个N行N列的SiPM阵列，N≥2；所述SiPM阵列与SiPM光探测器电连接。

2.根据权利要求1所述的用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路，其特征在于，所述SiPM光探测器包括光传感器、探测器电容C1和接地电阻R1；所述光传感器与探测器电容C1并联；所述接地电阻R1的一端分别与光传感器和探测器电容C1电连接，接地电阻R1的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路，其特征在于，所述共基极放大电路均包括三极管Q1、电阻R2和两个直流电源；一个直流电源的一端与三极管Q1的基极电连接，另一端接地；另一个直流电源的一端接地，另一端与电阻R2的一端电连接；电阻R2的另一端与三极管Q1的集电极电连接。

4.根据权利要求3所述的用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路，其特征在于，还包括行列加和电路；所述行列加和电路与SiPM阵列电连接，用于将SiPM阵列的行或列输出的电流信号经过所述共基极放大电路驱动后分别相加，得到行或列的总电流信号。

5.根据权利要求3或4所述的用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路，其特征在于，所述SiPM阵列中，其中两个位于同一列的相邻的共基极放大电路中的三极管Q1的发射极，均分别与光传感器、探测器电容C1和接地电阻R1电连接。

6.基于权利要求4所述的用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路的读出方法，还包括闪烁晶体，所属闪烁晶体与SiPM光探测器连接，其特征在于，包括以下步骤：

S1，输入γ光子与闪烁晶体发生作用，产生并放出可见光光子，所述SiPM光探测器将闪烁晶体输出的可见光信号转换为电流信号；

S2，所述SiPM光探测器输出的电流信号，经由共基极放大电路中三极管Q1的发射极输入和驱动后，从三极管Q1的集电极输出；

S3，所述行列加和电路将SiPM阵列中的行或列输出的电流信号，经过所述共基极放大电路驱动后分别相加，得到行或列的总电流信号；

S4，对步骤S3中得到的行或列的总电流信号，进行能量和时间测量，最终反推得出输入γ光子的能量和到达时间。

7.根据权利要求6所述的用于SiPM读出系统的共基极前置放大网络电路的读出方法，其特征在于，步骤S4还包括如下步骤：

通过判断所述SiPM阵列中行和列的输出电流信号的通道，来判断γ光子的入射位置坐标。

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