Analysis and development of an high performance preamplifier for positron emission tomography applications

Positron emission tomography is a nuclear imaging technique based on the coincident detection of both gamma photons originated by a positron-electron annihilation event. This procedure allows to obtain 3D distributions of radiopharmaceuticals injected into patients, which may give information about the metabolism related with these substances. Gamma radiation detectors technologies has evolved during the last decades, pushing the characteristics of the PET systems to the limit. However, front end electronics have undergone a slower development. The main purpose of this thesis project is the study and the realization of a preamplifier in CMOS 0.35um technology, which can be integrated to constitute the first stage of the analog channels of an ASIC system. This preamplifier shall be able to read the signal generated by a photosensor and retain as much as possible the characteristics of this output signal. The first step for the realization of this work was a careful analysis of the existing architectures, presenting a review of the latter and trying to meet the greatest limitations with which we would have faced. Afterwards, three similar structures were proposed, coming from an already existing architecture (Flipped Voltage Follower), with which it was possible to obtain very high performance in terms of signal bandwidth. To conclude, a current comparator has been proposed, which can be combined with such preamplifier so as to detect any incoming 'valid' signals. This is a very important operation in TOF- PET diagnostic systems, in which the speed of detection of the signal is essential.

La tomografia ad emissione di positroni (PET) è una tecnica di diagnostica per immagini basata sul rilevamento di due raggi gamma generati dall’annichilazione di un positrone ed un elettrone. Questo procedimento permette di elaborare distribuzioni tridimensionali del radiofarmaco che viene somministrato al paziente, mediante le quali è possibile ricavare informazioni del processo metabolico relazionato con tale sostanza. I rilevatori di radiazioni gamma hanno subito un notevole sviluppo negli ultimi anni, spingendo le caratteristiche dei sistemi PET fino ai loro limiti. Sfortunatamente non si può dire lo stesso della elettronica relazionata a questi sistemi, che ha avuto uno sviluppo più lento. Lo scopo principale di questo progetto di tesi è lo studio e la realizzazione di un preamplificatore in tecnologia CMOS 0.35um, che possa essere integrato costituire il primo stadio dei canali analogici di un sistema ASIC. Tale preamplificatore deve essere in grado di leggere il segnale generato da un fotosensore e conservarne il più possibile le caratteristiche di tale segnale in uscita. Il primo passo per la realizzazione di questo lavoro è stato un’attenta analisi delle architetture già esistenti, presentando una rassegna di queste ultime e cercando di incontrare quali fossero le maggiori limitazioni con le quali ci saremmo dovuti affrontare. Successivamente sono state proposte tre simili strutture, procedenti da una già esistente architettura (Flipped Voltage Follower), con le quali si fosse in grado di ottenere altissime prestazioni in termini di banda del segnale. Per concludere, è stato proposto un comparatore in corrente, che possa essere combinato con tale preamplificatore in modo da individuare qualsiasi segnale “valido” in arrivo, operazione assai importante in sistemi di diagnostica TOF-PET in cui la velocità di rilevazione del segnale è essenziale.