正电子发射断层（Positron Emission Tomography,PET）成像是现代生物医学成像领域中最高层次的成像技术之一,它可以无损伤地在分子水平观察生物体内代谢物的活动及生理变化,在生物医学研究以及临床诊断等领域具有广泛用途。PET成像系统由辐射探测器、前端读出电路和图像重建三部分组成,其中,前端读出是用作对成像所用探测器的输出微弱信号进行低噪声放大处理和量化。随着PET成像探测器的空间分辨率和像素数的不断提高,通道数也相应增加,前端读出电路必须具备低噪声、高精度、高速度、高可靠性、小体积、低功耗以及低成本等特点。因此将采用分立器件实现的多通道前端读出电路进行单片集成是PET成像技术发展的必然趋势。近年来,在探测器领域碲锌镉（Cd Zn Te）探测器作为新型半导体辐射探测器,具有探测效率高和可在室温下工作的特点,在PET成像系统中具有广阔的应用前景。基于Cd Zn Te探测器的应用,本文研究并实现了两款商用工艺制造的低噪声的PET成像前端读出芯片,主要的工作有:1.研究了PET成像前端读出电路中关键模块的单片集成技术。为了提高前端读出电路的线性度,研究与设计了一种能够有效减小成形时间漂移的成形电路以及一种高精度峰值电压检测和保持电路。为了实现低噪声读出,研究了多通道前端读出电路的低噪声优化设计方法,包括电路结构以及元件参数的优化设计。2.针对应用于临床诊断的PET成像系统,设计并实现了一款16通道前端读出电路芯片。该芯片包含能量检测通道和时间检测通道,能量检测通道中采用了成形时间漂移小的新型成形电路和高精度的峰值电压检测和保持电路,有效提高了前端读出电路的线性度。测试结果表明,该芯片的输入能量范围为2.4 f C～22.5 f C,转换增益为87 m V/f C,非线性误差小于0.4%,等效噪声电荷为109.7 e-,单通道功耗约为4.0 m W,通道间的不一致性小于0.3%,串扰小于2.0%。与Cd Zn Te探测器联合测试时,对241Am辐射源的能量分辨率为5%（2.975 ke V@FWHM）,时间移步小于4.0 ns。与同类研究成果相比,该芯片具有线性度高、噪声小和功耗低的特点。3.针对应用于小动物的PET/CT成像系统,设计并实现了一款基于ToT（Time-over-Threshold）读出策略的16通道前端读出电路芯片。基于ToT读出策略的前端读出电路具有结构简单、面积和功耗小的优点,尤其适用于像素面积小、空间分辨率高、通道数多的小动物PET/CT成像系统。本文对基于ToT读出策略的前端读出电路芯片结构进行了优化设计,芯片的测试结果表明,该芯片的输入能量范围为3.5 f C～56 f C,转换增益为0.84 ns/f C,非线性误差小于2.0%,等效噪声电荷为211.4 e-,单通道功耗约为1.82m W,通道间的不一致性小于1.6%,串扰小于1.5%。与同类研究成果相比,该芯片具有输入能量范围大、线性度好、噪声小和功耗低的特点。本论文的主要创新点如下:1.为了解决由于成形时间漂移导致的前端读出电路增益线性度劣化的问题,提出了一种利用高阻电路实现的成形电路,以减小成形时间的漂移。与现有技术相比,成形时间漂移平均减小了74%,增益非线性误差减小了89%,进而有利于提高PET成像系统整体的线性度和能量分辨率。2.为了提高峰值电压的检测精度,提出了一种高精度峰值电压检测和保持电路。该电路中通过采用迟滞比较器和可控延时单元,不仅可获取精确的峰值电压,而且能够消除噪声和毛刺的影响。与现有技术相比,峰值电压的平均检测误差减小了93%,进而改善了能量通道的峰值检测精度以及前端读出电路整体的增益线性度。3.针对基于ToT读出策略的前端读出电路,提出了一种低噪声、高线性度前端读出电路结构。采用成形滤波器代替积分器,以减小噪声和提高增益线性度,同时加入零极相消电路以消除成形器输出信号的拖尾。与现有技术相比,等效噪声电荷减小了约20%,有利于提高PET成像系统整体的能量分辨率和计数率。本文基于上述创新技术,分别针对应用于临床诊断的PET成像系统以及小动物PET/CT成像系统,采用商用0.35μm CMOS工艺,设计并实现了两款基于Cd Zn Te探测器的单片集成多通道PET成像前端读出电路芯片。所设计的前端读出电路芯片具有增益线性度高、噪声小和功耗低的特点,其性能指标满足PET成像系统对前端读出电路的要求。本文的研究成果对于探测器微弱信号的前端读出微电子学具有一定的理论意义,对于研发PET成像前端读出专用集成电路芯片具有重要的工程实用价值。