CN105763161A - 一种用于核磁共振成像的低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于核磁共振成像的低噪声放大器，其特征在于包括两级共栅结构和一级共源结构，以满足核磁共振***需要低输入阻抗和低噪声的要求，前两级采用共栅结构，后一级采用共源结构，工作时前端的共栅结构能够在保持噪声的情况下降低输入阻抗，而两级的共栅结构能够进一步拉低输入阻抗。最后一级的共源能够提供较高的增益。本发明通过简化输入端的阻抗匹配，能够满足核磁共振***中低输入阻抗(1.5欧姆)的要求，同时保持良好的噪声特性。

Description

一种用于核磁共振成像的低噪声放大器
技术领域
本发明涉及核磁共振成像技术领域，特别是涉及一种用于核磁共振成像的低噪声放大器。
背景技术
在过去四十多年里，核磁共振成像已经成为最重要的医学成像技术之一。核磁共振成像***中，发射机发出的脉冲信号，使样品谐振吸收，然后迅速终止发射信号，在接收样品弛豫时发出的自由衰减信号。因此，接收到的信号极为微弱，大约只有-30dBm至-110dBm。实现微弱信号的分析和处理对前置放大器***的性能提出了极高的要求。通常需要低噪声放大器放大信号以便后面进行处理，信噪比是***的重要参数，所以低噪声放大器的噪声参数显得尤为重要。同时，为了和前端的接收天线相匹配，在保证低噪声系数的同时，也要满足低的输入阻抗，给低噪声放大器提出了新的要求。核磁共振成像***所涉及到的频率主要为63.8MHz和128MHz这两个点频。目前核磁共振成像***中低噪声放大器的瓶颈在于同时满足低噪声系数和低输入阻抗。从而引导出本发明的构思。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于核磁共振成像的低噪声放大器，使所提供的低噪声放大器能够同时满足低噪声系数和低输入阻抗，并且又提供较高的增益。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于核磁共振成像的低噪声放大器，包括两级共栅结构和一级共源结构，前两级采用共栅结构，后一级采用共源结构，如图1所示。其中，RFin是指放大器的射频输入，RFout是指放大器的射频输出，匹配网络是在第三级放大电路输出端与后续电路匹配结构，目的是为了减少回波和提高增益。工作时前端的共栅结构能够在保持噪声的情况下降低输入阻抗，而两级的共栅结构能够进一步拉低输入阻抗。最后一级的共源能够提供较高的增益。
低噪声放大器第一级采用能够保持良好噪声的同时降低输入阻抗的共栅结构，在共栅结构下，小信号分析如图2所示，Vin是共栅级的输入小信号，V1是栅源电压，gm是跨导，r0是管子的本征电阻，RD是负载电阻；
输入阻抗为
R i n = R D + r o 1 + g m r o - - - ( 1 )
其中RD为第一级的负载阻抗，gm为跨导，ro为漏源电阻，而μ为管子中载流子迁移率，COX为栅极单位电容，W为沟道宽度，L为沟道长度，ID为偏置电流。
根据上述分析，在电流ID不变的情况下，主要利用并联若干个晶体管和选择合适的宽长比来提高总的等效宽长比(W/L)，从而可以提高gm，降低输入阻抗Rin，这样就实现了不需要额外的匹配即达到预设的低输入阻抗。第二级仍采用能够降低输入阻抗的共栅结构，目的在于进一步降低输入阻抗，因为第二级的输入阻抗Rin2作为第一级的负载RD同样也影响到第一级的输入阻抗Rin，根据上述公式，采用较小的Rin2即RD也能够降低Rin。与第一级相同，采用并联若干个晶体管和选择合适的长宽比来控制输入阻抗。
低噪声放大器第三级采用共源结构，共源结构能够提供较高的增益，通过合适的直流偏置实现预设的增益要求。并且在输出端加入匹配结构，通过减少回波损耗从而进一步提高增益，匹配结构还能够方便后续电路相连。
总之，本发明的特征为：
(1)所述的低噪声放大器包括两级共栅结构和一级共源结构，前两级采用共栅结构，第三级采用共源结构，前端的共栅结构能够在保持噪声的情况下降低输入阻抗，且两级的共栅结构能够进一步拉低输入阻抗；第三级的共源结构能够提供较高的增益。
(2)低噪声放大器第一级采用能够保持良好噪声的同时降低输入阻抗的共栅结构，利用并联若干个晶体管和选择合适的长宽比来调节输入阻抗。
(3)低噪声放大器的第二级仍采用能够降低输入阻抗的共栅结构，第二级的输入阻抗作为第一级的负载同样也影响到第一级的输入阻抗。与第一级相同，采用并联若干个晶体管和选择合适的长宽比来控制输入阻抗。
(4)低噪声放大器的第三级采用共源结构，能够提高较高的增益。
(5)在输出端加入阻抗匹配，以便与后续电路相连，并且降低回波损耗和进一步提高增益。
(6)所述的低噪声放大器还包括第三级共源结构的输出端加入匹配网络；所述的匹配网络是在第三级放大电路输出端与后续电路匹配结构，以减少回波并提高增益。
由于一般的低噪声放大器通常采用的是共源结构相互级联。在核磁共振***，由于低噪声系数和低输入阻抗的特殊要求。通常的共源放大结构难以兼顾低噪声系数和低输入阻抗的要求，低输入阻抗也带来匹配电路的复杂性，在63.8和128MHz这样的频率下，电感器件的Q值通常较低，复杂的匹配电路会引起较大的额外噪声。本发明的新型低噪声放大器不需要额外的匹配电路即可实现低输入阻抗，能够同时满足低输入阻抗和低噪声系数的要求。信噪比对核磁共振成像质量有决定性作用，本发明在满足与前端天线匹配提供高的增益的情况下，还能得到高信噪比的放大信号，所以本发明提供的低噪声放大器能够提高核磁共振成像质量。
附图说明
图1是本发明提供的中低噪声放大器电路结构图；
图2是本发明中共栅结构的小信号分析图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而决非用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明使用如图1所示的两级共栅加一级共源放大器组成低输入阻抗的低噪声放大器，用于核磁共振成像***中。两级共栅结构能够不需要额外的匹配电路即可实现低输入阻抗，能够同时满足低输入阻抗和低噪声系数的要求。而在共源级的输出端加入匹配网络，进一步提高增益。
低噪声放大器的晶体管选用并联的赝调制掺杂异质结场效应晶体管(pHEMT)。pHEMT具有很好的高频、高速性能，噪声系数小，合适核磁共振成像的低噪声放大器要求。
在第一级共栅放大电路中，在pHEMT工艺库，第一级采用并联10个左右的多指数100μm栅宽pHEMT。根据公式1，由于采用较大的宽长比，在13mA的偏置电流下，输入阻抗可以降低到2欧姆以下，并且噪声系数控制在0.1dB以下。
第二级共栅放大电路中，依然采用同一工艺库的并联多指数100μm栅宽pHEMT，并联管子的个数可以减少到4个左右。同时偏置电流也可减少到2mA，第二级的输入阻抗对整体电路的输入阻抗由公式1决定，第二级的输入阻抗是第一级的负载，根据公式1，减少第二级的输入阻抗同样可以降低电路的输入抗阻，使其达到2欧姆以下。
第三级共源放大电路中，采用pHEMT的共源放大电路结构，并联管子的个数可以进一步减少到1至4个。前两级的共栅放大电路提供的增益大概为7dB，并且受到负载的影响，在第三级采用共源放大电路提高增益的同时，提供稳定的第三级输入阻抗(即为前两级的负载)。而放大器的输出需要连接后续电路，所以采用图1中的匹配网络将输出端与负载阻抗匹配，在5mA的第三级偏置电流下，使得整体电路的增益提高到30dB以上。
总之，本发明提供的低噪声放大器有望应用于核磁共振成型***，可同时满足低输入阻抗和低噪声系数的要求。由于噪声系数主要由第一级放大电路决定，在核磁共振成像***两个主要频点63.8MHz和128MHz上可以得到整体的放大电路增益在30dB以上，噪声系数保持在0.1dB，输入阻抗约为1.5欧姆，而总电流为20mA。

Claims (10)

1.一种用于核磁共振成像的低噪声放大器，其特征在于所述的低噪声放大器包括两级共栅结构和一级共源结构，前两级采用共栅结构，第三级采用共源结构，前端的共栅结构能够在保持噪声的情况下降低输入阻抗，且两级的共栅结构能够进一步拉低输入阻抗；第三级的共源结构能够提供较高的增益。
2.按权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于所述的低噪声放大器第一级采用能够保持良好噪声的同时降低输入阻抗的共栅结构，利用并联若干个晶体管和选择合适的长宽比来调节输入阻抗。
3.按权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于所述的低噪声放大器的第二级仍采用能够降低输入阻抗的共栅结构，第二级的输入阻抗作为第一级的负载同样也影响到第一级的输入阻抗；与第一级相同也采用并联若干个晶体管和选择合适的长宽比来控制输入阻抗。
4.按权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于所述的低噪声放大器还包括第三级共源结构的输出端加入匹配网络；所述的匹配网络是在第三级放大电路输出端与后续电路匹配结构，以减少回波并提高增益。
5.按权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于低噪声放大器的晶体管选用并联的赝调制掺杂异质结场效应晶体管pHEMT。
6.按权利要求1或2所述的低噪声放大器，其特征在于在第一级共栅放大电路中在pHEMT工艺库，采用并联10个多指数100μm栅宽pHEMT，采用较大的宽长比，在13mA的偏置电流下，输入阻抗降低到2欧姆以下，并且噪声系数控制在0.1dB以下。
7.按权利要求1或3所述的低噪声放大器，其特征在于第二级共栅放大电路中，依然采用与第一级共栅放大电路同一工艺库的并联多指数100μm栅宽pHEMT，并联管子的个数减少到4个，同时偏置电流减少到2mA，第二级的输入阻抗对整体电路的输入阻抗由决定，其中RD为第一级的负载阻抗，gm为跨导，ro为漏源电阻，而μ为管子中载流子迁移率，COX为栅极单位电容，W为沟道宽度，L为沟道长度，ID为偏置电流；第二级的输入阻抗是第一级的负载，减少第二级的输入阻抗同样可以降低电路的输入抗阻，达到2欧姆以下。
8.按权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于第三级共源放大电路中，采用pHEMT的共源放大电路结构，并联管子的个数进一步减少到1至4个；前两级的共栅放大电路提供的增益为7dB，并且受到负载的影响，在第三级采用共源放大电路提高增益的同时，提供稳定的第三级输入阻抗，而放大器的输出需要连接后续电路，采用匹配网络将输出端与负载阻抗匹配，在5mA的第三级偏置电流下，使得整体电路的增益提高到30dB以上。
9.按权利要求1-4中任一项所述的低噪声放大器的应用，其特征在于用于核磁共振成像，同时满足低输入阻抗和低噪声系数的要求。
10.按权利要求9所述的应用，其特征在于在核磁共振成像***63.8MHz和128MHz两个频率点上，整体的放大电路增益在30dB以上，噪声系数保持在0.1dB，输入阻抗为1.5欧姆，而总电流仅为20mA。
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