DE4024165C2 - Schutzschaltung für den Eingangstransistor eines Empfangsverstärkers in Kernspinresonanz-Anlagen - Google Patents
Schutzschaltung für den Eingangstransistor eines Empfangsverstärkers in Kernspinresonanz-AnlagenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Empfangsverstärker in Kernspin
resonanz-Anlagen mit einem Eingangstransistor.
In Kernspinresonanz-Anlagen wird über eine Sende-Empfangsweiche
ein relativ leistungsstarker Sendeimpuls an eine Sendeantenne
gegeben. Dieselbe Antenne empfängt um Größenordnungen kleinere
Empfangssignale, die über die Sende-Empfangsweiche an einen
Empfangs-Verstärker weitergegeben werden. Durch die unvermeid
baren Schaltkapazitäten in der Sende-Empfangsweiche ist eine
vollständige elektrische Trennung des Empfangsverstärkers wäh
rend des Sendevorgangs nicht möglich, so daß Reste des Sende
signals über die Sende-Empfangsweiche zum Empfangsverstärker
gelangen. Daher wurde der Empfangsverstärker bisher mit Feld
effekt-Eingangstransistoren ausgerüstet, die einen hohen Ein
gangswiderstand aufweisen, der sie unempfindlich gegen die ein
gekoppelten Ströme aus dem Sendesignal macht. Verstärkerstufen
mit Feldeffekttransistoren können jedoch nur relativ schmalban
dige Signale verarbeitet.
Soll nun ein einziger Breitbandvorverstärker die verschiedenen
schmalbandigen Empfangsverstärker ersetzen, so muß als Eingangs
transistor ein Bipolar-Transistor eingesetzt werden. Bipolar-
Transistoren können jedoch - wegen ihres niedrigen Eingangs
widerstands - durch die vom Sender herrührenden Stromspitzen
allmählich zerstört werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schutz
schaltung für den Eingangstransistor eines Empfangs-Vorverstär
kers in Kernspinresonanz-Anlagen anzugeben, die verhindert, daß
der Eingangstransistor während des Sendens bei Spannungsspitzen
am Eingang durch einen zu hohen Basisstrom zerstört wird.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Basis des Eingangstran
sistors mit einer Schutzschaltung verbunden ist, die die Span
nung an der Basis-Emitter-Strecke des Eingangstransistors nur
während eines Hochfrequenz-Sendeimpulses in den Sperrbereich
verschiebt, wobei die Spannung durch Gleichrichtung eines Bruch
teils des Hochfrequenz-Sendeimpulses erzeugt wird. Die Sperrvor
spannung verhindert sicher, daß der Eingangstransistor durch
einen zu hohen Basisstrom zerstört wird. Da die Spannung durch
Gleichrichtung aus dem Hochfrequenzsendeimpulses erzeugt wird,
ist somit kein Schalter nötig, der die Spannung nur während des
Sendevorgangs an die Basis-Emitterstrecke anlegt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch
aus, daß die Schutzschaltung eine Parallelschaltung eines Kon
densators mit einem Widerstand umfaßt, wobei die Parallelschal
tung zwischen der Basis und dem Eingang des Empfangsverstärkers
angeordnet ist. Hier wird die Basis-Emitterstrecke als Gleich
richterdiode verwendet, um den Kondensator der Schutzschaltung
aufzuladen. Da der Kondensator im Basiskreis des Transistors
angeordnet ist, kann er eine relativ kleine Kapazität aufweisen,
so daß der Eingangstransistor durch den einmaligen Ladestrom
nicht zerstört wird. Der parallel geschaltete Widerstand entlädt
den Kondensator nach Beendigung des Sendevorgangs.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch
aus, daß zwischen dem Eingang und der Schutzschaltung zusätzlich
eine Spannungsbegrenzerschaltung angeordnet ist. Dadurch können
auch sehr leistungsstarke Sendeimpulse in der Größenordnung von
15 kW den Eingangstransistor nicht zerstören.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch
aus, daß am Eingang und am Ausgang der Spannungsbegrenzerschal
tung jeweils im Querzweig zwei parallelgeschaltete Dioden ange
ordnet sind und daß zwischen dem Eingang und dem Ausgang im
Längszweig ein Leitungsstück mit einer Länge, die kleiner als
1/4 der Wellenlänge einer Welle auf der Leitung ist, angeordnet
ist. Damit können noch Stromspitzen am Eingang von z. B. 1 A ab
geleitet werden. Bei Anpassung des zwischengeschalteten Lei
tungsstücks treten keine Reflexionen zwischen dem Eingang des
Empfangsverstärkers und der Antenne auf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von einer
Figur erläutert. Die Figur zeigt einen Empfangsverstärker mit einer
Schutzschaltung und einer vor der Schutzschaltung angeordneten
Spannungsbegrenzerschaltung.
In der Figur ist der Eingang eines Empfangsverstärkers für eine
Kernspinresonanz-Anlage mit E bezeichnet. Der Eingang E ist mit
dem Eingang 2 einer Spannungsbegrenzerschaltung 4 verbunden. Der
Ausgang 6 der Spannungsbegrenzerschaltung 4 ist mit dem Eingang
8 einer Schutzschaltung 10 verbunden, während der Ausgang 12 der
Schutzschaltung 10 mit der Basis B eines bipolaren Eingangstran
sistors T verbunden ist. Der Eingangstransistor T ist hier ein
npn-Transistor. Die Hintereinanderschaltung der Spannungsbegren
zerschaltung 4 und der Schutzschaltung 10 eignet sich besonders
zum Schutz des Transistors T, wenn leistungsstarke Impulse von
z. B. 15 kW gesendet werden. Bei herabgesetzer Sendeleistung oder
bei kleineren Schaltkapazitäten in der Sende-Empfangsweiche kann
auf die Spannungsbegrenzerschaltung 4 verzichtet werden. Dann
ist der Eingang 8 der Schutzschaltung 10 direkt mit dem Eingang
E des Empfangs-Vorverstärkers verbunden. Am Ausgang A wird das
durch den Transistor T verstärkte Signal an die zweite Stufe im
Empfangsverstärker weitergegeben.
Ein Widerstand R2 im Emitterzweig, ein Widerstand R3 im Kollek
torkreis des Transistors T und eine Drossel Dr zwischen dem Ein
gang 8 und dem Bezugspotential dienen zusammen mit den beiden
Gleichspannungsquellen +U und -U der Arbeitspunkteinstellung des
Transistors T. Wechselspannungsmäßig ist der Emitter des Transi
stors T über den Kondensator C2 mit dem Bezugspotential verbun
den. Seine Kapazität ist so hoch wie möglich gewählt, da jeder
Widerstand zwischen dem Emitter des Transistors T und dem Bezugs
potential die Steilheit des Transistors T herabsetzt.
Die Schutzschaltung 4 ist wie folgt aufgebaut. Zwischen dem Ein
gang 2 und dem Bezugspotential sind zwei Dioden D1 und D2 anti
parallel als erster Begrenzer geschaltet. Ein zweiter Begrenzer
ist durch die Dioden D3 und D4 zwischen dem Ausgang 6 und dem
Bezugspotential gebildet. Weiterhin ist zwischen dem Eingang 2
und dem Ausgang 6 ein als Reiheninduktivität wirkendes, kurzes
Leitungsstück L angordnet. Der Wellenwiderstand des Leitungs
stückes L ist dem Wellenwiderstand der Antenne angepaßt und
beträgt z. B. Z0 = 50 Ohm. Um als Induktivität zu wirken, muß
das Leitungsstück im Vergleich zur Wellenlänge der darauf lau
fenden Welle kürzer als ein Viertel der Wellenlänge ausgebildet
sein. Die Induktivität ist dann proportional der Länge des
Leitungsstücks.
Die Schutzschaltung 10 besteht aus einer Parallelschaltung eines
Kondensators C1 mit einem Widerstand R1. Diese Parallelschaltung
ist zwischen dem Eingang 8 und dem Ausgang 12 geschaltet.
Der Kondensator kann hier, da er im Basiskreis angeordnet ist,
relativ klein gewählt werden, so daß er für die Sendefrequenz
ungefähr einen Blindwiderstand in der Höhe des Wellenwiderstands
darstellt.
Der Spannungsbegrenzer 4 leitet eine vom Sender herrührende
Stromspitze i1 von z. B. 1 A über die Dioden D1 und D2 zum Be
zugspotential ab. Die noch anstehende Restspannung wird weiter
reduziert durch die Spannungsteilung des als Reiheninduktivität
wirkenden Leitungsstückes L und den antiparallelen Dioden D3 und
D4. Die an den Dioden D3 und D4 auftretenden kleinen Spannungs
spitzen würden jedoch ohne zwischengeschaltete Schutzschaltung
10 den Eingangstransistor T durch einen zu hohen Basisstrom
allmählich zerstören.
Durch die im Sendefall verbleibende kleine Restspannung an den
antiparallelen Dioden D3 und D4 werden der Kondensator C1 und der
Kondensator C2 über die Diode der Basis-Emitterstrecke des Tran
sistors T einmalig auf eine positive Spannung gegen das Bezugs
potential aufgeladen, wenn der Transistor T ein npn-Transistor
ist. Dabei nimmt der Kondensator C1 infolge seiner 10 bis 15 mal
kleineren Kapazität gegenüber dem Kondensator C2 den größten
Teil dieser Spannung auf. Diese Spannung verhindert, daß weitere
Spannungspitzen einen Strom in die Basis B des Transistors T ver
ursachen. Der Arbeitspunkt der Basis B des Transistors T ist
durch die Gleichrichtung während des Sendeimpulses zum Negativen
hin in das Sperrgebiet verschoben, so daß nur noch eine sehr
kurze, harmlose Stromspitze am Beginn des Sendeimpulses fließt.
Andererseits wird im Empfangsfall das Empfangssignal durch die
Schutzschaltung 10 nicht beeinträchtigt. Der Widerstand R1 ent
lädt den Kondensator C1 in der Zeit zwischen dem Ende des Sen
deimpulses und dem Beginn der Empfangsphase. Die durch das Emp
fangssignal hervorgerufenen Basisströme sind um Größenordnungen
kleiner als der Basisruhestrom im Transistor T, z. B. sind die
vom Empfangssignal hervorgerufenen Basisströme im Bereich von
µA, während der Basisruhestrom im Bereich von mA liegt. Der
Arbeitspunkt für die Basis-Emitterstrecke ist durch Wahl des
Widerstandes R2 und der Versorgungsspannung -U so eingestellt,
daß für die Empfangssignale keine Gleichrichtung erfolgt.
Claims (4)
1. Empfangsverstärker in Kernspinresonanz-Anlagen mit einem Ein
gangstransistor (T), dadurch gekennzeich
net, daß die Basis (B) des Eingangstransistors (T) mit
einer Schutzschaltung (10) verbunden ist, die die Spannung an
der Basis-Emitter-Strecke des Eingangstransistors (T) nur wäh
rend eines Hochfrequenz-Sendeimpulses in den Sperrbereich ver
schiebt, wobei die Spannung durch Gleichrichtung eines Bruch
teils des Hochfrequenz-Sendeimpulses erzeugt wird.
2. Empfangsverstärker nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schutzschaltung (10) eine
Parallelschaltung eines Kondensators (C1) mit einem Widerstand
(R1) umfaßt, wobei die Parallelschaltung zwischen der Basis (B)
und dem Eingang (E) des Empfangsverstärkers angeordnet ist.
3. Empfangsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingang (E)
und der Schutzschaltung (10) zusätzlich eine Spannungsbegren
zerschaltung (4) angordnet ist.
4. Empfangsverstärker nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß am Eingang (2) und am Ausgang
(6) der Spannungsbegrenzerschaltung (4) jeweils im Querzweig
zwei antiparallel geschaltete Dioden (D1, D2 bzw. D3, D4) ange
ordnet sind und daß zwischen dem Eingang (2) und dem Ausgang
(6) im Längszweig ein Leitungsstück (L) mit einer Länge, die
kleiner als ein Viertel der Wellenlänge einer Welle auf der
Leitung ist, angeordnet ist.
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