CN102804595B - 改进用于mri的低噪声前置放大器的输入阻抗 - Google Patents
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Abstract
前置放大器(46)包括具有公共源极配置的场效应晶体管(64)。当场效应晶体管的栅极被耦合到放大器输入电路(例如MRI线圈)时，场效应晶体管(64)的漏极被耦合到放大器输出端。该前置放大器还包括第一源-地连接部(66)和第二源-地连接部(68)。第一源-地引线(66)将场效应晶体管的源极耦合到放大器输入电路的接地节点，而第二源-地引线(68)将场效应晶体管的源极耦合到放大器输出电路的接地节点。结果，放大器输出电流基本在第二源-地引线(68)两端生成电压降。因此，放大器输入电路较少地受到任何公共源-地连接部两端的任何公共电压降的影响。
Description
本申请特别适用于医学成像系统。但是，应该认识到所描述的(多项)技术还适用于其他类型的成像系统、期望进行输入阻抗修改的其他系统和/或采用前置放大器的其他应用。
在磁共振成像中，表面或局部接收线圈输出很容易被噪声或反馈污染的非常弱的信号。理想地，在局部接收线圈上，匹配网络应该与非常高或无穷大的阻抗连接。另一方面，期望局部接收线圈输入端上的前置放大器面对相对低的阻抗。
在前置放大器内侧，通过FET设备的有源栅极-源极阻抗来定义输入阻抗。当源极接地端与前置放大器接地端和RF线圈接地端连接时，形成反馈环。这一反馈环不利地影响来自线圈的MR信号。
用于磁共振成像(MRI)系统的低噪声前置放大器被设计成具有最小噪声系数，并结合有在信号源(MRI天线)与前置放大器输入端之间的大阻抗失配。该大阻抗失配(例如大约1∶50)被用于降低天线上的电流并由此减轻MRI线圈阵列中的互感负效应。
经典前置放大器设计使用通常具有高电抗性(电容性)栅极的场效应晶体管(FET)设备。FET栅极的电阻分量部分归因于栅极电容的损失，且部分归因于放大信号的串联电压反馈。这一反馈是源极键合线和连接的PCB迹线的有限阻抗的结果，这导致来自漏极-源极电流的电压降，其有效地改变栅极-源极输入电压。
本领域中存在对这样的系统和方法的未满足的需求：其促进降低键合线引起的串联电压反馈并由此改进前置放大器的阻抗失配比等，由此克服上述缺陷。
根据一个方面，一种具有FET设备的前置放大器设备包括栅极、漏极、连接到浮动接地端的第一源极以及耦合到第二接地端的第二源极。
根据另一方面，一种降低FET前置放大器设备中的输入阻抗的方法包括利用第一源极中的第一源极电阻和第一源极阻抗以及第二源极中的第二源极电阻和第二源极阻抗隔离第一源极与第二源极，使得放大功率仅在漏极与第二源极之间流动而不增加前置放大器的输入侧的栅极处的阻抗。该方法还包括将第一源极连接到浮动接地端并且将第二源极连接到系统接地端。
一个优点是电压反馈被降低。
另一优点是改进了输入-输出阻抗比。
本领域普通技术人员在阅读和理解以下详细描述之后将认识到本主题创新的更多优点。
附图仅用于图示说明各个方面并且不应被解读为是限制性的。
图1图示说明磁共振成像系统；
图2图示说明包括耦合到具有第一和第二源极连接部的芯片的栅极和漏极的前置放大器电路FET设备；
图3图示说明前置放大器布置，其中平衡-不平衡转换器被耦合到前置放大器，例如以便实现用于确定散射参数和/或阻抗矩阵的测试设置；
图4图示说明根据在此描述的各个方面的改进前置放大器(例如FET设备)的输入-输出阻抗比的方法；
图5图示说明根据在此描述的各个方面的天线阵列，其包括紧密布置的多个天线，每个天线被耦合到专用FET前置放大器设备。
根据在此呈现的各种特征，描述了通过在源极触点中采用两根键合线来促进减轻在前置放大器输入端处面对的电压反馈的系统和方法。一根键合线连接磁共振线圈接地端，而另一源极键合线与前置放大器接地端连接。键合线中的每一个均具有固有的电感和电阻。以此方式，RF线圈具有消除在接收来自磁共振线圈的输出的输入端子两端的电压降的浮动接地端。尽管本创新是在局部磁共振线圈中的反馈问题的背景下描述的，其理念还适用于其他应用，其中分离的输入和输出接地端连接部是合适的并且期望使到输入端的电压反馈最小化。
参考图1，MRI系统10包括生成穿过检查区域14的时间恒定主磁场或B0磁场的主磁体12。梯度磁体16在序列控制器18的控制下生成横跨检查区域的梯度磁场。该序列控制器还控制RF发射器20以促使RF线圈22生成B1磁场以激励并操纵共振。
感生共振信号被表面或局部接收线圈组件24接收，该表面或局部接收线圈组件24通过引线或缆线26连接到MRI系统10的接收器28。重建处理器30将由局部线圈组件24接收的MR信号重建成图像表示，该图像表示被存储在图像存储器32中、显示在监视器34上等。
局部线圈组件24包括具有电抗40X和电阻40R的一个或多个线圈40。匹配电路42包括例如被连接成T网络的多个电抗42X1、42X2和42X3。匹配电路42将线圈40连接到前置放大器44，该前置放大器具有在线圈输入端46入与浮动线圈接地端46地之间的输入级处的FET设备46。前置放大器44具有经由引线26连接到接收器28的输出端44出以及经由该引线连接到接收器等的系统接地端的输出接地端44地。该FET设备包括栅极60、漏极62、第一源极66以及第二源极68。可选地，该前置放大器包括额外的放大器级69等。应该理解的是“源极”66、68指代FET设备上的源极连接部或引脚。
图2图示说明包括连接到输入端46入的栅极60和耦合到设备芯片64的漏极62的前置放大器电路FET设备46。该芯片具有耦合到局部线圈接地端46地的第一源极66和连接到输出或系统接地端44地的第二源极68。栅极60固有地具有与栅极电阻Rg串联的栅极电感Lg。该FET设备具有在栅极和源极之间的栅极到源极电容Cgs。该栅极到源极电容Cgs与栅极到源极电阻Rgs串联耦合，该栅极到源极电阻Rgs被耦合到总线70。由线圈40(图1)在栅极到源极电容Cgs和栅极到源极电阻Rgs两端施加栅极到源极电压Vgs。
漏极64定义与漏极电阻Rd串联的漏极电感Ld，该漏极电阻Rd被耦合到漏极到源极电容Cds、漏极到源极电阻Rds和恒定直流电流源72，这些元件相对彼此以并联布置耦合到总线70。电流源72供应由gm*Vgs定义的电流，其中gm是互导。
同样耦合到总线70的是第一源极66和第二源极68。第一源极连接部具有与第一源极电阻RS1串联的源极电感LS1。第一源极与例如局部线圈接地端46地的浮动接地端连接。第二源极20包括与第二源极电阻RS2串联的第二源极感应部件LS2。第二源极将总线70耦合到系统接地端。
浮动接地端46地和系统接地端44地(例如第一和第二FET源极)中的每一个均经由分离的键合线耦合到总线70，由此将前置放大器的输入端与不希望的电压反馈隔离开。在一个实施例中，芯片16包括耦合到总线70的两个(或更多个)引脚54、56，两个分离的源极耦合到这两个引脚。连接一个源极引脚(例如引脚54)到放大器的输入接地端46地并且连接第二源极引脚(例如引脚56)到该设备的输出接地端44地在两个接地端保持分离时降低了串联电压反馈。保持接地端分离在MRI线圈设计中是便利的，因为允许每个局部线圈相对于电路中的任何其他部件具有“浮动接地端”。在另一实施例中，可以通过使用“平衡-不平衡转换器”(平衡到不平衡)设备来将输入接地端和输出接地端彼此隔离开。
本发明采用了在设备封装体上具有至少两个分离的源极连接部的FET设备，从而使得源极引脚中的至少一个被连接到前置放大器的输入接地端46地，且源极引脚中的至少另一个被连接到前置放大器的输出接地端44地。因此前置放大器的输入接地端和输出接地端通过电阻RS1和RS2以及电感LS1和LS2而保持彼此分离(隔离)。以此方式，放大功率仅在漏极62与第二(输出侧)源极68之间流动，这使得至前置放大器的输入侧的反馈最小化。
该FET设备可以被用在包括低噪声前置放大器的局部MRI或MR光谱学线圈中，其中在线圈40与前置放大器44之间具有高阻抗失配。在另一实施例中，FET设备可以被用在使用紧密间隔的并因此耦合的天线阵列的射电天文学应用中。根据另一实施例，FET设备可以被用在需要源极与前置放大器之间的高阻抗失配的任何应用中。
根据一个实施例，在前置放大器的输入侧由跨导(transductance)gm导致的阻抗通过解耦输入源极和输出源极而被减小或消除。例如，在经典前置放大器布置中，输入阻抗可以被定义为：
通过隔离输入源极和输出源极(例如接地端)，仅在前置放大器的输出侧面对由跨导gm导致的阻抗，从而输入阻抗被定义为：
以此方式，输入阻抗的电阻分量被减小，由此改进了线圈与前置放大器之间的失配比。也就是说，输入端两端的电压降Vgs被极大地减小或去除，由此改进了前置放大器的输入端和输出端之间的阻抗比。
图3图示说明前置放大器布置80，其中平衡-不平衡转换器82被耦合到前置放大器44，例如以便实现用于确定散射参数的测试设置。平衡-不平衡转换器通过第一和第二连接部耦合到第一测试端口并耦合到前置放大器，这些连接部之一为输入接地端46地。前置放大器进一步通过一对连接部耦合到第二测试端口，这些连接部之一是输出接地端44地。以此方式，输入接地端和输出接地端被彼此隔离，由此确保放大功率仅从前置放大器的漏极流到输出端。保护了输入阻抗免受不希望的反馈影响，并且改进了前置放大器两端的阻抗比。
图4图示说明根据在此描述的各个方面增加线圈与前置放大器(例如FET设备)之间的阻抗失配的方法。在100处，前置放大器FET设备的输入侧源极被耦合到浮动接地端。在一个实施例中，该浮动接地端是MR设备的局部线圈或天线。在102处，输出侧源极被耦合到与浮动接地端分离并隔离开的第二接地端，例如系统接地端。在104处，输入侧源极和输出侧源极被保持分离以消除至FET设备的输入侧的反馈。以此方式，输入侧的阻抗被降低，从而增加了线圈与前置放大器之间的阻抗失配。
图5图示说明根据在此描述的各个方面包括紧密布置的多个线圈40的线圈阵列24的实施例，每个线圈被耦合到专用FET前置放大器设备44。该FET设备促进降低从FET的输出侧到其输入侧的电压反馈，并且可以被用在任何紧密间隔的和/或耦合的天线阵列中，例如用于射电天文学应用中的那些天线阵列等。
已经参考若干实施例描述了本发明。在阅读和理解之前的详细描述之后其他人员容易想到各种修改和变化。意在将本发明解读为包括所有这种修改和变化，只要它们都落在随附的权利要求及其等价物的范围内。
Claims (15)
1.一种具有FET设备(46)的前置放大器设备(44)，其包括：
栅极(60)；
漏极(62)；
耦合到浮动接地端(46地)的第一源极(66)；以及
耦合到第二接地端(44地)的第二源极(68)，
其中所述浮动接地端(46地)与所述第二接地端(44地)彼此隔离。
2.如权利要求1所述的前置放大器设备，其中：
所述FET设备的所述栅极具有栅极电抗Lg和栅极电阻Rg；
所述FET设备的所述漏极具有漏极电抗Ld和漏极电阻Rd；
所述第一源极具有第一源极电抗LS1和第一源极电阻RS1；并且
所述第二源极具有第二源极电抗LS2和第二源极电阻RS2；并且
其中，所述第一源极(66)和所述第二源极(68)通过所述第一源极电阻RS1、所述第二源极电阻RS2、所述第一源极电抗LS1以及所述第二源极电抗LS2彼此隔离。
3.如权利要求2所述的前置放大器设备(44)，其中，所述FET设备(46)具有串联耦合在所述栅极(60)与所述第一和第二源极(66、68)之间的栅极到源极电容(Cgs)和栅极到源极电阻(Rgs)。
4.如权利要求3所述的前置放大器设备(44)，其中，所述FET设备(46)具有并联耦合在所述漏极62与所述第一和第二源极(66、68)之间的漏极到源极电容(Cds)、漏极到源极电阻(Rds)以及直流电流源(72)。
5.如权利要求1-4中任一项所述的前置放大器设备(44)，其中，放大功率在所述漏极(62)与所述前置放大器(44)的输出侧上的所述第二源极(68)之间流动，并且不修改所述前置放大器(44)的输入侧上的阻抗。
6.一种线圈组件(24)，其包括：
线圈(40)，其耦合到如权利要求1所述的前置放大器设备(44)的所述栅极(60)和所述第一源极(66)，其中，所述浮动接地端(46地)是所述线圈组件的接地端。
7.一种MR设备(10)，其包括：
主磁体(14)，其生成穿过检查区域(14)的时间恒定B0磁场；
梯度磁体(16)，其生成横跨所述检查区域(14)的梯度磁场；
RF发射器(20)和RF线圈(22)，其生成横跨所述检查区域(14)的B1场；以及
如权利要求6所述的线圈组件(24)。
8.如权利要求7所述的MR设备，其还包括：
多个所述线圈组件(24)。
9.如权利要求7或8所述的MR设备，其还包括：
引线(26)，其将所述前置放大器(44)连接到接收器(28)并且连接所述第二源极(68)与所述接收器的系统接地端。
10.如权利要求1所述的前置放大器设备，其被用在天线阵列中。
11.如权利要求10所述的前置放大器设备，其中，所述天线阵列是射电天文学天线阵列。
12.一种使到如权利要求2-11中任一项所述的前置放大器设备(44)的输入阻抗降低的方法，其包括：
通过所述第一源极电阻(RS1)、所述第二源极电阻(RS2)、所述第一源极阻抗(LS1)以及所述第二源极阻抗(LS2)隔离所述第一和第二源极(66、68)。
13.一种降低FET前置放大器设备(46)中的输入阻抗的方法，其包括：
利用第一源极(66)中的第一源极电阻(RS1)和第一源极阻抗(LS1)和第二源极(68)中的第二源极电阻(RS2)和第二源极阻抗(LS2)隔离所述第一源极(66)与所述第二源极(68)，使得放大功率仅在漏极(62)和所述第二源极(68)之间流动并且不增加所述前置放大器的输入侧的栅极(60)处的阻抗；
将所述第一源极(66)连接到浮动接地端(46地)；以及
将所述第二源极(68)连接到系统接地端(44地)。
14.如权利要求13所述的方法，其还包括：
在所述FET设备(46)的所述栅极(60)中提供栅极电抗Lg和栅极电阻Rg；以及
在所述FET设备(46)的所述漏极(62)中提供漏极电抗Ld和漏极电阻Rd；
其中，所述FET设备(46)具有串联耦合在所述栅极(60)与所述第一和第二源极(66、68)之间的栅极到源极电容(Cgs)和栅极到源极电阻(Rgs)；并且
其中，所述FET设备(46)具有并联耦合在所述漏极(62)与所述第一和第二源极(66、68)之间的漏极到源极电容(Cds)、漏极到源极电阻(Rds)和直流电流源(72)。
15.如权利要求13-14中任一项所述的方法，其还包括：
将线圈(40)耦合到所述FET设备(46)的所述栅极(60)和所述第一源极(66)，其中，所述浮动接地端(46地)是所述线圈(40)的接地端。
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