CN111812567A - 具有有源反馈补偿的单级放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有有源反馈补偿的单级放大器。本发明涉及一种用于磁共振断层成像装置的具有一个信号放大级的单级高频放大器，其特别是作为局部线圈中的低噪声前置放大器。高频放大器具有信号输入端、信号放大器、信号放大器的信号输出端和移相器。移相器与信号放大器的信号输出端和信号输入端信号连接，并且被设计为用于，以预先确定的相移，将信号放大器的输出信号的预先确定的部分，耦合到信号放大器的信号输入端中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于磁共振断层成像装置的天线线圈的前置放大器。
背景技术
磁共振断层成像装置是如下成像装置，为了对检查对象进行成像，这些成像装置利用强的外部磁场将检查对象的核自旋对齐，并且通过交变磁场激励核自旋围绕该对齐进动。自旋从该激励状态到具有较小的能量的状态的进动或返回，作为响应又产生交变磁场，经由天线接收该交变磁场。
借助梯度磁场对这些信号进行位置编码，位置编码随后使得接收到的信号能够与体积元相关联。然后，对接收到的信号进行分析，并且提供检查对象的三维成像显示。
在此，要接收的磁共振信号极其微弱并且接近噪声极限。因此，优选直接在通常实施为天线线圈的天线上，通过低噪声前置放大器、也称为LNA(low noise amplifier，低噪声放大器)进行前置放大。在此，由于信号随着时间指数下降，因此除了小的噪声系数之外，还需要大的动态范围和高的线性性。这可以通过在需要相对大的静态电流的特征曲线的线性范围内运行来实现(也称为A类放大器)。同时，单个放大器级的放大例如由于寄生电容而受反馈趋势限制。
因此，在现有技术中，通常使用由两个有源半导体元件构成的所谓的级联电路(Kaskode-Schaltung)，以将输出与输入解耦，但是这又导致功率消耗加倍以及相应的热产生，这种热产生特别是在直接在患者上的局部线圈的天线矩阵中导致不期望的发热。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种更好的天线前置放大器。
上述技术问题通过根据本发明的高频放大器和根据本发明的局部线圈来解决。
根据本发明的单级高频放大器具有信号输入端、信号放大器和信号放大器的信号输出端。在此，将如下有源元件视为信号放大器，该有源元件对施加在信号输入端处的信号的幅值进行放大，并且在信号放大器的信号输出端处将信号输出。在此，信号放大器可以是电压和/或电流放大器。在此，特别是将信号放大超过6dB、12dB、18dB、24dB、40dB或更多视为放大。此外，高频放大器具有移相器。移相器与信号放大器的信号输出端和信号输入端信号连接，并且被设计为用于，将具有预先确定的相移的信号放大器的输出信号的预先确定的部分，耦合到信号放大器的信号输入端中。在此，输出信号的该部分优选小于输出信号，换言之，在将输出信号耦合到信号输入端中之前，使输出信号衰减超过6dB、12dB、18dB或40dB。
根据本发明的单级高频放大器尽管在一个级中进行大的放大，但是通过移相器仍然使得能够以有利的方式实现稳定的运行，因此通过省去第二放大器级，实现具有小的功率损耗的节能的运行。
根据本发明的局部线圈具有根据本发明的单级高频放大器和天线线圈。此外，局部线圈具有信号输出端、混频器或者模拟/数字转换器。在此，仅一个信号放大器布置在天线线圈与信号输出端、混频器或者模拟/数字转换器之间的信号路径中。换言之，在通过模拟/数字转换器将天线线圈的信号数字化，或者经由信号输出端(必要时在通过混频器进行频率转换之后)经由信号线路或者以无线方式将天线线圈的信号转发到磁共振断层成像装置之前，仅通过一个信号放大器对天线线圈的信号进行前置放大。话虽如此，在信号路径中存在无源或者有源元件用于进行滤波或者适配。在此，特别是将信号放大超过6dB、12dB、18dB、24dB、40dB或更多视为前置放大。
单级高频放大器和设置有单级高频放大器的局部线圈使得能够以有利的方式直接在信号源处对天线信号进行稳定并且大的前置放大，在此不会由于多个有源信号放大级而增大功率损耗，从而在患者上产生不期望的废热。
下面给出其它有利的实施方式。
在根据本发明的高频放大器的一个可以想到的实施方式中，移相器具有放大器元件。在此，特别是将双极型晶体管视为放大器元件，但是也可以想到被设计为用于对信号进行放大并且特别是将信号输入端与来自信号输出端的反馈解耦的其它有源元件，例如也可以想到场效应晶体管。在此，移相器被设计为用于，将根据反相信号的信号耦合到信号放大器的信号输入端中。在一个优选实施方式中，移相器具有使用放大器元件的电路，该电路使输入信号反相，并且由此借助无源元件，将输入信号耦合到信号放大器的信号输入端中。在此，放大器元件不一定作为狭义上的放大器起作用，在狭义上的放大器中，在移相器的信号输入端与信号输出端之间，信号的绝对值增大。相反，重要的是，从移相器的信号输出端到移相器的信号输入端的反馈明显减小或者得到抑制，例如减小6dB、12dB、18dB或40dB。
移相器中的具有放大器元件的反相器以有利的方式防止输出端到输入端的不期望的反馈，并且在增益小的情况下，仍然能够以小的功率消耗提供反相器。
在根据本发明的高频放大器的一个可能的实施方式中，在放大器元件与输入端之间，布置有具有复电阻的一个或多个无源元件。这例如可以是电阻、电容或电感或者其组合，其被设计为用于提供耦合到信号放大器的信号输入端中的信号的附加的预先确定的相移。
以有利的方式，复电阻允许超过反相器的180度的相移的灵活的变化。
在一个可以想到的实施方式中，高频放大器的信号放大器具有场效应晶体管。
与双极型晶体管相比，场效应晶体管以有利并且简单的方式，使得能够以更低的功率需求和更小的噪声实现高频信号放大。
在根据本发明的高频放大器的一个可能的实施方式中，放大器元件是共发射极电路(Emitterschaltung)中的双极型晶体管。
发射极电路中的双极型晶体管以价格低廉并且节能的方式提供反相器，利用其，可以将输出信号的相位移动180度。
附图说明
结合对下面结合附图详细说明的实施例的描述，上面描述的本发明的特性、特征和优点以及其实现方式，将变得更清楚并且更容易理解。
图1示出了具有根据本发明的局部线圈的磁共振断层成像装置的示意性概览图；
图2示出了根据本发明的单级高频放大器的示例性电路的示意图；
图3示出了根据本发明的单级高频放大器的示例性电路的示意图；
图4示出了根据本发明的单级高频放大器的示例性电路的示意图。
具体实施方式
图1示出了具有根据本发明的局部线圈50的磁共振断层成像装置1的一个实施方式的示意图。
磁体单元10具有场磁体11，场磁体11在记录区域中产生静磁场B0，用于对齐样品或患者100的核自旋。记录区域的特征在于极其均匀的静磁场B0，其中，均匀性特别是涉及磁场强度或者量值。记录区域几乎是球形的，并且布置在患者通道16中，患者通道16沿着纵向方向2延伸通过磁体单元10。移动单元36使患者床30在患者通道16中可移动。场磁体11通常是可以提供具有高达3T的磁通密度、在最新的设备的情况下甚至更高的磁场的超导磁体。然而，对于较低的场强，也可以使用永磁体或者具有正常导电的线圈的电磁体。
此外，磁体单元10具有梯度线圈12，梯度线圈12被设计为用于将磁场B0与可变磁场在三个空间方向上叠加，以对所采集的检查体积中的成像区域进行空间区分。梯度线圈12通常是由正常导电的金属丝构成的线圈，其可以在检查体积中产生彼此正交的场。
磁体单元10还具有身体线圈14，身体线圈14被设计为用于向检查体积中辐射经由信号导线馈送的高频信号，接收由患者100发出的共振信号，并且经由信号导线输出。
控制单元20向磁体单元10供应用于梯度线圈12和身体线圈14的不同的信号，并且对接收到的信号进行分析。
因此，控制单元20具有梯度控制器21，梯度控制器21被设计为用于经由馈电线向梯度线圈12供应可变电流，可变电流以时间协调的方式在检查体积中提供所希望的梯度场。
此外，控制单元20具有高频单元22，高频单元22被设计为用于产生具有预先给定的时间走向、幅值和谱功率分布的高频脉冲，用于激励患者100中的核自旋的磁共振。在此，可以实现千瓦范围内的脉冲功率。可以通过身体线圈14或者也可以通过局部发射天线，将激励脉冲辐射到患者100中。
控制器23通过信号总线25与梯度控制器21和高频单元22进行通信。
优选借助根据本发明的局部线圈50来接收来自患者100的激励的核自旋的磁共振信号，局部线圈50直接布置在患者100上，以获得尽可能好的信噪比。
图2示出了根据本发明的局部线圈50中的根据本发明的单级高频放大器的示例性电路的示意图。
局部线圈50具有天线线圈51，利用天线线圈51接收来自患者100的身体的磁共振信号。在此，磁共振信号施加在信号输入端52处，并且通过电容器C1耦合到信号放大器53(这里是场效应晶体管T1)中。在此，以简化的方式示出了耦合，例如还可以想到用于适配输入信号的阻抗和对称性的适配网络以及用于限制输入信号的保护二极管。
在此，信号放大器53以共源极电路(Source-Schaltung)运行。随后，放大的信号施加在信号输出端55处，以传输至磁共振断层成像装置1的高频单元22。在此，通向高频单元22的连接线路同时用于进行供电。
然而，与所有晶体管和场效应晶体管相同，T1在栅极和漏极之间具有寄生电容，其中，根据所谓的米勒效应，由于在共源极电路中进行放大，这以更高的程度作用在基极或栅极上。在此，除了信号输入端52的更大的电容负载之外，由于在进行大的放大时产生相移，还可能出现反馈效应和与其相关联的振荡。
因此，在现有技术中，第一晶体管的电压增益由于第一晶体管的输出端的低欧姆负载而减小，并且在天线线圈51和信号输出端55之间的信号放大器中，通过作为两个放大器级的两个晶体管的级联，来划分大的总增益(所谓的级联电路)。然而，在此，功率损耗加倍，因为两个晶体管必须作为A类放大器，在特征曲线的线性范围内以相应的大的静态电流运行，特别是在传输线路上的通常需要的50欧姆的输出阻抗下运行。
在此，根据本发明的单级高频放大器使用不同的方式。在此，通过移相器54对寄生电容效应进行补偿，移相器54将具有预先确定的相移的信号放大器的输出信号的一部分，耦合到信号输入端51中。在此，在合适的相位下，寄生电容和移相器54的信号的作用正好再次抵消。
为此，图2中的移相器54具有晶体管T2形式的放大器元件，在此示例性地为双极型晶体管。晶体管T2以共发射极电路连接，并且获得通过电容C9耦合的信号放大器53的输出信号的一小部分。由于基极分压器，仅很小的、与信号放大器53相比大约小10倍的电流流过晶体管T2。由于耦合的信号的幅值、因此集电极处的输出信号的幅值也很小，因此仍然可以忽略晶体管T2的该工作点处的非线性。
在此，图2中的电路的优点特别是在于，晶体管T2形式的放大器元件产生明确定义的180度的相移，该相移在很大程度上与外部影响、例如天线线圈51以及其例如与天线矩阵的相邻的天线线圈的耦合无关。晶体管的输入端与输出端也很强地解耦。但是由于这里仅必须产生相对小的信号电流来补偿寄生电容，因此与级联时的第二放大器级相比，移相器中的晶体管T2可以以低得多的功率运行，因为这里不需要与用于磁共振信号本身一样的线性性和动态范围。
图3示出了具有单级高频放大器的根据本发明的局部线圈50的另一个可能的实施方式。基本结构基本上对应于图2的基本结构，但是在移相器54的发射极支路中布置有具有复电抗的附加的无源部件，例如线圈L3和电容C10，其与电阻一起，除了通过晶体管T2产生的180度之外，还产生另外的附加的相移。因此，通过适当地选择元件，可以以有利的方式进一步更精确地设置相移，因此改善对寄生电容的补偿，这产生更高的稳定性。
原则上也可以想到，移相器54仅具有具备复电阻的无源部件的网络，这使得功率损耗进一步降低。然而，运行时的稳定性同时下降，因为与晶体管T2不同，无源网络不能在放大器的整个带宽上保证期望的180度的相移。
但是代替在前面的附图中示出的从局部线圈50直接到高频单元22的信号线路，也可以想到，在传输之前，对信号进行另外的处理步骤。这例如可以是通过无源网络进行滤波或者与信号线路的适配。也可以想到，以模拟的方式将信号转换到另一个频率上，或者与在如在图3中示出的局部线圈50中相同，借助模拟/数字转换器将信号数字化。在本发明的意义上，重要的仅仅是，在这些处理步骤之前，通过单级高频放大器进行模拟的信号前置放大，由此可以明显减少功率需求和废热。
最后，图4示出了具有单级高频放大器的根据本发明的局部线圈50的另一个可能的实施方式。在该实施方式中，移相器54被实施为不具有晶体管T2，而是仅通过具有复电阻的网络，在所示出的示例中特别地具有线圈和两个电容器的网络，来实现相移。然而，在此，较小的电流消耗牺牲了稳定性，从而该电路不像图2和图3的电路那样适合用于比较大的频率范围。
虽然通过优选实施例进一步详细示出并且描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，本领域技术人员可以得出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于磁共振断层成像装置(1)的具有一个信号放大级的单级高频放大器，其特别是作为局部线圈(50)中的低噪声前置放大器，其中，所述高频放大器具有：
信号输入端(52)、信号放大器(53)、所述信号放大器(53)的信号输出端(55)和移相器(54)，其中，所述移相器(54)与所述信号放大器(53)的信号输出端(55)和信号输入端(51)信号连接，并且被设计为用于，以预先确定的相移，将所述信号放大器(53)的输出信号的预先确定的部分，耦合到所述信号放大器(53)的信号输入端(51)中。
2.根据权利要求1所述的高频放大器，其中，所述移相器(54)具有放大器元件，所述放大器元件被设计为用于，由所述信号放大器(53)的输出信号产生反相信号，并且所述移相器(54)被设计为用于，根据所述反相信号将信号耦合到所述信号放大器(53)的信号输入端(51)中。
3.根据权利要求2所述的高频放大器，其中，在所述放大器元件与信号输入端(51)之间布置有具有复电阻的一个或多个无源元件，所述无源元件被设计为用于，为耦合到所述信号放大器(53)的信号输入端(51)中的信号，提供附加的预先确定的相移。
4.根据上述权利要求中任一项所述的高频放大器，其中，所述信号放大器(53)具有场效应晶体管。
5.根据上述权利要求中任一项所述的高频放大器，其中，所述放大器元件是共发射极电路中的双极型晶体管(T2)。
6.根据权利要求5所述的高频放大器，其中，所述双极型晶体管上的集电极电阻和/或发射极电阻被设计为，使得所述双极型晶体管上的功率损耗明显小于所述信号放大器(53)上的功率损耗。
7.一种局部线圈，其中，所述局部线圈(50)具有根据权利要求1至6中任一项所述的单级高频放大器、天线线圈(51)和信号输出端(55)、混频器或者模拟/数字转换器，
其中，仅一个信号放大器(53)布置在所述天线线圈(51)与所述信号输出端(55)、所述混频器或者所述模拟/数字转换器之间的信号路径中。
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