CN115360985A - 一种mri超低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MRI超低噪声放大器，属于放大器技术领域，该MRI超低噪声放大器包括输入匹配电路、输出匹配电路、级间匹配电路以及晶体管电路；所述晶体管电路包含前级晶体管电路以及后级晶体管电路；本发明立足于核磁共振应用，是基于砷化镓基赝配高电子迁移率晶体管PHEMT工艺搭配外围分离元件匹配技术而发明设计的应用于MRI超低噪声放大器，目的是基于砷化镓基赝配高电子迁移率晶体管，通过可调节的外围匹配电路，以小型模块的形式实现射频信号的超低噪声放大功能。本发明可解决核磁共振应用的关键技术，解决现有核磁共振前置低噪声放大器在低输入阻抗条件下噪声高的瓶颈，确保核磁共振前置低噪声放大器的先进性。
Description
技术领域
本发明涉及放大器技术领域，具体是一种MRI超低噪声放大器。
背景技术
随着技术的进步，核磁共振技术作为现代探测领域中不可或缺的一部分，其任务不仅仅是医学领域对人体信息的探测，在有机化合物、高分子材料、化学反应机理研究、化学物理变化过程跟踪等高精度探测领域都扮演重要角色，这就要求核磁共振仪器射频接收电路的前置放大器提供超高信噪比的射频放大能力，也就是需要超低噪声放大器。超低噪声是指放大器在核磁共振工作频率内，在输入阻抗小于2Ω的情况下实现1dB以下的噪声系数。
近几年国内核磁共振技术发展迅速，在部分探测领域的性能远优于X射线和超声波探测技术，在物理、化学和医疗领域均有广泛应用，经济效益好。在核磁共振技术中，前置超低噪声放大器是其射频接收电路的基础组成部分，现有的超低噪声放大器普遍存在输入阻抗高的问题，从而导致了整个超低噪声放大器的增益较高，功耗也随之增高，直接影响了整个核磁共振系统的性能精度和成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MRI超低噪声放大器，主要功能是：在核磁共振工作频率内，在输入阻抗小于1Ω的情况下实现0.5dB以下的噪声系数。因此本发明提出了一种超低噪声放大器的实现方案，其可通过调节外围匹配元件实现工作频率变换，覆盖多种核磁共振工作频段，从而解决满足上述背景技术的要求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种MRI超低噪声放大器，该MRI超低噪声放大器包括输入匹配电路、输出匹配电路、级间匹配电路以及晶体管电路；
所述晶体管电路包含前级晶体管电路以及后级晶体管电路；
所述输入匹配电路，输入端连接输入信号，输出端连接所述前级晶体管电路，用于给所述前级晶体管电路提供低输入阻抗和超低噪声输入匹配；
所述级间匹配电路，连接在所述前级晶体管电路与所述后级晶体管电路之间。
所述输出匹配电路，输入端连接所述后级晶体管电路，输出端输出信号，用于将所述后级晶体管电路匹配至设定的阻抗。
作为本发明的进一步技术方案：所述MRI超低噪声放大器还包括直流偏置电路，所述直流偏置电路包括前级直流偏置电路和后级直流偏置电路，所述前级直流偏置电路连接输入匹配电路和前级晶体管电路，用于给前级晶体管电路提供合适的直流偏置电压；后级直流偏置电路连接输出匹配电路和后级晶体管电路，用于给后级晶体管电路提供合适的直流偏置电压。
作为本发明的进一步技术方案：所述MRI超低噪声放大器还包括反馈电路，所述反馈电路用于提高整体放大器电路的稳定性和增益平坦度，所述反馈电路与后级晶体管电路和输出匹配电路相连接。
作为本发明的进一步技术方案：所述输入匹配电路包括电容C1、电感L1、电容C2、电感L2和电感L3，所述电容C1的一端连接信号输入端PAD1，电容C1的另一端连接电感L1，电感L1的另一端连接电容C2、电容C3、电感L2和电感L3，电感L2的另一端连接电容C3和前级晶体管电路，电容C2的另一端接地，电容C3的另一端接地，电感L3的另一端连接前级直流偏置电路。
作为本发明的进一步技术方案：所述前级晶体管电路为晶体管芯片Q1，晶体管芯片Q1的栅极连接电感L2和电容C3，晶体管芯片Q1的源极接地，晶体管芯片Q1的漏极连接级间匹配电路和前级直流偏置电路，晶体管芯片Q1为砷化镓场效应晶体管芯片。
作为本发明的进一步技术方案：所述级间匹配电路包括电感L4和电阻R3，所述电感L4的一端连接晶体管芯片Q1的漏极，电感L4的另一端连接电阻R3，电阻R3的另一端连接后级晶体管电路。
作为本发明的进一步技术方案：所述后级晶体管电路为晶体管芯片Q2，晶体管芯片Q2的漏极连接电阻R3，晶体管芯片Q2的栅极连接反馈电路，晶体管芯片Q2的源极连接输出匹配电路，晶体管芯片Q2为NPN硅晶体管芯片。
作为本发明的进一步技术方案：所述输出匹配电路包括电容C5、电容C6、电感L5、电感L6、电感L7、电容C7，所述电容C6的一端连接电容C5、电感L5、反馈电路和晶体管芯片Q2的源极，电容C6的另一端连接电容C7和电感L6，电容C7的另一端连接电感L7和信号输出端PAD2，电容C5的另一端接地，电感L6的另一端接地，电感L5的另一端连接后级直流偏置电路,电感L7的另一端连接后级直流偏置电路。
作为本发明的进一步技术方案：所述反馈电路包括电容C4、电阻R5和电阻R6，所述电容C4的一端连接电阻R5、电阻R6和晶体管芯片Q2的栅极，电阻R6的另一端连接晶体管芯片Q2的源极、电容C5和电容C6，电容C4的另一端连接电阻R5的另一端和接地端。
作为本发明的进一步技术方案：所述前级直流偏置电路包括电阻R、电阻R1和电阻R2，电阻R的一端接地，电阻R的另一端连接电阻R1，电阻R1的另一端连接电感L3和电阻R2，电阻R2的另一端连接晶体管芯片Q1的漏极，所述后级直流偏置电路包括电阻R7和电阻R8，电阻R7的一端接地，电阻R7的另一端连接电感L5和电阻R8，电阻R8的另一端连接电感L7。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的一种超低噪声放大器的实现方案，其输入阻抗小于1Ω，噪声系数小于0.5dB，可通过调节外围匹配元件实现工作频率变换，覆盖目前主流核磁共振工作频段，可作为核磁共振射频电路的核心器件。与常规低噪声放大器相比，此超低噪声放大器输入阻抗低，噪声低，功耗低的特点，具有极大的性能优势。
本发明立足于核磁共振应用，是基于砷化镓基赝配高电子迁移率晶体管PHEMT工艺搭配外围分离元件匹配技术而发明设计的应用于MRI超低噪声放大器，目的是基于砷化镓基赝配高电子迁移率晶体管，通过可调节的外围匹配电路，以小型模块的形式实现射频信号的超低噪声放大功能。本发明可解决核磁共振应用的关键技术，解决现有核磁共振前置低噪声放大器在低输入阻抗条件下噪声高的瓶颈，确保核磁共振前置低噪声放大器的先进性。
附图说明
图1是本发明MRI超低噪声放大器的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，如图1所示：
一种MRI超低噪声放大器，该MRI超低噪声放大器包括输入匹配电路、输出匹配电路、级间匹配电路以及晶体管电路；
其中，晶体管电路包含前级晶体管电路以及后级晶体管电路；所述输入匹配电路输入端连接输入信号，输出端连接所述前级晶体管电路，用于给所述前级晶体管电路提供低输入阻抗和超低噪声输入匹配；所述级间匹配电路，连接在所述前级晶体管电路与所述后级晶体管电路之间。输出匹配电路，输入端连接所述后级晶体管电路，输出端输出信号，用于将所述后级晶体管电路匹配至设定的阻抗。
信号从信号输入端PAD1输入，依次经过输入匹配单元、场效应晶体管芯片Q1、级间匹配单元、NPN硅晶体管芯片Q2和输出匹配单元后从信号输出端PAD2输出。
实施例2，在实施例1的基础上，本设计的MRI超低噪声放大器还包括直流偏置电路，所述直流偏置电路包括前级直流偏置电路和后级直流偏置电路，所述前级直流偏置电路连接输入匹配电路和前级晶体管电路，用于给前级晶体管电路提供合适的直流偏置电压；后级直流偏置电路连接输出匹配电路和后级晶体管电路，用于给后级晶体管电路提供合适的直流偏置电压。
实施例3，在实施例2的基础上，本设计的MRI超低噪声放大器还包括反馈电路，所述反馈电路用于提高整体放大器电路的稳定性和增益平坦度，所述反馈电路与后级晶体管电路和输出匹配电路相连接。
实施例4，在实施例3的基础上，如图1所示，本设计的输入匹配电路包括电容C1、电感L1、电容C2、电容C3、电感L2和电感L3，所述电容C1的一端连接信号输入端PAD1，电容C1的另一端连接电感L1，电感L1的另一端连接电容C2、电感L2和电感L3，电感L2的另一端连接电容C3和前级晶体管电路，电容C2的另一端接地，电容C3的另一端接地，电感L3的另一端连接前级直流偏置电路，其中电容C1为滤波电容，电容C2、电感L1和电容C3、电感L2组成两组LC电路，给前级晶体管电路提供低输入阻抗和超低噪声输入匹配。
实施例5，在实施例4的基础上，本设计的前级晶体管电路为晶体管芯片Q1，晶体管芯片Q1的栅极连接电感L2和电容C3，晶体管芯片Q1的源极接地，晶体管芯片Q1的漏极连接级间匹配电路和前级直流偏置电路，晶体管芯片Q1为砷化镓场效应晶体管芯片，晶体管芯片Q1用于对输入的信号进行前级放大处理。
实施例6，在实施例5的基础上，本设计的级间匹配电路包括电感L4和电阻R3，所述电感L4的一端连接晶体管芯片Q1的漏极，电感L4的另一端连接电阻R3，电阻R3的另一端连接后级晶体管电路，级间匹配电路为LR电路，用于对经过晶体管芯片Q1初级放大后的信号进行滤波处理，并且将其送入到后级后级晶体管电路。
实施例7，在实施例6的基础上，本设计的后级晶体管电路为晶体管芯片Q2，晶体管芯片Q2的漏极连接电阻R3，晶体管芯片Q2的栅极连接反馈电路，晶体管芯片Q2的源极连接输出匹配电路，晶体管芯片Q2为NPN硅晶体管芯片，晶体管芯片Q2用于对信号进行二次放大处理。
实施例8，在实施例7的基础上，本设计的输出匹配电路包括电容C5、电容C6、电感L5、电感L6、电感L7、电容C7，所述电容C6的一端连接电容C5、电感L5、反馈电路和晶体管芯片Q2的源极，电容C6的另一端连接电容C7和电感L6，电容C7的另一端连接电感L7和信号输出端PAD2，电容C5的另一端接地，电感L6的另一端接地，电感L5的另一端连接后级直流偏置电路,电感L7的另一端连接后级直流偏置电路，输出匹配电路可以将NPN硅晶体管芯片Q2匹配至50Ω阻抗。
实施例9，在实施例8的基础上，本设计的反馈电路包括电容C4、电阻R5和电阻R6，所述电容C4的一端连接电阻R5、电阻R6和晶体管芯片Q2的栅极，电阻R6的另一端连接晶体管芯片Q2的源极、电容C5和电容C6，电容C4的另一端连接电阻R5的另一端和接地端，反馈电路将晶体管芯片Q2源极输出的信号经过处理后反馈到晶体管芯片Q2的栅极，形成一个反馈调节回路，通过反馈信号调节输出信号，能够确保整体放大器电路的稳定性和增益平坦度。
实施例10，在实施例9的基础上，本设计的前级直流偏置电路包括电阻R、电阻R1和电阻R2，电阻R的一端接地，电阻R的另一端连接电阻R1，电阻R1的另一端连接电感L3和电阻R2，电阻R2的另一端连接晶体管芯片Q1的漏极，所述后级直流偏置电路包括电阻R7和电阻R8，电阻R7的一端接地，电阻R7的另一端连接电感L5和电阻R8，电阻R8的另一端连接电感L7，能够给晶体管芯片Q1和晶体管芯片Q2提供合适的直流偏置电压，保证放大器工作在正确的工作状态，同时可以调节放大器的增益。
本发明整个电路的创造性在于将砷化镓场效应晶体管芯片、NPN硅晶体管芯片、射频输入匹配电路，射频输出匹配电路、级间匹配电路、反馈电路、直流偏置电路集成在一块小型PCB上，同时场效应晶体管芯片Q1、NPN硅晶体管芯片Q2之间为电流复用结构，减小放大器整体功耗，满足输入阻抗小于1Ω，输出阻抗在中心频率附近为50Ω，放大器整体噪声系数小于0.5dB，线性增益大于26dB，实现了低输入阻抗的超低噪声放大器。
超低噪声放大器的实现原理：在核磁共振射频接收电路不断朝着超高信噪比发展中对超低噪声放大器的高要求的情况下，本发明技术将砷化镓场效应晶体管芯片、NPN硅晶体管芯片、分立器件匹配电路、反馈电路、直流偏置电路集成在一块小型PCB上，最终得到了一款在输入阻抗小于1Ω的情况下实现0.5dB以下的噪声系数的超低噪声放大器芯片，可满足核磁共振射频接收电路超高信噪比的需求。
超低噪声放大器构成：采用有源砷化镓E_PHEMT工艺，砷化镓在微波频段内电子迁移率高，损耗小，是一种微波电路应用中性能优异的介质材料。通过电路级仿真、建模、布版和3D电磁场仿真，确定出超低噪声放大器的结构。本发明超低噪声放大器内部包含砷化镓场效应晶体管芯片、NPN硅晶体管芯片、射频输入匹配电路，射频输出匹配电路、级间匹配电路、反馈电路、直流偏置电路，既要避免各功能电路之间的电磁干扰，又要保证较小的PCB面积，同时还要保证低输入阻抗下的超低噪声，所以PCB的整体布局和匹技术尤为重要。如何保证低输入阻抗下的超低噪声并且避免模块间的相互干扰是本发明的重中之重，通过对超低噪声放大器各功能电路集成、低阻抗匹配等先进技术的突破以及相应的流片、封装工艺保证措施的落实，最终形成了此超低噪声放大器。
超低噪声放大器的使用：将超低噪声放大器通过表面组装嵌入核磁共振射频接收系统中并提供芯片所需的直流电压。在应用过程中，射频电路在中心频率附近输入阻抗小于1Ω，输出阻抗在中心频率附近为50Ω，放大器整体噪声系数小于0.5dB，线性增益大于26dB，能够满足使用要求。
本发明立足于核磁共振应用，是基于砷化镓基赝配高电子迁移率晶体管PHEMT工艺搭配外围分离元件匹配技术而发明设计的应用于MRI超低噪声放大器，目的是基于砷化镓基赝配高电子迁移率晶体管，通过可调节的外围匹配电路，以小型模块的形式实现射频信号的超低噪声放大功能。本发明可解决核磁共振应用的关键技术，解决现有核磁共振前置低噪声放大器在低输入阻抗条件下噪声高的瓶颈，确保核磁共振前置低噪声放大器的先进性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种MRI超低噪声放大器，其特征在于，该MRI超低噪声放大器包括输入匹配电路、输出匹配电路、级间匹配电路以及晶体管电路；
所述晶体管电路包含前级晶体管电路以及后级晶体管电路；
所述输入匹配电路，输入端连接输入信号，输出端连接所述前级晶体管电路，用于给所述前级晶体管电路提供低输入阻抗和超低噪声输入匹配；
所述级间匹配电路，连接在所述前级晶体管电路与所述后级晶体管电路之间；
所述输出匹配电路，输入端连接所述后级晶体管电路，输出端输出信号，用于将所述后级晶体管电路匹配至设定的阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种MRI超低噪声放大器，其特征在于，所述MRI超低噪声放大器还包括直流偏置电路，所述直流偏置电路包括前级直流偏置电路和后级直流偏置电路，所述前级直流偏置电路连接输入匹配电路和前级晶体管电路，用于给前级晶体管电路提供合适的直流偏置电压；后级直流偏置电路连接输出匹配电路和后级晶体管电路，用于给后级晶体管电路提供合适的直流偏置电压。
3.根据权利要求1所述的一种MRI超低噪声放大器，其特征在于，所述MRI超低噪声放大器还包括反馈电路，所述反馈电路用于提高整体放大器电路的稳定性和增益平坦度，所述反馈电路与后级晶体管电路和输出匹配电路相连接。
4.根据权利要求1所述的一种MRI超低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配电路包括电容C1、电感L1、电容C2、电容C3、电感L2和电感L3，所述电容C1的一端连接信号输入端PAD1，电容C1的另一端连接电感L1，电感L1的另一端连接电容C2、电感L2和电感L3，电感L2的另一端连接电容C3和前级晶体管电路，电容C2的另一端接地，电容C3的另一端接地，电感L3的另一端连接前级直流偏置电路。
5.根据权利要求4所述的一种MRI超低噪声放大器，其特征在于，所述前级晶体管电路为晶体管芯片Q1，晶体管芯片Q1的栅极连接电感L2和电容C3，晶体管芯片Q1的源极接地，晶体管芯片Q1的漏极连接级间匹配电路和前级直流偏置电路，晶体管芯片Q1为砷化镓场效应晶体管芯片。
6.根据权利要求5所述的一种MRI超低噪声放大器，其特征在于，所述级间匹配电路包括电感L4和电阻R3，所述电感L4的一端连接晶体管芯片Q1的漏极，电感L4的另一端连接电阻R3，电阻R3的另一端连接后级晶体管电路。
7.根据权利要求6所述的一种MRI超低噪声放大器，其特征在于，所述后级晶体管电路为晶体管芯片Q2，晶体管芯片Q2的漏极连接电阻R3，晶体管芯片Q2的栅极连接反馈电路，晶体管芯片Q2的源极连接输出匹配电路，晶体管芯片Q2为NPN硅晶体管芯片。
8.根据权利要求7所述的一种MRI超低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配电路包括电容C5、电容C6、电感L5、电感L6、电感L7、电容C7，所述电容C6的一端连接电容C5、电感L5、反馈电路和晶体管芯片Q2的源极，电容C6的另一端连接电容C7和电感L6，电容C7的另一端连接电感L7和信号输出端PAD2，电容C5的另一端接地，电感L6的另一端接地，电感L5的另一端连接后级直流偏置电路,电感L7的另一端连接后级直流偏置电路。
9.根据权利要求8所述的一种MRI超低噪声放大器，其特征在于，所述反馈电路包括电容C4、电阻R5和电阻R6，所述电容C4的一端连接电阻R5、电阻R6和晶体管芯片Q2的栅极，电阻R6的另一端连接晶体管芯片Q2的源极、电容C5和电容C6，电容C4的另一端连接电阻R5的另一端和接地端。
10.根据权利要求9所述的一种MRI超低噪声放大器，其特征在于，所述前级直流偏置电路包括电阻R、电阻R1和电阻R2，电阻R的一端接地，电阻R的另一端连接电阻R1，电阻R1的另一端连接电感L3和电阻R2，电阻R2的另一端连接晶体管芯片Q1的漏极，所述后级直流偏置电路包括电阻R7和电阻R8，电阻R7的一端接地，电阻R7的另一端连接电感L5和电阻R8，电阻R8的另一端连接电感L7。
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