CN1883111B - 具有控制输出级的调节装置的放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电放大器，其具有通过电能源供电的输出级(6)，其中，该输出级(6)在输入端与控制装置(4)连接，通过该控制装置(4)的控制信号可以控制该输出级(6)的取决于该能源的参数值的输出信号。按照本发明，还设置了与该能源和该控制装置(4)连接的补偿装置(9)，通过该补偿装置(9)可以根据能源的参数值改变控制信号。该参数例如是能源电网电压。本发明还涉及一种控制具有通过电能源供电的输出级(6)的电放大器的方法，其中，确定能源的参数值，从中导出补偿信号并根据该补偿信号为输出级(6)产生控制信号。该电放大器和相应的方法优选用于磁共振设备的梯度放大器。

Description

具有控制输出级的调节装置的放大器
技术领域
本发明涉及一种具有控制输出级的调节装置的放大器以及一种对放大器进行控制输出级的调节的方法。
背景技术
电放大器通常具有两级结构。在第一级，中间回路发电机或电网部分产生中等大小或精度的供电电压。该供电电压为输出级供电，输出级的任务是产生具有期望特性的输出信号。输出信号可以根据需要具有相对于供电电压高度变换的电压并且根据应用而具有预定的恒定值或随时间变化的信号变化。对于用于磁共振设备中梯度线圈的梯度放大器的应用必需能够保证要特别快速而精确地保持输出信号的时间变化。在此可以这样调谐输出级的电路，使得在用所要求的供电电压供电时可以尽可能有效的结构产生具有期望特性的输出信号。
用于保持输出信号、如电流或电压的期望参数值的精度首先取决于供电电压的振荡。供电电压的振荡可以通过输出级的电路技术结构部分地得到补偿。但完全补偿并不总是可能，因而无法轻易满足对输出信号的所有要求。
因此，就输出信号的质量而言通常采用电网的静态部分。此外还可调节所期望的输出信号的参数，在此调节器例如对输出级的开关元件的开关时间进行调节。这样的调节可以优化地与所期望的输出级的工作方式谐调一致，以使振荡的供电电压的影响最小。然而在临界的工作点、如在输出信号的时间变化曲线快速改变时，可以看到供电信号的影响依然存在。因此，根据对输出信号的要求期望对供电电压的振荡进行额外的补偿。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，对两级放大器实现对能源供应参数的振荡的额外补偿。
本发明的技术问题通过具有独立权利要求1特征的放大器以及通过具有独立权利要求10特征的方法解决。
本发明的基本思想在于，提供一种电放大器，其具有通过电能源供电的输出级，其中，该输出级在输入端与控制装置连接，通过该控制装置的控制信号可以控制该输出级的取决于该能源的参数的输出信号。输出级还可由多个串联连接的、由零电位能源供电的单个输出级组成。为了对能源中的振荡进行额外补偿，设置了与该能源和该控制装置连接的补偿装置，通过该补偿装置可以根据参数值改变控制信号。
该结构的优点在于，对能源的振荡不是对输出级的输出信号才进行检测以进行补偿，而是在其出现之时和在产生输出信号之前就已检测。其对输出级功能的影响在对输出级的控制信号中就已被考虑，并因此而从一开始，即预先就进行了补偿。因此尤其是可以抑制在临界工作点、如在输出信号快速改变时的常常与由于输出级控制装置的工作方式而造成的过振荡相关的振荡，而不会由诸如所提到的过振荡的附加误差源对补偿产生影响。因此补偿是直接取决于要补偿的信号而与其它不期望的影响参数无关地进行的。
在本发明的优选实施方式中，设置了调节装置，其输入端与输出级连接，输出端与控制装置连接，通过该调节装置的调节信号可以根据输出级的输出信号来调节控制信号。调节装置与补偿装置连接，通过补偿装置可以根据能源的参数值来改变调节信号。
由此得到的优点是，首先可以通过调节装置尽可能稳定地调节输出级的输出信号，并且该补偿装置还起到附加的稳定作用。该两个装置的组合使得输出信号具有特别可靠的稳定性。在本发明的另一优选实施方式中，补偿装置构成为能够产生取决于能源的参数值和该参数的标准值或最大值的补偿信号。由此预先给出了补偿信号的工作范围，该工作范围与所期望的能源信号有关并因此而包含与该信号相匹配的工作范围。由此可以针对能源的不同标准值或最大值通过对补偿信号的超强改变而避免过振荡。
本发明的另一基本思想在于，提供一种用于控制具有输出级的放大器的方法，该输出级通过电能源供电，包括步骤：
-确定能源的参数值；
-根据该参数值产生补偿信号；
-根据该补偿信号产生控制信号；
-根据该控制信号通过输出级产生输出信号。
由此得到的优点是，可以直接采集能源中的振荡并用于补偿。由此可以不考虑其它可能来自例如输出级的控制装置或作用方式的间接影响参数，并使其不能作为影响补偿的误差源。直接取决于能源的补偿使输出级的输出信号得以稳定。
在本发明方法的优选实施方式中，还包括步骤：
-确定输出信号的参数值；
-根据该输出信号的参数值产生调节信号；
-还根据该调节信号产生控制信号。
这些用于直接补偿能源振荡和调节输出级输出信号的方法步骤的组合对输出信号起到额外的、即双重的稳定作用。
该放大器以及相应的方法可以根据供电电压产生输出电压，该输出电压通过补偿得以稳定。此外，对输出电压的调节可基于通过输出级在线圈中感应的电流来调节。
所建议的依赖于电压的由电流调节的放大器尤其可以优选用作用于磁共振设备中梯度线圈的梯度放大器，在磁共振设备中须在快速的时间序列中产生保持精度的线圈电流变化(即梯度)，以产生快速交变的磁梯度场。
本发明的其它优选实施方式由从属权利要求和说明书给出。
附图说明
以下借助附图详细描述本发明的实施例，图中示出：
图1示出具有补偿装置的调节两级放大器；
图2示出具有补偿装置和调节信号放大装置的调节两级放大器；
图3示出输出级控制信号根据调节信号的变化；
图4示出输出级输出信号根据控制信号的变化；
图5示意性示出具有D控制器和可控调节参数的PI调节器的结构；
图6示出D调节组件的数字结构；
图7示出I调节组件的数字结构。
具体实施方式
图1示意性示出具有补偿装置9的调节两级放大器25。该放大器25具有为输出级6供电的电能源E0。输出级6产生用于运行用电器8(在此为线圈)的输出信号Uout。
输出信号Uout的参数值由测量装置7确定，并通过实际值导线3(在图中附加地用A表示，意为“实际的”)输入调节装置1。该调节装置1具有作为另一信号输入端的额定值导线2，其在图中附加地用N表示，意为“标准的”。调节信号RS通过调节器输出导线5输入控制装置4，控制装置4通过用于控制信号MS1至MS4的四条信号导线(在多个输出级串联的情况下相应更多)与输出级6连接。
输出级6具有带有未详细示出的滤波电容器以及四个开关S1至S4和与开关并联的未详细示出的自振荡二极管的电路装置。开关S1至S4通过控制信号MS1至MS4控制。由此可以产生输出级6的输出电压，其在一个开关时间段内的平均值位于正供电电压+U0和负供电电压-U0之间。
供电电压U0由能源E0提供，并因此而经受能源的振荡。由此输出级6的输出信号Uout也经受着该振荡。
为了对该振荡进行补偿设置了补偿装置9。补偿装置9作为输出信号产生补偿系数k及其倒数值1/k。补偿系数k取决于能源E0的参数值，以下将对此详细描述。补偿系数k通过补偿器输出导线11或13输入调节装置1或控制装置4，或者其倒数值1/k通过补偿器输出导线14输入控制装置4。这样，补偿器输出导线11、13、14是冗余的，因为通过补偿装置9的补偿仅需要三条补偿器输出导线11、13、14中的一条。因此它们相互间作为一种替代。
所示出的放大器25例如可以根据供电电压U0产生输出电压Uout，该输出电压通过补偿装置9来稳定。在这种情况下补偿装置9确定能源E0的电压作为能源E0的参数，即供电电压U0。通过对输出级供电电压U0的测量还可以对由改变输出级负载而引起的电压波动一起进行补偿。此外，测量装置7可以是电流测量装置，其对由输出级6的输出电压Uout在线圈8中感应的电流进行测量。这样的依赖于电压的、由电流调节的放大器25例如可以用作磁共振设备中的梯度放大器，在磁共振设备中须以快速的时间序列产生线圈电流改变、即梯度，以产生快速交变的磁梯度场。
图2示出放大器26，其具有相对于前面图1中描述的补偿装置9改变的补偿装置9。输出级6以及调节装置1和控制装置4与前面描述的相对应并用相同的附图标记表示。补偿装置9同样如上所述根据能源E0的参数值产生补偿系数k。补偿系数k通过补偿器输出导线12输入调节信号放大装置10。调节信号放大装置10在输入端与调节器输出导线5连接，并根据补偿系数k放大调节信号RS。补偿装置9以这种方式对输出级6的控制装置起作用。
图3示出控制信号MS1至MS4根据调节信号RS的变化。在此调节信号RS的值可以处于+RS0至-RS0之间任意确定的信号范围内。控制装置4可以是模拟的或数字的调制器，其通过控制信号MS1至MS4例如这样控制输出级6的开关S1至S4，使得开关S1和S4以及开关S2和S3同时打开或同时关闭。
在模拟调制器的情况下，调节信号RS通常为电压，其在调制器中与作为比较参数的三角形电压进行比较。如果RS大于三角形电压的当前值，则例如可用信号MS1和MS4关闭开关S1和S4。而如果RS小于三角形电压的当前值，则可代之以信号MS2和MS3来关闭开关S2和S3。在数字调制器的情况下，该比较参数可以是计数器状态。如果当前调节信号RS的计数大于计数器状态，则又例如可采用信号MS1和MS4，而当RS小于计数器状态时，则采用信号MS2和MS3。
如果开关S1和S4关闭而开关S2和S3打开，则输出电压Uout为电压+U0，而如果反之开关S2和S3关闭而开关S1和S4打开，则输出电压Uout为电压-U0。如果这些开关根据调制操作而交替地打开和关闭，则作为输出电压Uout的中间值给出位于+U0和-U0之间、并与开关S1至S4的开关时间相关的电压。
因此所示出的调节信号RS的变化例如可以表示在-RS0下不使用信号MS1和MS4，也不使用信号MS2和MS3，随着调节信号RS线性增长地变化信号MS1和MS4以及信号MS2和MS3随着改变的开关时间而交替地被使用和被打开，其中，在调节信号RS为0时，对于S1和S4以及S2和S3的开关时间同样长，至此，当调节信号为+RS0时，仅有信号MS1和MS4在使用，而信号MS2和MS3则不使用。
图4示出输出级的输出信号Uout与控制信号MS 1至MS4的关系。在未使用的信号MS1和MS4(为此信号MS2和MS3被100％使用)下，在对MS1和MS4以及MS2和MS3的开关时间具有相同长度的情况下，输出信号从输出信号-U0出发上升至零值。如果开关时间继续偏移，使得只有MS1和MS4在使用，则输出信号继续线性上升，直至达到输出级输出信号Uout的最大值+U0。
由此，与前面图中描述的一起，对于在范围-RS0至+RS0内的调节信号RS的范围，输出信号Uout的调节范围为-U0至+U0。
在此控制信号MS1至MS4和调节信号RS的关系为：
MS2，3＝100％-MS1，4
其中，图中的控制信号MS1至MS4在使用各控制信号期间被作为时间的百分比部分。由此例如在值为100％时信号MS1和MS4被持续使用，而例如在75％时间被使用时，值为75％。如果再加上调节信号RS，则控制信号MS1，4和调节信号RS之间的关系为：
MS1，4＝50％+RS*50％/RS0。
对于控制信号MS1，4和输出级的输出信号Uout之间的关系有：
Uout＝(U0/50％)*MS1，2-U0。
输出级6的放大通过将上述用于控制信号MS1，4的关系式代入用于Uout的关系式而给出：
Uout＝(U0/50％)*(50％+RS*50％/RS0)-U0
并可由此换算为：
Uout＝U0*RS/RS0。
由此可得到来自控制装置4和输出级6链的放大V：
V＝U0/RS＝Uout/RS0。
因此，输出级6的输出信号Uout线性地依赖于调节信号RS。但同样给出了对供电电压U0的依赖性。在供电电压U0不稳定的或不足够稳定时，例如在电网振荡或负载快速改变的情况下，对调节特性有明显的影响。由于通常调制方法的目的是使输出级的输出信号和其调节信号之间达到线性关系，因此在此所述的考虑对于其它未详细描述的调制方法也是适用的。
从以上公式中可看出，对供电电压U0的振荡的补偿可以通过补偿系数k进行，对此有：
k＝UN/U0，
其中，UN为标准的或典型的、例如最大供电电压。为了补偿或者将调节信号RS与补偿系数k相乘，或者将调节信号的范围扩大系数1/k，以使其边界位于RS0*1/k。
从以上描述的图1和2中可看出，补偿系数k或其倒数值1/k被输入调节装置1或控制装置4或调节信号放大装置10。
图5作为图1包含的调节器的例子示出具有D控制器和可调调节参数的PID调节器。阈值N被输入具有D组件16的分支，其中，D组件16的放大通过D信号放大装置17可调。D信号放大装置17通过补偿器输出导线11获得作为输入信号的补偿系数k或与之成比例的值。D组件16的放大的输出信号DS被输入求和器。
此外，阈值N还被输入延迟组件DEL，从那里又输入微分器(DIFF)。微分器DIFF还获得作为输入信号的实际值A，并形成阈值N和实际值A之间的调节差。该调节差被输入可调的P组件18和I组件19并从那里被输入I信号放大装置20。P组件18和I信号放大装置20的调节同样通过补偿器输出导线11实现，通过该导线还输入补偿系数k或与之成比例的值。P信号PS和I信号IS与D信号DS相同也输入求和器SUM，从中形成调节信号RS。所描述的数字的和可调的PID调节器15可以作为调节装置应用于以上描述的图1和2中的放大器。
为设置调节参数“P”、“I”、“D”所需的放大装置17、18和20在此也可以用于调节补偿系数，从而可以有利地省去附加的放大装置10。
图6示出D组件16的简单数字结构。阈值N被输入n位宽的存储器、D双稳态多谐振荡器DFlip以及m宽的减法器SUB。优选m＝n+1。DFlip通过时钟CLK定时，在此时钟可通过信号CLK-enable来缩减，例如当CLK应为快速系统时钟时。
所述数字D组件的上升响应在m＝n+1的前提下例如如下表所示：
  时钟   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16
  N   0   0   2   4   6   8   8   8   8   8   6   4   2   0   0   0
  Q   0   0   2   4   6   8   8   8   8   8   6   4   2   0   0
  OUT   0   2   2   2   2   0   0   0   0   -2   -2   -2   -2   0   0
图7示出I组件19的数字实施。输入信号IN(在PID调节器中是调节差信号)输入加法器ADD。ADD的输出信号被输入D双稳态多谐振荡器DFlip，该D双稳态多谐振荡器DFlip由时钟信号CLK提供时钟并可通过信号CLK-enable来缩减时钟。DFlip的输出信号Q输入ADD另一个输入端。由此加法器ADD的输出信号同时也给出放大装置20的输入信号。还可以将DFlip的输出Q作为输出来使用，其比ADD的输出晚一个节拍。所描述的I组件的跳转响应例如可从以下看出，其中作为起始条件有Q＝0：
  时钟   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16
  IN   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1
  Q   0   0   0   0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12
  OUT   0   0   0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13
对于模拟结构的积分器，在时间恒定的条件下，相应于一个节拍长度和一个在起始条件为0V时在以上给出的时间栅格中从0V变化到1V的输入电压，在以上给出的时间栅格中的输出电压同样以每节拍长度1V来改变。如从第二个例子可见，模拟的和相应的数字结构的调节装置在其功能原理上以及合法性方面基本上都是相同的。
如果补偿需在控制装置4中通过补偿系数k或其倒数值实现，则可以在具有一个或多个用于转换模拟调节信号RS的模拟-数字转换器的数字控制装置的情况下，在模拟-数字转换器中进行调节信号RS与补偿系数k的乘法，其中，一个模拟-数字转换器的一个外部参考输入端用作相应于1/k的转换的度量。在完全数字的控制装置4中，可以进行数字调节信号RS与补偿系数k的乘法。在模拟的控制装置4中，可以给出一种有益的电路变形，其中将比较参数(三角形电压)与补偿系数的倒数值1/k相乘。在此采用图1中描述的补偿器输出导线14。
对于补偿系数k可以就放大器的实际应用预先给出边界值。例如，如果供电电压U0接近于零，则补偿系数k接近无穷。但在很小的供电电压U0下放大器的有意义的运行是不可能的。因此，实际有意义的实施可以限制在供电电压U0上，其最大约低于供电电压U0额定值的30％或约超过其最大值40％。对于超过该边界值的供电电压U0，可将补偿系数k保持为常数。
在考虑输出级的输出电压和调节信号间的关系时，理想的是从线性关系出发。即便是当该理想关系实际上不存在时(例如在对输出级开关的控制中通过安全时间来避免短路控制)，也用对有意义的工作范围的限制来达到足够的补偿精确性。否则的话可以在确定k时考虑非线性性。

Claims (7)

1.一种用于磁共振设备的梯度放大器，其具有通过电能源供电的输出级(6)，其中，该输出级(6)在输入端与控制装置(4)连接，通过该控制装置(4)的控制信号可以控制该输出级(6)的取决于该能源的参数值的输出信号，其特征在于，具有与该能源和该控制装置(4)连接的补偿装置(9)，通过该补偿装置(9)可以根据该参数值改变所述控制信号，以及设置有调节装置(1)，其输入端与所述输出级(6)连接，输出端控制装置(4)连接，通过该调节装置(1)的调节信号(RS)可以根据该输出级(6)的输出信号来调节所述控制信号，以及该调节装置(1)与所述补偿装置(9)连接，通过该补偿装置(9)可以根据所述参数值改变该调节信号(RS)。
2.根据权利要求1所述的梯度放大器，其特征在于，所述能源构成为电压源，所述参数为供电电压。
3.根据权利要求1所述的梯度放大器，其特征在于，所述控制装置(4)构成为脉宽调制器。
4.根据权利要求1所述的梯度放大器，其特征在于，所述补偿装置(9)构成为可以产生取决于所述参数值和该参数的标准值或最大值的补偿信号(K)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的梯度放大器，其特征在于，所述补偿装置(9)在输出端与所述控制装置(4)或调节装置(1)连接。
6.根据权利要求5所述的梯度放大器，其特征在于，具有与所述调节装置(1)连接的调节信号放大装置(10)，以及所述补偿装置(9)在输出端与该调节信号放大装置(10)连接。
7.一种磁共振设备，具有如权利要求1所述的梯度放大器。
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