DE4024165C2 - Schutzschaltung für den Eingangstransistor eines Empfangsverstärkers in Kernspinresonanz-Anlagen - Google Patents

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.