JPH04207803A - 増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は１例えば磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場
電源に用いられる増幅器に関する。

（従来の技術） 磁気共鳴イメージング装置においては、被検体から誘起
すべき磁気共鳴信号に位置情報を付与する手段として磁
場強度が線形に傾斜してなる磁場（傾斜磁場又は勾配磁
場）を使用する。この傾斜磁場は次のようにして発生さ
れる。すなわち。

矩形又は台形波形をなした電圧を入力とし該入力した電
圧を増幅して出力電流を得る増幅器を用い。

この増幅器の出力を傾斜磁場コイルに与えることにより
、所定の空間上に傾斜磁場を発生するようにしている。

前述した増幅器は、電圧入力、電流出力のトランスコン
ダクタンスアンプと称され。

従来、０級リニアアンプとＰＷＭ（パルスヮイズモデエ
レーシ冒ン：パルス幅変調）方式アンプとの２方式が知
られている。

先ず、０級リニアアンプの一例を第１４図〜第１６図を
参照して説明し１次に、ｐ’ｗＭ方式アンプの一例を第
１７図及び第１８図を参照して鹸明する。

第１４図〜第６図に示すように１本例の０級リニアアン
プは、電圧増幅部１０と、スイッチング部２０と、電源
！ｌ５３０とから構成される。電圧増幅部１０は、電圧
増幅器１１と、抵抗器１２゜ＪＪ、１４．Ｊ５と、誤差
増幅器１６とからなる。

スイッチング部２０は、第１のスイッチング素子２１と
、第２のスイッチング素子２２と、ｇｌのフリーホイー
ルダイオード２３と、第２のフリーホイールダイオード
２４とからなる。電源部３０゜は、電圧”ＬＶの第１の
低圧電源３１と、電圧Ｅｘ、ｖの第２の低圧電源３２と
、電圧Ｅ１の第１の高圧電源３３と、ＥＨｖの第２の高
圧電源３４と、第１の低圧電源用スイッチ３５と、第２
の低圧電源用スイッチ３６と、第１の高圧電源用スイッ
チ３７と、第２の高圧電源用スイッチ３８からなる。こ
こで、ＥＬｖ＜ＥＩＩｖである。そして、スイッチング
部２０の出力つまり本例の増幅器の電流出力は。

電流検出抵抗器４２を直列介挿した傾斜磁場コイル４１
からなる傾斜磁場コイル部４０に与えられるＯ このような構成にて、本例の増幅器の入力、つまり電圧
増幅器１ノの入力としては電圧入力ｖｌＮであり、この
電圧増幅器１１の出力は電圧出力ＥＯＩＩＩ？である。

この出力Ｅ。ＵＴは、スイッチング部２０にて電流出力
１ＯＵＴとなる。この場合、第１の低圧電源用スイッチ
３５と第２の低圧電源用スイッチ３６とは第１５図（ａ
）　Ｋ示す波形の電圧入力ｖ４に応動して第１５図（ｂ
）に示す渡船タイミングにてＯＮ、ＯＦＦし、第１の高
圧電源用スイッチ３７と第２の高圧電源用スイッチ３８
とは第１５図（ａ）Ｋ示す波形の電圧入力■１Ｎに応動
して第１５図（ｅ）Ｋ示す波形タイミングにてＯＮ　、
　ＯＦＦする。

第１５図（ｂ）と第１５図（ｅ）とのＯＮ　、　ＯＦＦ
は逆の関係となっている。そして、第１６図に示すタイ
ミングにて動作する。

一方、第１７図及び第１８図に示すように、本例のＰＷ
Ｍ方式アンプは、０級リニアアンプの場合と同じ電圧増
幅部１０と、変調部５０と、０級リニアアンプの場合と
同じスイッチング部２０と。

０級リニアアンプのものを変形した電源部３０とから構
成される。変調部５０は、比較増幅器（コンパレータ）
５１と、抵抗器５２．５３とからな抄、電圧増幅部１０
の出力である電圧出力Ｅ。。を、三角波Ｂ、、　Ｋより
変調し、変調出力Ｅ。。、を変調部６０の出力とする。

電源部３０は、電圧ＥＬＶの第１の低圧電源３１と、電
圧Ｅ、ｖの第２の低圧電源３２とからなる。そして、ス
イッチング部２０の出力つまり本例の増幅器の電流出力
り、電流検出抵抗器４２を直列介挿した傾斜磁場コイル
４１からなる傾斜磁場コイル部４０に与えられる。

このような構成に【１本例の増幅器の入力、つまり電圧
増幅器ＩＪの入力としては電圧入力Ｖ□、であり、この
電圧増幅器１１の出力は電圧出力Ｅｏｔ＋ｔである。こ
の出力”ＯＫｌ？は、三角波５ＸＮＫより変調され、骸
変調出力Ｅ０゜は、スイッチング部２０にて電流出力ｌ
。。となる。そして、第１８図に示すタイミングにて動
作する。

上述した構成のもとで、Ｇ級ＩＪ　ニアアンプは、出力
電流の立ち上がり／立ち下がり時間を除いて低電圧電源
でＡＢ級又はＡ級動作のＩＪ　ニアアンプとし【動作す
る。この場合、出力電流の立ち上がり／立ち下が９時間
の最中にあっては、負荷である傾斜磁場コイル部４０自
体の時定数より速く電流を変化させるために、高電圧電
源に切換り、前述と同様に高電圧電源でＡＢ級又はＡ級
動作のリニアアンプとして動作する。これにより、傾斜
磁場コイル４０７／Ｃ流れる電流を、より速く目標値に
近づけることができ、しかもアンプの消費電力を少なく
抑えることが可能となる。

一方、ＰＷＭ方式アンプは、入力に比例した時比較率（
ＯＮしている時間なＴ。Ｎとし、ＯＦＦ　ｌ、ている時
間をＴｏｌ、とすると、”ＯＮ／（”ＯＮ”０ＦＦ）で
現される比率をいう。）で、最終段のトランジスタであ
るスイッチング素子２１．２２をスイッチングする方式
のアンプ又は負荷がコンダクタンスの場合は、スイッチ
ング素子２１．２２がＯＦＦ　してもフリーホイールダ
イオード２３．２４によって負荷である傾斜磁場コイル
４０に電流が環流するので、少しリップルのある直流が
流れることになる。

（発明が解決しようとする課題） 以上詳述した０級リニアアンプは、結局のところリニア
アンプであるため、連応性は良いが。

電力利用率が悪い。すなわち、前述の０級リニアアンプ
が、仮にＡ級、Ｂ級、ＡＢ級のいずれかに近い理想的な
動作をするものとした場合であっても、Ａ級で５０％で
あり、最も電力利用効率の良いＢ級であっても、７８．
５％であることが知られている。

一方、ＰＷＭ方式アンプは、スイッチング素子２１．２
２ｔｄ、スイッチング動作するため、電力利用効率は良
いが、その代り電源電圧を高くするとリップルが増大す
るため、むやみに電源電圧を高くすることができなく、
連応性が悪いという問題点がある。

そこで本発明の目的は、連応性が良く、しかも電源利用
率の良く、磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場電源に
使用した場合に好適な増幅器を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は蒸気課題を解決し且つ目的を達成するために次
のような手段を講じた構成としている。

すなわち、本発明は、電圧を入力し該入力した電圧を増
幅して出力電圧を得る増幅手段と、この増幅手段から出
力された出力電圧及び三角波を入力し該入力した前記出
力電圧を前記三角波により溝変調し第１の出力電流を得
る瀧変調手段と。

この聞変調手段から出力された前記第１の出力電流を入
力し該入力した前記第１の出力電流が立ち上がり、立ち
下がり状態のときにあっては当該第１の出力電流を高電
圧により付勢して第２の出力電流を得ると共に前記第１
の出力電流における定常状態のときにあっては当該第１
の出力電流を低電圧により付勢して第３の出力電流を得
、これら第２．第３の出力電流をスイッチング素子を含
む回路により合成して第４の出力電流を得る手段とを具
備してなることを特徴とする。

（作用） 以上の構成の増幅器によれば、階方式アンプを０級リニ
アアンプと同じように駆動することになることから、増
幅器の出力である前記第４の出力電流の立ち上がり／立
ち下がり時間におけるＰＷＭ動作している最中に、前記
第４の出力電流を得る手段に含まれるスイッチング素子
を通常電圧よりも高い電圧で駆動するので、大振幅動作
が可能となり、また、負荷がインダクタンスの場合にあ
っては連応性を持たせることができる。さらに、前記第
４の出力電流を得る手段に含まれるスイッチング素子は
溝動作に係るスイッチング動作であるから、電力損失は
リニア動作の場合よりも少なく、利力効率が良いものと
なる。また、定常電流を出力する場合は、電源電圧につ
いても必要以上に高くする必要がないことから、リツプ
リの抑制に寄与している。

（実施例） 以下本発明に係る増幅器の一実施例を説明する。なお、
実施例の説明に先立ち本発明の１埋について説明する。

磁気共鳴イメージング装置で発生させる傾斜磁場は、パ
ルスシーケンスの扱いの容易性から時間領域で台形状で
あることが有利である。また、渦電流の発生が無いもの
として考えた場合も傾斜磁場アンプの出力電流となるこ
とから、傾斜磁場アンプの出力電流は台形状にする必要
がある。

そこで、第１図に示す傾斜磁場コイルと傾斜磁場アンプ
とによるシステムの等何回路を考える。

このシステムは、電流サーゲを構成している。

ここで二つの仮定を考える。すなわち、第１の仮定とし
て、電圧増幅器は理想アンプであるとする。すなわち、
出力インピーダンス二〇であり、カットオフ周波数＝■
とする。また％第２の仮定として、負荷は純粋なコイル
であるとする。従って、このコイルは、インダクタンス
成分と抵抗成分のみである。

第１図において、ＩＡＦｉ理想的電圧増幅器であり、Ｉ
Ｍは電流モニタであり、ＥＡは誤差増幅器であり、ＣＴ
は変流器であり、ここで、理想的電圧増幅器ＩＡのゲイ
ンＡ＃′ｉ、単位が無次元であり。

電ｆｉモニタＩＭは［Ｖ／Ａ　］＝［Ω」の単位を持つ
。

ま７’−２１％”Ｌ（ｅＩＮ　）”　ＥＯＩＪＴ　”Ｌ
ｉｅＯＵＴ）　’’ＯＵＴ　＝Ｌ（’ＯＵ？　）と定義
し、Ｌ（）はラプラス変換を意味する。

第１図の回路より次の式が成立する。

第２図は、理想的電圧増幅器ＩＡの特性図であり−ｌ’
０１７？−”　ｌ　＜　ＥＯとする。

上記式において。

ｅｒを消去してラグラス変換すると ■、■よりＥ。、を消去すると。

（Ｌ！ｌ＋Ｒ）■０１ＪＴ　＝　ＡＥＩＮ−ＡＨ”０Ｕ
Ｔ１次おくれ要素となっていることがわかる。

■、■より１゜。７を消去すると。

とした場合の応答を考える。

Ｌ　（ｅｌＮ）　＝　− ■より、下記式及び第３図に示される。

また、■より、以下の式のように出方電流の時間応答が
示される。

時定数＝□　となり、コイル単体の時定数ＡＨ＋Ｒ １−＋■後ノドランスコンダクタンス となる。もしＡ　Ｈ））Ｒならば　ｇ１ｚ責となるっ一
方、■より、以下の式及び第４図のように示される。

ま九、出力電流の時間応答は以下のようになる。

■より、以下の式が与えられる。

ｔ−＋ＯＯ後の電圧ゲイン 最大出力電圧ｅ。ＵＴ（０）＝Ａｍａ−ＣＡＨ十Ｒ）・
１０ＬＩＴ（ｘ）となる。

ステップ入力に対して、一定の出力電流ｌ。。７（ｏｏ
）を得るという条件下で、コイル単体の時定げることが
できる。その代わり出力電圧は（Ｒ＋ＡＨ）・１ｏｔｒ
Ｔ（ｏｏ）という最大電圧を必要とする。

（ロ）　台形入力に対する出力応答 実際のＧＲ−ＡＭＰを使用する場合、スルーレート以下
で使うためにも入力を台形関数とすることが多い、以下
にその場合を考察する。

入力として次の関数ｅ＝ｍｔ−ｍ（ｔ−ａ）・ν（ｔ−
ａ）とする（第５図参照）。

ν（を−畠） ・・・・・＠ これは、第６図に示されている。ただし、ｔｍ　＠で連
続である。上記Ｘ項ＦｉＯ（零）より小である。

■より ｔ−＋■後のトランスコンダクタンスｇ１はＡ）））−
Ｒ Ｈ＋− となりステップ入力の場合と一致する（第７図参照） ■より ＝　Ａｎｔ−Ａｍ（ｔ−ａ）・１（ｔ−ａ）・ＩＦ（ｔ
−ａ） ０（ａ（ｔ） これは、第７図に示される。

出力電圧の応答は次のように表わされるｔ→Ｘ後の電圧
ゲインｇｖを求めると Ｒ ＡＨ＋Ｒ ｊｌｌ力電圧ｅ”＝　ｅ　　（、。

０υＴ　　　　　００丁 即ち、ｗａｘ　　ｆＲ＋ｉｙｒ弓−ｅ−９ｉゝ・ｌｃ、
ｔ、Ｔ（ｏｏ）で最Ｏ口ｔｌ　　　ＩＬ） 大出力電圧（ＲＩ終段に必要な電源電圧の最／ト値）が
求められる。近似的Ｋ　Ｆｉｅｒ：：′ｘｒｚ　＜Ｒ＋
−□（“）トナ８・以上詳述した（イ）ステップ入力に
対する応答、（ロ）台形入力に対する応答の検討結果に
より１票４図及び第７図に示されるように、出力電流の
立ち上がり時に、高い出力電圧を必要とすることがわか
る。・・・結論１ 次に、ＰＷＭ方式アンプによるリニアアンプの実現の可
能性について検討する。すなわち、第８図に示す理想Ｐ
ＷＭアンズを仮定し、信号＃６１ｏ（８゜＝１虐（ω。

、＋ψ）、三角波を振幅１で、角周波数ω、のものとす
ると、その出力電圧町は、下記のように。

（”）（ａｔｈ（ω。、十ψ）−＞１１　　ＱＩＷｎω
８ｔさらに！ｌとめると 以上により次の結論２が導き出される。

スナわち、ω、〉ω０で入力の信号波がａｍ（ω。ｔ＋
ψ）のとき、賦Ｍ方式アンプの出力電圧のω。成分（基
本波）はＥ、・ａ　ｔｈ　（ω。ｔ＋ψ）となり完全に
比例することがわかる。

第４図及び第７図に示すような電圧波形も原理的にフー
リエ展開できる。また実用上問題のないレベルでｍ倍高
調波で打ちきることも可能である。

そうすれば基本波の角周波数ω。で表わすとき。

ω８〉ｍω。を満足するように三角波の角周波数ω８を
設定しておけば結論１．結論２より第４図及び第７図に
示すように出力電圧もＰＷＢＩＩ増幅器で発生可能であ
る。つまり、高調波はローノ臂スフィルタで除去可能で
ある。

以上の原理をもとに、第１７図に示すような構成で、傾
斜磁場アンプ（入力は電圧で、出力が電流のトランスコ
ンダクタンスＯアンプ）を実現できる。

ところが、第１７図のような１ｆＩＬ類の定電圧源（＋
ΣＬｖ、−ＥＬｖ）を使用しているため、出力電流の立
ち上がり／立ち下がり時間がこの電圧で制限をうけると
いう欠点があった。なぜなら第４図及び第７図かられか
るように立ち上がり／立ち下がり時に高い出力電圧が必
要となるからである。

この問題を解決するためにｌ　ＥＬｖｌを高くすると。

出力電流が、一定になってしまった後、つまり第Ｒｍａ ４図、第７図では漸近線冒に落ちついた時刻以降では、
出力電圧が低くてよいことから「時比率」を下げるしか
なく、出力電流のリップルが増えてしまうという欠点が
あった。

そこで１本発明の実施例としては第１０図に示される。

すなわち、出力電流の立ち上がり立ち下がり時には、高
電圧電源（＋　ＥＨｖ、　−ＥＨｖ）を使つて高い電圧
が出力可能圧することによって過度応答性を改善し、出
力電流の定常状態では低電圧電源（＋ＥＬＶＩ　−Ｅｘ
、ｖ　）によってリップルの少ない定常電圧、つまり傾
斜磁場コイルに流れる電流のＩＪ　。

プルも少ない。を実現することができる。

則ち、Ｇ級ＰＷＭ方式アンプとでも呼べるものである。

そのメリットとしては、基本的に開方式なので、最終段
トランジスタはスイッチング動作しかせずエネルギー損
失が少ない。従来のＡ級すニアアンプ、ＡＢ級ソリニア
アンプは理論的電源効率の上限が５（１，７８，５チに
対し９６チ程度になる。

また、Ｇ級動作するため、溝方式でありながら過度応答
性が、従来の円方式だけのものより良い等が挙げられる
。

また従来の０級リニアアンプやＰＷＭ方式アンプと本発
明のＧ級円方式アンプとの相異点は第１３図にて示され
る。

第１０図におけるスイッチング素子２１．２２は、高速
スイッチング可能で高耐圧の半導体スイッチであれば良
く、例えばバイポーラ・トランジスタ、パワーＭＯ８Ｆ
ＥＴ　、　ＩＧＢＴ　、静電誘導トラン・ゾスタ（ＳＩ
Ｔ　）　、サイリスタ等が使用可能である。

またスイッチ３５，３６，３７．３８としては双方向性
スイッチでありさえすればよい。何故なら、スイッチン
グ素子２１．２２がオフ時に傾斜磁場コイルに流れる電
流が環流する必要があるからである。また、交叉させ九
サイリスタ（第１１図）、トライアック（第１２図）等
が使用可能である。

また、定電圧源（±ＥＨＶＩ士ＥＬＶ　）　Ｋは、傾斜
磁場コイルからの回生エネルギーを消費するための回生
処理抵抗と回生用ノ４ワートランジスタを有することが
望ましい。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できるもの
である。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、磁気共鳴イメージング装
置の傾斜磁場電源に使用する場合や汎用直流電動機の駆
動回路に使用する場合等に好適な速応答性が良く且つリ
ップルが少なくして、しかも電源利用効率の高い増幅器
を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第９図は本発明の詳細な説明するものであって
、第１図は負荷を接続した増幅器の概略回路を示す回路
図、第２図は第１図における電圧増幅器の特性図、第３
図及び第４図は増幅器のステップ入力に対する応答を示
す特性図、第５図、第６図及び第７図は同じく台形入力
に対する応答を示す特性図、第８図は理想ＰＷＭ増幅器
の回路図、第９図は第８図に示した理想晶Ｍ増幅器の波
形図。 第１０図は本発明の一実施例の増幅器の回路図、第１１
図及び第１２図は第１０図にて示した一実施例に係る増
幅器のスイッチの回路図、第１３図は第１０図にて示し
た一実施例に係る増幅器の各部の波形図、第１４図は０
級リニアアンプの一例の回路図、第１５図は第１４図に
て示した０級リニアアンプの入力電圧等の波形図、第１
６図は第１４図にて示した０級リニアアンプの各部の波
形図、第１７図は開方式アンプの一例の回路図。 第１８図は第１７図にて示した溝方式アンプの各部の波
形図である。 １０−・・電圧増幅器、１１・・・電圧増幅器、１２゜
１３．１４．１５・・・抵抗器、１６・・・誤差増幅器
、２０・・・スイッチング部、２１．２２・・・スイッ
チング素子、２３．２４・・・フリーホイールダイオー
ド、３０・・・電源部、３１，３２．・・・低電圧電源
、３３゜３４・・・高電圧電源、３５，３６，３７．３
８・・・スイッチ、５０・・・変調部、５１・・・比較
増幅器（コンパレータ）、５２．５３・・・抵抗器。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第３図 υ 第４図 第５図 真６図 第７図 第８図 第１１ｖ！Ｊ　　　　　　　　　第１２Ｆ！！Ｊ第１５
図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電圧を入力し該入力した電圧を増幅して出力電圧を得る
   増幅手段と、この増幅手段から出力された出力電圧及び
   三角波を入力し該入力した前記出力電圧を前記三角波に
   よりＰＷＭ変調し第１の出力電流を得るＰＷＭ変調手段
   と、このＰＷＭ変調手段から出力された前記第１の出力
   電流を入力し該入力した前記第１の出力電流が立ち上が
   り、立ち下がり状態のときにあっては当該第１の出力電
   流を高電圧により付勢して第２の出力電流を得ると共に
   前記第１の出力電流における定常状態のときにあっては
   当該第１の出力電流を低電圧により付勢して第３の出力
   電流を得、これら第２、第３の出力電流をスイッチング
   素子を含む回路にて合成して出力である第４の出力電流
   を得る手段とを具備してなることを特徴とする増幅器。