CN104467690A - 低噪声放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低噪声放大电路，包括输入耦合网络，连接前端电路和后端第一放大器元件；第一放大器元件，与输入耦合网络相连，对输入信号进行放大；第一偏置单元，与第一放大器元件相连，将第一放大器元件的静态工作点控制在线性放大区；第二放大器元件，与第一放大器元件相连，对第一放大器元件的输出信号进行放大；第二偏置单元，与第二放大器元件相连，将第二放大器元件的静态工作点控制在线性放大区。本发明的技术方案，采用了高输入阻抗宽带低噪声放大器，其高输入阻抗实现了前放去耦，宽带放大器提供了较宽的频带，并且提供较低的噪声系数，支持多核磁共振成像的应用，减少设计复杂度，便于电路调试，节省元器件材料。

Description

低噪声放大电路

技术领域

本发明属于射频信号接收集成电路设计领域，具体涉及一种低噪声放大电路。

背景技术

在医疗成像领域，磁共振成像是一种非侵入性、能呈现良好软组织对比度的成像技术。其技术原理是利用在外加强磁场条件下，叠加射频信号使目标区域的原子核产生共振现象发出一定强度的射频信号，之后由接收线圈接收该射频信号，并经过接收链路上的放大器进行信号放大，传递到谱仪等进行后续进一步的信号处理，最终转化为可供医生诊断病灶的图像。

现有的磁共振成像(MRI)系统中，每个原子核的旋磁比(即在单位外磁场强度下的进动频率)不同。由于氢原子存在于人体绝大部分组织中，占有较大比重，并且氢原子磁旋比较高，因此在临床磁共振成像中多利用氢原子作为目标原子来进行成像。在某些医学研究过程中，也会利用其他原子核作为目标原子来进行磁共振成像(例如：磷)，或者同时激发多种原子核进行磁共振成像。

由于在相同的B0场(即外加强磁场)下，不同原子核产生的进动频率不同，当需要对多种原子核进行磁共振成像时造成，接收链路上接收到的射频信号的频率也随之改变，与只进行氢原子核成像时有较大不同。特别是采用传统的低噪声放大器对多核成像时，频率不同的体现特别突出。

如图1所示，现有的低噪声放大器110多采用低输入阻抗，通过匹配网络105将低输入阻抗的放大器110通过阻抗变化在线圈100两端形成一个高阻抗，完成前放去耦的作用。低输入阻抗的低噪声放大器110采用输入端LC电路，以得到最小的噪声系数。其LC电路多采用高Q值的分离器件，利用高Q值的分离器件得到一个带宽比较窄的可用带宽。相对3dB带宽仅为几MHz到10多MHz，这样就限制低噪声放大电路在多核成像中的使用。因为当B0场的场强为3T时，氢原子核1H的进动频率为127.728MHz＝42.576MH/T*3T，磷原子核31P的进动频率为51.705MHz＝17.235MHz/T*3T，这个两个不同原子核在相同B0场的情况下，进动频率相差达到70MHz左右。采用现有技术的低输入阻抗低噪声放大器很难覆盖到这样宽的频带，并且提供低噪声系数。

因此在实际中对应多个原子成像，目前的方式为采用多个对应不同频率的低噪声放大器，这样使电路设计更加复杂，不利于电路的调试，且造成了元器件的浪费。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种能够在磁共振成像系统多核成像应用的低噪声放大器，不需对应不同原子核进动频率设置多个低噪声放大器，使设计简单、便于电路调试，并且节省元器件材料。

为了实现上述目的，本发明提供了一种低噪声放大器，包括：

输入耦合网络，连接前端电路和后端第一放大器元件，用于实现前端、后端电路的阻抗匹配；

第一放大器元件，具有高输入阻抗的放大器元件，与输入耦合网络相连，对输入信号进行放大；

第一偏置单元，与第一放大器元件相连，将第一放大器元件的静态工作点控制在线性放大区；

第二放大器元件，与第一放大器元件相连，对第一放大器元件的输出信号进行放大；

第二偏置单元，与第二放大器元件相连，将第二放大器元件的静态工作点控制在线性放大区；

所述第二偏置单元和第二放大器元件组成第二级放大电路，所述第二级放大电路中各电路元件的连接方式为宽频带连接设置。

进一步的，所述输入耦合网络包括电容C1和电感L1，所述电容C1用于隔直和射频耦合的作用，所述电感L1用于偏置和增加稳定的作用。

进一步的，所述第一放大器元件和所述第一偏置单元组成第一级放大电路，所述第一放大器元件为高电子迁移率晶体管集成电路元件，所述输入耦合网络与所述高电子迁移率晶体管集成电路元件的门极相连，所述第二放大器元件为双极结型三极管集成电路元件，所述第一级放大电路和所述第二级放大电路之间采用共射共基方式连接，所述第二级放大电路与所述高电子迁移率晶体管集成电路元件的Drain极相连。

进一步的，所述第一级放大电路中各电路元件连接方式为共源极连接设置。

进一步的，所述第一偏置单元包括与所述高电子迁移率晶体管集成电路元件的第一源极相连的电阻R1、电容C2，以及与所述高电子迁移率晶体管集成电路元件的第二源极相连的电容C3，其中电阻R1、电容C2以及电容C3另一端接地。

进一步的，所述第二级放大电路的各元件连接方式为共基极连接设置。

进一步的，所述第二偏置单元包括与所述双极结型三极管集成电路元件的发射极相连的电阻R2、电阻R4、直流电源DC，以及与所述双极结型三极管集成电路元件的基极相连的电阻R3，其中电阻R2的另一端与所述双极结型三极管集成电路元件的基极相连，电阻R3、电阻R4以及直流电源DC另一端接地。

进一步的，所述第二级放大电路还包括滤波单元，所述滤波单元与所述双极结型三极管集成电路元件的基极相连，用于射频信号的滤波。

进一步的，所述滤波单元包括电容C3，所述电容C3一端与所述双极结型三极管集成电路元件的基极相连，另一端接地。

本发明技术方案相比于现有技术的优势在于，采用高输入阻抗宽带低噪声放大器，其高输入阻抗实现了前放去耦，宽带放大器提供了较宽的频带，并且提供较低的噪声系数，支持多核磁共振成像的应用，减少设计复杂度，便于电路调试，节省元器件材料。

附图说明

图1为现有技术接收链路电路连接示意图；

图2为本发明低噪声放大电路各模块示意图；

图3为本发明低噪声放大电路连接示意图；

图4为本发明第一级放大电路的双频段噪声示意图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征、优点能够更为显而易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。

图2为本发明低噪声放大电路各模块示意图，请参见图2。

本发明的设计思想为采用两级结构的高输入阻抗宽带低噪声放大电路，包括：位于线圈200和第一放大器元件210之间的输入耦合网络205，连接前端电路和后端第一放大器元件，用于实现前端、后端电路的阻抗匹配；具有高输入阻抗的第一放大器元件210，与输入耦合网络相连，对输入信号进行放大；用于保证第一放大器元件210的静态工作点在线性放大区的第一偏置单元215；与第一放大器元件相连，对第一放大器元件的输出信号进行放大的第二放大器元件220；用于保证第二放大器元件220的静态工作点在线性放大区的第二偏置单元225；在另一个实施例中，还包括与第二放大器元件220相连，用于射频信号滤波的滤波单元230。最终经过两级电路放大后的射频信号，由out端输出到后续电路。第一放大器元件和第一偏置单元组成第一级放大电路，第二放大器元件和第二偏置单元组成第二级放大器电路。第二级放大电路中各电路元件的连接方式为宽频带连接设置。

优选的，第一放大器元件采用高电子迁移率晶体管(HEMT，High ElectronMobility Transistor)的集成电路(IC)，第二放大器元件采用双极结型晶体三极管(BJT，Bipolar Junction Transistor)的集成电路，并且第二级放大电路采用宽带的放大器设计。高电子迁移率晶体管和双极结型晶体三极管之间采用共射共基结构(CASCODE结构)的设计组合。

图3为本发明低噪声放大电路连接示意图，请参见图3，第一级放大电路采用高电子迁移率晶体管(HEMT，High Electron Mobility Transistor)的集成电路(IC)，HEMT采用共源极连接(COMMON SOURCE)的结构。HEMT的四个端口分别为drain极、门极(gate极)以及两个源极(source极)，与双极结型晶体三极管(BJT，Bipolar Junction Transistor)相比HEMT的特点是有较低的噪声系数，并且HEMT的输入阻抗较高，其输入阻抗的大致范围在几百欧姆到一千欧姆之间。

在HEMT和线圈(Coil)之间接有输入耦合网络205，其输入耦合网络205由电容C1和电感L1组成，C1用于隔离直流电并和L1一同起到调节线圈(Coil)和后续电路相匹配的作用，C1电容用于隔直和射频耦合的作用，因为利用第一级放大器自有的低噪声和高阻抗的特性，并不需要利用C1电容进行匹配；L1电感用于偏置和增加稳定的作用。输入耦合网络205在第一级放大器电路一侧与HEMT的门极(Gate极)相连。

此外，为了保证HEMT的静态工作点处于线性放大区设有第一偏置单元215，其中C2和C3为Source极的旁路(bypass)电容，R1为HEMT的偏置电阻。C2和R1一端与HEMT的一个Source极相连，C2和R1另一端接地。C3和HEMT的第二个Source极相连，另一端接地。

通过仿真HEMT第一级放大器电路，图4为对50MHz和128MHz两个频段下的仿真结果噪声圆图，可以从图4中看到它的最小的噪声系数都是接近高阻抗区域，图中横轴|Zin(Ω)|表示电路输入阻抗Zin(Ω)的绝对值，纵轴表示其输入阻抗Zin(Ω)对应的相位角。通过仿真50MHz和128MHz两个点可以看到，这个两个频段的等噪声圆很接近。在频率freq＝50MHz时，可以找到图4中的m1点处，其噪声系数ns figure＝0.073063，对应阻抗impedance＝241.15欧姆(取系统特征阻抗为50欧姆)；在频率freq＝128MHz时，找到图4中的m2点处，噪声系数ns figure＝0.073063，对应阻抗impedance＝283.45欧姆(系统特征阻抗为50欧姆)。因此可以完成高输入阻抗和低噪声系数两个要求。

第二级放大电路采用BJT的IC，并以宽频带的方式进行放大器设计。BJT的集电极与HEMT的Drain极相连。第二级的双极结型晶体三极管(BJT)采用共基极连接(COMMON BASE)的结构。因为BJT采用的是共基极的设计，共基极的设计是宽带的特性，带宽范围在几百MHz到一个GMHz左右。滤波单元230由电容C3构成，其一端与BJT的基极相连，另一端接地，用于射频信号的滤波。

第二偏置电路225包括电阻R2、R3、R4以及直流电源DC，保证BJT的静态工作点处于线性放大区。其中R3、R4、R5是BJT的偏置电阻，提供为HEMT供电做一个可调范围，电阻R2一端与BJT的发射极相连，一端连有电阻R3。电阻R3一端连有R2，并共同连到BJT的基极，电阻R3另一端接地。电阻R4和直流电源DC分别一端与BJT的发射极相连，另一端接地。在本发明技术方案的实施过程中，可根据HEMT的工作电压来调整这些电阻值。COMMON BASE就是一个宽带的放大器架构，对整个链路的增益提供补偿，并且完成宽带的输出匹配。而且可以利用高输入阻抗的完成线圈的前放去耦。

本发明的高输入阻抗宽带低噪声放大器的特点在于，高输入阻抗，实现前放去耦；宽带放大器，能覆盖比较宽的频带，并且提供较低的噪声系数；宽带能在多核应用中，减少相应的电路元器件。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种低噪声放大电路，其特征在于，包括：

输入耦合网络，连接前端电路和后端第一放大器元件，用于实现前端、后端电路的阻抗匹配；

第一放大器元件，具有高输入阻抗的放大器元件，与输入耦合网络相连，对输入信号进行放大；

第一偏置单元，与第一放大器元件相连，将第一放大器元件的静态工作点控制在线性放大区；

第二放大器元件，与第一放大器元件相连，对第一放大器元件的输出信号进行放大；

第二偏置单元，与第二放大器元件相连，将第二放大器元件的静态工作点控制在线性放大区；

所述第二偏置单元和第二放大器元件组成第二级放大电路，所述第二级放大电路中各电路元件的连接方式为宽频带连接设置。

2.如权利要求1所述的低噪声电路，其特征在于，所述输入耦合网络包括电容C1和电感L1，所述电容C1用于隔直和射频耦合的作用，所述电感L1用于偏置和增加稳定的作用。

3.如权利要求1所述的低噪声放大电路，其特征在于，所述第一放大器元件和所述第一偏置单元组成第一级放大电路，所述第一放大器元件为高电子迁移率晶体管集成电路元件，所述输入耦合网络与所述高电子迁移率晶体管集成电路元件的门极相连，所述第二放大器元件为双极结型三极管集成电路元件，所述第一级放大电路和所述第二级放大电路之间采用共射共基方式连接，所述第二级放大电路与所述高电子迁移率晶体管集成电路元件的Drain极相连。

4.如权利要求3所述的低噪声放大电路，其特征在于，所述第一级放大电路中各电路元件连接方式为共源极连接设置。

5.如权利要求4所述的低噪声放大电路，其特征在于，所述第一偏置单元包括与所述高电子迁移率晶体管集成电路元件的第一源极相连的电阻R1、电容C2，以及与所述高电子迁移率晶体管集成电路元件的第二源极相连的电容C3，其中电阻R1、电容C2以及电容C3另一端接地。

6.如权利要求3所述的低噪声放大电路，其特征在于，所述第二级放大电路的各元件连接方式为共基极连接设置。

7.如权利要求6所述的低噪声放大电路，其特征在于，所述第二偏置单元包括与所述双极结型三极管集成电路元件的发射极相连的电阻R2、电阻R4、直流电源DC，以及与所述双极结型三极管集成电路元件的基极相连的电阻R3，其中电阻R2的另一端与所述双极结型三极管集成电路元件的基极相连，电阻R3、电阻R4以及直流电源DC另一端接地。

8.如权利要求6所述的低噪声放大电路，其特征在于，所述第二级放大电路还包括滤波单元，所述滤波单元与所述双极结型三极管集成电路元件的基极相连，用于射频信号的滤波。

9.如权利要8所述的低噪声放大电路，其特征在于，所述滤波单元包括电容C3，所述电容C3一端与所述双极结型三极管集成电路元件的基极相连，另一端接地。