專利名稱：改進(jìn)用于mri的低噪聲前置放大器的輸入阻抗的制作方法
改進(jìn)用于MRI的低噪聲前置放大器的輸入阻抗本申請?zhí)貏e適用于醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)。但是，應(yīng)該認(rèn)識到所描述的(多項(xiàng))技術(shù)還適用于其他類型的成像系統(tǒng)、期望進(jìn)行輸入阻抗修改的其他系統(tǒng)和/或采用前置放大器的其他應(yīng)用。在磁共振成像中，表面或局部接收線圈輸出很容易被噪聲或反饋污染的非常弱的信號。理想地，在局部接收線圈上，匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該與非常高或無窮大的阻抗連接。另一方面，期望局部接收線圈輸入端上的前置放大器面對相對低的阻抗。在前置放大器內(nèi)側(cè)，通過FET設(shè)備的有源柵極-源極阻抗來定義輸入阻抗。當(dāng)源極接地端與前置放大器接地端和RF線圈接地端連接時，形成反饋環(huán)。這一反饋環(huán)不利地影響來自線圈的MR信號。用于磁共振成像(MRI)系統(tǒng)的低噪聲前置放大器被設(shè)計成具有最小噪聲系數(shù)，并 結(jié)合有在信號源(MRI天線)與前置放大器輸入端之間的大阻抗失配。該大阻抗失配(例如大約I : 50)被用于降低天線上的電流并由此減輕MRI線圈陣列中的互感負(fù)效應(yīng)。經(jīng)典前置放大器設(shè)計使用通常具有高電抗性(電容性)柵極的場效應(yīng)晶體管(FET)設(shè)備。FET柵極的電阻分量部分歸因于柵極電容的損失，且部分歸因于放大信號的串聯(lián)電壓反饋。這一反饋是源極鍵合線和連接的PCB跡線的有限阻抗的結(jié)果，這導(dǎo)致來自漏極-源極電流的電壓降，其有效地改變柵極-源極輸入電壓。本領(lǐng)域中存在對這樣的系統(tǒng)和方法的未滿足的需求其促進(jìn)降低鍵合線引起的串聯(lián)電壓反饋并由此改進(jìn)前置放大器的阻抗失配比等，由此克服上述缺陷。根據(jù)一個方面，一種具有FET設(shè)備的前置放大器設(shè)備包括柵極、漏極、連接到浮動接地端的第一源極以及耦合到第二接地端的第二源極。根據(jù)另一方面，一種降低FET前置放大器設(shè)備中的輸入阻抗的方法包括利用第一源極中的第一源極電阻和第一源極阻抗以及第二源極中的第二源極電阻和第二源極阻抗隔離第一源極與第二源極，使得放大功率僅在漏極與第二源極之間流動而不增加前置放大器的輸入側(cè)的柵極處的阻抗。該方法還包括將第一源極連接到浮動接地端并且將第二源極連接到系統(tǒng)接地端。一個優(yōu)點(diǎn)是電壓反饋被降低。另一優(yōu)點(diǎn)是改進(jìn)了輸入-輸出阻抗比。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀和理解以下詳細(xì)描述之后將認(rèn)識到本主題創(chuàng)新的更多優(yōu)點(diǎn)。附圖僅用于圖示說明各個方面并且不應(yīng)被解讀為是限制性的。圖I圖示說明磁共振成像系統(tǒng)；圖2圖示說明包括耦合到具有第一和第二源極連接部的芯片的柵極和漏極的前置放大器電路FET設(shè)備；圖3圖示說明前置放大器布置，其中平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器被耦合到前置放大器，例如以便實(shí)現(xiàn)用于確定散射參數(shù)和/或阻抗矩陣的測試設(shè)置；圖4圖示說明根據(jù)在此描述的各個方面的改進(jìn)前置放大器(例如FET設(shè)備)的輸入-輸出阻抗比的方法；圖5圖示說明根據(jù)在此描述的各個方面的天線陣列，其包括緊密布置的多個天線，每個天線被耦合到專用FET前置放大器設(shè)備。根據(jù)在此呈現(xiàn)的各種特征，描述了通過在源極觸點(diǎn)中采用兩根鍵合線來促進(jìn)減輕在前置放大器輸入端處面對的電壓反饋的系統(tǒng)和方法。一根鍵合線連接磁共振線圈接地端，而另一源極鍵合線與前置放大器接地端連接。鍵合線中的每一個均具有固有的電感和電阻。以此方式，RF線圈具有消除在接收來自磁共振線圈的輸出的輸入端子兩端的電壓降的浮動接地端。盡管本創(chuàng)新是在局部磁共振線圈中的反饋問題的背景下描述的，其理念還適用于其他應(yīng)用，其中分離的輸入和輸出接地端連接部是合適的并且期望使到輸入端的電壓反饋?zhàn)钚』?。參?br>
圖1，MRI系統(tǒng)10包括生成穿過檢查區(qū)域14的時間恒定主磁場或BO磁場的主磁體12。梯度磁體16在序列控制器18的控制下生成橫跨檢查區(qū)域的梯度磁場。該序列 控制器還控制RF發(fā)射器20以促使RF線圈22生成BI磁場以激勵并操縱共振。感生共振信號被表面或局部接收線圈組件24接收，該表面或局部接收線圈組件24通過引線或纜線26連接到MRI系統(tǒng)10的接收器28。重建處理器30將由局部線圈組件24接收的MR信號重建成圖像表示，該圖像表示被存儲在圖像存儲器32中、顯示在監(jiān)視器34上等。局部線圈組件24包括具有電抗40x和電阻40K的一個或多個線圈40。匹配電路42包括例如被連接成T網(wǎng)絡(luò)的多個電抗42X1、42X2和42X3。匹配電路42將線圈40連接到前置放大器44，該前置放大器具有在線圈輸入端46 A與浮動線圈接地端46之間的輸入級處的FET設(shè)備46。前置放大器44具有經(jīng)由引線26連接到接收器28的輸出端44&以及經(jīng)由該引線連接到接收器等的系統(tǒng)接地端的輸出接地端44_該FET設(shè)備包括柵極60、漏極62、第一源極66以及第二源極68。可選地，該前置放大器包括額外的放大器級69等。應(yīng)該理解的是“源極”66、68指代FET設(shè)備上的源極連接部或引腳。圖2圖示說明包括連接到輸入端46 A的柵極60和耦合到設(shè)備芯片64的漏極62的前置放大器電路FET設(shè)備46。該芯片具有耦合到局部線圈接地端46的第一源極66和連接到輸出或系統(tǒng)接地端44的第二源極68。柵極60固有地具有與柵極電阻Rg串聯(lián)的柵極電感Lg。該FET設(shè)備具有在柵極和源極之間的柵極到源極電容Cgs。該柵極到源極電容Cgs與柵極到源極電阻Rgs串聯(lián)耦合，該柵極到源極電阻Rgs被耦合到總線70。由線圈40(圖I)在柵極到源極電容Cgs和柵極到源極電阻Rgs兩端施加?xùn)艠O到源極電壓Vgs。漏極64定義與漏極電阻Rd串聯(lián)的漏極電感Ld，該漏極電阻Rd被耦合到漏極到源極電容Cds、漏極到源極電阻Rds和恒定直流電流源72，這些元件相對彼此以并聯(lián)布置耦合到總線70。電流源72供應(yīng)由gm*Vgs定義的電流，其中g(shù)m是互導(dǎo)。同樣耦合到總線70的是第一源極66和第二源極68。第一源極連接部具有與第一源極電阻Rsi串聯(lián)的源極電感LS1。第一源極與例如局部線圈接地端46i4的浮動接地端連接。第二源極20包括與第二源極電阻Rs2串聯(lián)的第二源極感應(yīng)部件LS2。第二源極將總線70耦合到系統(tǒng)接地端。浮動接地端46地和系統(tǒng)接地端44ift (例如第一和第二 FET源極)中的每一個均經(jīng)由分離的鍵合線耦合到總線70，由此將前置放大器的輸入端與不希望的電壓反饋隔離開。在一個實(shí)施例中，芯片16包括耦合到總線70的兩個(或更多個)引腳54、56，兩個分離的源極耦合到這兩個引腳。連接一個源極引腳(例如引腳54)到放大器的輸入接地端46i4并且連接第二源極引腳(例如引腳56)到該設(shè)備的輸出接地端4 在兩個接地端保持分離時降低了串聯(lián)電壓反饋。保持接地端分離在MRI線圈設(shè)計中是便利的，因?yàn)樵试S每個局部線圈相對于電路中的任何其他部件具有“浮動接地端”。在另一實(shí)施例中，可以通過使用“平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器”(平衡到不平衡)設(shè)備來將輸入接地端和輸出接地端彼此隔離開。本發(fā)明采用了在設(shè)備封裝體上具有至少兩個分離的源極連接部的FET設(shè)備，從而使得源極引腳中的至少一個被連接到前置放大器的輸入接地端46i4，且源極引腳中的至少另一個被連接到前置放大器的輸出接地端44_因此前置放大器的輸入接地端和輸出接地端通過電阻Rsi和Rs2以及電感Lsi和Ls2而保持彼此分離(隔離)。以此方式，放大功率僅在漏極62與第二(輸出側(cè))源極68之間流動，這使得至前置放大器的輸入側(cè)的反饋?zhàn)钚』Ｔ揊ET設(shè)備可以被用在包括低噪聲前置放大器的局部MRI或MR光譜學(xué)線圈中，其中在線圈40與前置放大器44之間具有高阻抗失配。在另一實(shí)施例中，F(xiàn)ET設(shè)備可以被用 在使用緊密間隔的并因此耦合的天線陣列的射電天文學(xué)應(yīng)用中。根據(jù)另一實(shí)施例，F(xiàn)ET設(shè)備可以被用在需要源極與前置放大器之間的高阻抗失配的任何應(yīng)用中。根據(jù)一個實(shí)施例,在前置放大器的輸入側(cè)由跨導(dǎo)(transductance)gm導(dǎo)致的阻抗通過解耦輸入源極和輸出源極而被減小或消除。例如，在經(jīng)典前置放大器布置中，輸入阻抗可以被定義為
rL ^ rI ^
Z入=Rg + Rgs +Rs+ Sm*TT- + J mLs + a>Lg — o
VSs J VSs J通過隔離輸入源極和輸出源極(例如接地端)，僅在前置放大器的輸出側(cè)面對由跨導(dǎo)gm導(dǎo)致的阻抗，從而輸入阻抗被定義為
f 1 \
Z入=( + Rgs +Rs\)+ J 4i + aLg —°
IO以此方式，輸入阻抗的電阻分量被減小，由此改進(jìn)了線圈與前置放大器之間的失配比。也就是說，輸入端兩端的電壓降Vgs被極大地減小或去除，由此改進(jìn)了前置放大器的輸入端和輸出端之間的阻抗比。圖3圖示說明前置放大器布置80，其中平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器82被耦合到前置放大器44，例如以便實(shí)現(xiàn)用于確定散射參數(shù)的測試設(shè)置。平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器通過第一和第二連接部耦合到第一測試端口并耦合到前置放大器，這些連接部之一為輸入接地端46前置放大器進(jìn)一步通過一對連接部耦合到第二測試端口，這些連接部之一是輸出接地端44
以此方式，輸入接地端和輸出接地端被彼此隔離，由此確保放大功率僅從前置放大器的漏極流到輸出端。保護(hù)了輸入阻抗免受不希望的反饋影響，并且改進(jìn)了前置放大器兩端的阻抗比。圖4圖示說明根據(jù)在此描述的各個方面增加線圈與前置放大器(例如FET設(shè)備)之間的阻抗失配的方法。在100處，前置放大器FET設(shè)備的輸入側(cè)源極被耦合到浮動接地端。在一個實(shí)施例中，該浮動接地端是MR設(shè)備的局部線圈或天線。在102處，輸出側(cè)源極被耦合到與浮動接地端分離并隔離開的第二接地端，例如系統(tǒng)接地端。在104處，輸入側(cè)源極和輸出側(cè)源極被保持分離以消除至FET設(shè)備的輸入側(cè)的反饋。以此方式，輸入側(cè)的阻抗被降低，從而增加了線圈與前置放大器之間的阻抗失配。圖5圖示說明根據(jù)在此描述的各個方面包括緊密布置的多個線圈40的線圈陣列24的實(shí)施例，每個線圈被耦合到專用FET前置放大器設(shè)備44。該FET設(shè)備促進(jìn)降低從FET的輸出側(cè)到其輸入側(cè)的電壓反饋，并且可以被用在任何緊密間隔的和/或耦合的天線陣列中，例如用于射電天文學(xué)應(yīng)用中的那些天線陣列等。已經(jīng)參考若干實(shí)施例描述了本發(fā)明。在閱讀和理解之前的詳細(xì)描述之后其他人員 容易想到各種修改和變化。意在將本發(fā)明解讀為包括所有這種修改和變化，只要它們都落在隨附的權(quán)利要求及其等價物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種具有FET設(shè)備(46)的前置放大器設(shè)備(44)，其包括 柵極(60)； 漏極(62)； 耦合到浮動接地端(46i4)的第一源極￠6);以及 耦合到第二接地端(44i4)的第二源極(68)。
2.如權(quán)利要求I所述的前置放大器設(shè)備，其中 所述FET設(shè)備的所述柵極具有柵極電抗Lg和柵極電阻Rg ； 所述FET設(shè)備的所述漏極具有漏極電抗Ld和漏極電阻Rd ； 所述第一源極具有第一源極電抗Lsi和第一源極電阻Rsi ;并且 所述第二源極具有第二源極電抗Ls2和第二源極電阻RS2。
3.如權(quán)利要求2所述的前置放大器設(shè)備，其中，所述第一源極￠6)和所述第二源極(68)通過所述第一源極電阻Rsi、所述第二源極電阻Rs2、所述第一源極電抗Lsi以及所述第ニ源極電抗Ls2彼此隔離。
4.如權(quán)利要求2或3所述的前置放大器設(shè)備(44)，其中，所述FET設(shè)備(46)具有串聯(lián)耦合在所述柵極￠0)與所述第一和第二源極(66、68)之間的柵極到源極電容(Cgs)和柵極到源極電阻(Rgs)。
5.如權(quán)利要求4所述的前置放大器設(shè)備(44)，其中，所述FET設(shè)備(46)具有并聯(lián)耦合在所述漏極62與所述第一和第二源極(66、68)之間的漏極到源極電容(Cds)、漏極到源極電阻(Rds)以及直流電流源(72)。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的前置放大器設(shè)備(44)，其中，放大功率在所述漏極(62)與所述前置放大器(44)的輸出側(cè)上的所述第二源極￠8)之間流動，并且不修改所述
7.ー種線圈組件(24)，其包括 線圈(40)，其耦合到如權(quán)利要求I所述的前置放大器設(shè)備(44)的所述柵極(60)和所述第一源極(66)，其中，所述浮動接地端(46i4)是所述線圈組件的接地端。
8.ー種MR設(shè)備(10)，其包括 主磁體(14)，其生成穿過檢查區(qū)域(14)的時間恒定BO磁場； 梯度磁體(16)，其生成橫跨所述檢查區(qū)域(14)的梯度磁場； RF發(fā)射器(20)和RF線圈(22)，其生成橫跨所述檢查區(qū)域(14)的BI場；以及 如權(quán)利要求7所述的線圈組件(24)。
9.如權(quán)利要求8所述的MR設(shè)備，其還包括 多個所述線圈組件(24)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的MR設(shè)備，其還包括 引線(26)，其將所述前置放大器(44)連接到接收器(28)并且連接所述第二源極(68)與所述接收器的系統(tǒng)接地端。
11.如權(quán)利要求I所述的前置放大器設(shè)備，其被用在天線陣列中。
12.如權(quán)利要求11所述的前置放大器設(shè)備，其中，所述天線陣列是射電天文學(xué)天線陣列。
13.一種使到如權(quán)利要求2-12中任一項(xiàng)所述的前置放大器設(shè)備(44)的輸入阻抗降低的方法，其包括 通過所述第一源極電阻(Rsi)、所述第二源極電阻(Rs2)、所述第一源極阻抗(Lsi)以及所述第二源極阻抗(Ls2)隔離所述第一和第二源極出6、68)。
14.一種降低FET前置放大器設(shè)備(46)中的輸入阻抗的方法，其包括 利用第一源極￠6)中的第一源極第一源極電阻(Rsi)和第一源極阻抗(Lsi)和第二源極(68)中的第二源極電阻(Rs2)和第二源極阻抗(Ls2)隔離所述第一源極(66)與所述第二源極(68)，使得放大功率僅在漏極￠2)和所述第二源極￠8)之間流動并且不増加所述前置放大器的輸入側(cè)的柵極￠0)處的阻抗； 將所述第一源極￠6)連接到浮動接地端(46i4);以及 將所述第二源極￠8)連接到系統(tǒng)接地端(44i4)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其還包括 在所述FET設(shè)備(46)的所述柵極￠0)中提供柵極電抗Lg和柵極電阻Rg;以及 在所述FET設(shè)備(46)的所述漏極(62)中提供漏極電抗Ld和漏極電阻Rd。
16.如權(quán)利要求14或15所述的方法，其中，所述FET設(shè)備(46)具有串聯(lián)耦合在所述柵極￠0)與所述第一和第二源極(66、68)之間的柵極到源極電容(Cgs)和柵極到源極電阻(Rgs)。
17.如權(quán)利要求14-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述FET設(shè)備(46)具有并聯(lián)耦合在所述漏極￠2)與所述第一和第二源極(66、68)之間的漏極到源極電容(Cds)、漏極到源極電阻(Rds)和直流電流源(72)。
18.如權(quán)利要求14-17中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括 將線圈(40)耦合到所述FET設(shè)備(46)的所述柵極(60)和所述第一源極(66)，其中，所述浮動接地端(46i4)是所述線圈(40)的接地端。
全文摘要
前置放大器(46)包括具有公共源極配置的場效應(yīng)晶體管(64)。當(dāng)場效應(yīng)晶體管的柵極被耦合到放大器輸入電路(例如MRI線圈)時，場效應(yīng)晶體管(64)的漏極被耦合到放大器輸出端。該前置放大器還包括第一源-地連接部(66)和第二源-地連接部(68)。第一源-地引線(66)將場效應(yīng)晶體管的源極耦合到放大器輸入電路的接地節(jié)點(diǎn)，而第二源-地引線(68)將場效應(yīng)晶體管的源極耦合到放大器輸出電路的接地節(jié)點(diǎn)。結(jié)果，放大器輸出電流基本在第二源-地引線(68)兩端生成電壓降。因此，放大器輸入電路較少地受到任何公共源-地連接部兩端的任何公共電壓降的影響。
文檔編號H03F3/193GK102804595SQ201080032378
公開日2012年11月28日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者A·賴高斯基 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司