低噪聲放大電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低噪聲放大電路，包括輸入耦合網(wǎng)絡，連接前端電路和后端第一放大器元件；第一放大器元件，與輸入耦合網(wǎng)絡相連，對輸入信號進行放大；第一偏置單元，與第一放大器元件相連，將第一放大器元件的靜態(tài)工作點控制在線性放大區(qū)；第二放大器元件，與第一放大器元件相連，對第一放大器元件的輸出信號進行放大；第二偏置單元，與第二放大器元件相連，將第二放大器元件的靜態(tài)工作點控制在線性放大區(qū)。本發(fā)明的技術方案，采用了高輸入阻抗寬帶低噪聲放大器，其高輸入阻抗實現(xiàn)了前放去耦，寬帶放大器提供了較寬的頻帶，并且提供較低的噪聲系數(shù)，支持多核磁共振成像的應用，減少設計復雜度，便于電路調(diào)試，節(jié)省元器件材料。
【專利說明】低噪聲放大電路

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于射頻信號接收集成電路設計領域，具體涉及一種低噪聲放大電路。

【背景技術】
[0002]在醫(yī)療成像領域，磁共振成像是一種非侵入性、能呈現(xiàn)良好軟組織對比度的成像技術。其技術原理是利用在外加強磁場條件下，疊加射頻信號使目標區(qū)域的原子核產(chǎn)生共振現(xiàn)象發(fā)出一定強度的射頻信號，之后由接收線圈接收該射頻信號，并經(jīng)過接收鏈路上的放大器進行信號放大，傳遞到譜儀等進行后續(xù)進一步的信號處理，最終轉(zhuǎn)化為可供醫(yī)生診斷病灶的圖像。
[0003]現(xiàn)有的磁共振成像(MRI)系統(tǒng)中，每個原子核的旋磁比(即在單位外磁場強度下的進動頻率)不同。由于氫原子存在于人體絕大部分組織中，占有較大比重，并且氫原子磁旋比較高，因此在臨床磁共振成像中多利用氫原子作為目標原子來進行成像。在某些醫(yī)學研究過程中，也會利用其他原子核作為目標原子來進行磁共振成像(例如:磷)，或者同時激發(fā)多種原子核進行磁共振成像。
[0004]由于在相同的BO場(即外加強磁場)下，不同原子核產(chǎn)生的進動頻率不同，當需要對多種原子核進行磁共振成像時造成，接收鏈路上接收到的射頻信號的頻率也隨之改變，與只進行氫原子核成像時有較大不同。特別是采用傳統(tǒng)的低噪聲放大器對多核成像時，頻率不同的體現(xiàn)特別突出。
[0005]如圖1所示，現(xiàn)有的低噪聲放大器110多采用低輸入阻抗，通過匹配網(wǎng)絡105將低輸入阻抗的放大器110通過阻抗變化在線圈100兩端形成一個高阻抗，完成前放去耦的作用。低輸入阻抗的低噪聲放大器I1采用輸入端LC電路，以得到最小的噪聲系數(shù)。其LC電路多采用高Q值的分離器件，利用高Q值的分離器件得到一個帶寬比較窄的可用帶寬。相對3dB帶寬僅為幾MHz到10多MHz，這樣就限制低噪聲放大電路在多核成像中的使用。因為當BO場的場強為3T時，氫原子核IH的進動頻率為127.728MHz = 42.576MH/T*3T，磷原子核31P的進動頻率為51.705MHz = 17.235MHz/T*3T，這個兩個不同原子核在相同BO場的情況下，進動頻率相差達到70MHz左右。采用現(xiàn)有技術的低輸入阻抗低噪聲放大器很難覆蓋到這樣寬的頻帶，并且提供低噪聲系數(shù)。
[0006]因此在實際中對應多個原子成像，目前的方式為采用多個對應不同頻率的低噪聲放大器，這樣使電路設計更加復雜，不利于電路的調(diào)試，且造成了元器件的浪費。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的問題是提供一種能夠在磁共振成像系統(tǒng)多核成像應用的低噪聲放大器，不需對應不同原子核進動頻率設置多個低噪聲放大器，使設計簡單、便于電路調(diào)試,并且節(jié)省元器件材料。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種低噪聲放大器，包括:
[0009]輸入耦合網(wǎng)絡，連接前端電路和后端第一放大器元件，用于實現(xiàn)前端、后端電路的阻抗匹配；
[0010]第一放大器元件，具有高輸入阻抗的放大器元件，與輸入耦合網(wǎng)絡相連，對輸入信號進行放大；
[0011]第一偏置單元，與第一放大器元件相連，將第一放大器元件的靜態(tài)工作點控制在線性放大區(qū)；
[0012]第二放大器兀件,與第一放大器兀件相連,對第一放大器兀件的輸出信號進行放大；
[0013]第二偏置單元，與第二放大器元件相連，將第二放大器元件的靜態(tài)工作點控制在線性放大區(qū)；
[0014]所述第二偏置單元和第二放大器元件組成第二級放大電路，所述第二級放大電路中各電路元件的連接方式為寬頻帶連接設置。
[0015]進一步的，所述輸入耦合網(wǎng)絡包括電容Cl和電感LI，所述電容Cl用于隔直和射頻耦合的作用，所述電感LI用于偏置和增加穩(wěn)定的作用。
[0016]進一步的，所述第一放大器元件和所述第一偏置單元組成第一級放大電路，所述第一放大器元件為高電子遷移率晶體管集成電路元件，所述輸入耦合網(wǎng)絡與所述高電子遷移率晶體管集成電路元件的門極相連，所述第二放大器元件為雙極結型三極管集成電路元件，所述第一級放大電路和所述第二級放大電路之間采用共射共基方式連接，所述第二級放大電路與所述高電子遷移率晶體管集成電路元件的Drain極相連。
[0017]進一步的，所述第一級放大電路中各電路元件連接方式為共源極連接設置。
[0018]進一步的，所述第一偏置單元包括與所述高電子遷移率晶體管集成電路元件的第一源極相連的電阻R1、電容C2，以及與所述高電子遷移率晶體管集成電路元件的第二源極相連的電容C3，其中電阻R1、電容C2以及電容C3另一端接地。
[0019]進一步的，所述第二級放大電路的各元件連接方式為共基極連接設置。
[0020]進一步的，所述第二偏置單元包括與所述雙極結型三極管集成電路元件的發(fā)射極相連的電阻R2、電阻R4、直流電源DC，以及與所述雙極結型三極管集成電路元件的基極相連的電阻R3，其中電阻R2的另一端與所述雙極結型三極管集成電路元件的基極相連，電阻R3、電阻R4以及直流電源DC另一端接地。
[0021]進一步的，所述第二級放大電路還包括濾波單元，所述濾波單元與所述雙極結型三極管集成電路元件的基極相連，用于射頻信號的濾波。
[0022]進一步的，所述濾波單元包括電容C3，所述電容C3 —端與所述雙極結型三極管集成電路元件的基極相連，另一端接地。
[0023]本發(fā)明技術方案相比于現(xiàn)有技術的優(yōu)勢在于，采用高輸入阻抗寬帶低噪聲放大器，其高輸入阻抗實現(xiàn)了前放去耦，寬帶放大器提供了較寬的頻帶，并且提供較低的噪聲系數(shù)，支持多核磁共振成像的應用，減少設計復雜度，便于電路調(diào)試，節(jié)省元器件材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為現(xiàn)有技術接收鏈路電路連接示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明低噪聲放大電路各模塊示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明低噪聲放大電路連接示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明第一級放大電路的雙頻段噪聲示意圖。

【具體實施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的上述目的、特征、優(yōu)點能夠更為顯而易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步描述。
[0029]圖2為本發(fā)明低噪聲放大電路各模塊示意圖，請參見圖2。
[0030]本發(fā)明的設計思想為采用兩級結構的高輸入阻抗寬帶低噪聲放大電路，包括:位于線圈200和第一放大器兀件210之間的輸入稱合網(wǎng)絡205,連接前端電路和后端第一放大器元件，用于實現(xiàn)前端、后端電路的阻抗匹配；具有高輸入阻抗的第一放大器元件210，與輸入耦合網(wǎng)絡相連，對輸入信號進行放大；用于保證第一放大器元件210的靜態(tài)工作點在線性放大區(qū)的第一偏置單元215 ;與第一放大器元件相連，對第一放大器元件的輸出信號進行放大的第二放大器元件220 ;用于保證第二放大器元件220的靜態(tài)工作點在線性放大區(qū)的第二偏置單元225 ;在另一個實施例中，還包括與第二放大器元件220相連，用于射頻信號濾波的濾波單元230。最終經(jīng)過兩級電路放大后的射頻信號，由out端輸出到后續(xù)電路。第一放大器元件和第一偏置單元組成第一級放大電路，第二放大器元件和第二偏置單元組成第二級放大器電路。第二級放大電路中各電路元件的連接方式為寬頻帶連接設置。[0031 ] 優(yōu)選的，第一放大器元件采用高電子遷移率晶體管(HEMT，High ElectronMobility Transistor)的集成電路(IC),第二放大器元件采用雙極結型晶體三極管(BJT,Bipolar Junct1n Transistor)的集成電路,并且第二級放大電路采用寬帶的放大器設計。高電子遷移率晶體管和雙極結型晶體三極管之間采用共射共基結構(CASC0DE結構)的設計組合。
[0032]圖3為本發(fā)明低噪聲放大電路連接示意圖，請參見圖3，第一級放大電路采用高電子遷移率晶體管(HEMT, High Electron Mobility Transistor)的集成電路(IC), HEMT 米用共源極連接(COMMON SOURCE)的結構。HEMT的四個端口分別為drain極、門極(gate極)以及兩個源極(source極)，與雙極結型晶體三極管(BJT, Bipolar Junct1n Transistor)相比HEMT的特點是有較低的噪聲系數(shù)，并且HEMT的輸入阻抗較高，其輸入阻抗的大致范圍在幾百歐姆到一千歐姆之間。
[0033]在HEMT和線圈(Coil)之間接有輸入耦合網(wǎng)絡205，其輸入耦合網(wǎng)絡205由電容Cl和電感LI組成，Cl用于隔離直流電并和LI 一同起到調(diào)節(jié)線圈(Coil)和后續(xù)電路相匹配的作用，Cl電容用于隔直和射頻耦合的作用，因為利用第一級放大器自有的低噪聲和高阻抗的特性，并不需要利用Cl電容進行匹配；LI電感用于偏置和增加穩(wěn)定的作用。輸入耦合網(wǎng)絡205在第一級放大器電路一側與HEMT的門極(Gate極)相連。
[0034]此外，為了保證HEMT的靜態(tài)工作點處于線性放大區(qū)設有第一偏置單元215，其中C2和C3為Source極的旁路(bypass)電容，Rl為HEMT的偏置電阻。C2和Rl 一端與HEMT的一個Source極相連，C2和Rl另一端接地。C3和HEMT的第二個Source極相連,另一端接地。
[0035]通過仿真HEMT第一級放大器電路，圖4為對50MHz和128MHz兩個頻段下的仿真結果噪聲圓圖，可以從圖4中看到它的最小的噪聲系數(shù)都是接近高阻抗區(qū)域，圖中橫軸
Ζ?η(Ω) I表示電路輸入阻抗Ζ?η(Ω)的絕對值，縱軸表示其輸入阻抗Zin ( Ω )對應的相位角。通過仿真50MHz和128MHz兩個點可以看到,這個兩個頻段的等噪聲圓很接近。在頻率freq = 50MHz時，可以找到圖4中的ml點處，其噪聲系數(shù)ns figure = 0.073063，對應阻抗impedance = 241.15歐姆(取系統(tǒng)特征阻抗為50歐姆);在頻率freq = 128MHz時，找到圖4中的m2點處，噪聲系數(shù)ns figure = 0.073063,對應阻抗impedance = 283.45歐姆(系統(tǒng)特征阻抗為50歐姆)。因此可以完成高輸入阻抗和低噪聲系數(shù)兩個要求。
[0036]第二級放大電路采用BJT的1C，并以寬頻帶的方式進行放大器設計。BJT的集電極與HEMT的Drain極相連。第二級的雙極結型晶體三極管(BJT)采用共基極連接(COMMONBASE)的結構。因為BJT采用的是共基極的設計，共基極的設計是寬帶的特性，帶寬范圍在幾百MHz到一個GMHz左右。濾波單元230由電容C3構成，其一端與BJT的基極相連，另一端接地，用于射頻信號的濾波。
[0037]第二偏置電路225包括電阻R2、R3、R4以及直流電源DC，保證BJT的靜態(tài)工作點處于線性放大區(qū)。其中R3、R4、R5是BJT的偏置電阻，提供為HEMT供電做一個可調(diào)范圍，電阻R2 —端與BJT的發(fā)射極相連，一端連有電阻R3。電阻R3 —端連有R2，并共同連到BJT的基極，電阻R3另一端接地。電阻R4和直流電源DC分別一端與BJT的發(fā)射極相連，另一端接地。在本發(fā)明技術方案的實施過程中，可根據(jù)HEMT的工作電壓來調(diào)整這些電阻值。COMMONBASE就是一個寬帶的放大器架構，對整個鏈路的增益提供補償，并且完成寬帶的輸出匹配。而且可以利用高輸入阻抗的完成線圈的前放去耦。
[0038]本發(fā)明的高輸入阻抗寬帶低噪聲放大器的特點在于，高輸入阻抗，實現(xiàn)前放去耦；寬帶放大器，能覆蓋比較寬的頻帶，并且提供較低的噪聲系數(shù)；寬帶能在多核應用中，減少相應的電路元器件。
[0039]雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護范圍當以權利要求書所界定的為準。
【權利要求】
1.一種低噪聲放大電路,其特征在于,包括: 輸入耦合網(wǎng)絡，連接前端電路和后端第一放大器元件，用于實現(xiàn)前端、后端電路的阻抗匹配； 第一放大器兀件，具有高輸入阻抗的放大器兀件，與輸入稱合網(wǎng)絡相連，對輸入信號進行放大； 第一偏置單元，與第一放大器元件相連，將第一放大器元件的靜態(tài)工作點控制在線性放大區(qū)； 第二放大器兀件，與第一放大器兀件相連，對第一放大器兀件的輸出信號進行放大； 第二偏置單元，與第二放大器元件相連，將第二放大器元件的靜態(tài)工作點控制在線性放大區(qū)； 所述第二偏置單元和第二放大器元件組成第二級放大電路，所述第二級放大電路中各電路元件的連接方式為寬頻帶連接設置。
2.如權利要求1所述的低噪聲電路，其特征在于，所述輸入耦合網(wǎng)絡包括電容Cl和電感LI，所述電容Cl用于隔直和射頻耦合的作用，所述電感LI用于偏置和增加穩(wěn)定的作用。
3.如權利要求1所述的低噪聲放大電路，其特征在于，所述第一放大器元件和所述第一偏置單元組成第一級放大電路，所述第一放大器元件為高電子遷移率晶體管集成電路元件，所述輸入耦合網(wǎng)絡與所述高電子遷移率晶體管集成電路元件的門極相連，所述第二放大器元件為雙極結型三極管集成電路元件，所述第一級放大電路和所述第二級放大電路之間采用共射共基方式連接，所述第二級放大電路與所述高電子遷移率晶體管集成電路元件的Drain極相連。
4.如權利要求3所述的低噪聲放大電路，其特征在于，所述第一級放大電路中各電路元件連接方式為共源極連接設置。
5.如權利要求4所述的低噪聲放大電路，其特征在于，所述第一偏置單元包括與所述高電子遷移率晶體管集成電路元件的第一源極相連的電阻R1、電容C2，以及與所述高電子遷移率晶體管集成電路元件的第二源極相連的電容C3，其中電阻R1、電容C2以及電容C3另一端接地。
6.如權利要求3所述的低噪聲放大電路，其特征在于，所述第二級放大電路的各元件連接方式為共基極連接設置。
7.如權利要求6所述的低噪聲放大電路，其特征在于，所述第二偏置單元包括與所述雙極結型三極管集成電路元件的發(fā)射極相連的電阻R2、電阻R4、直流電源DC，以及與所述雙極結型三極管集成電路元件的基極相連的電阻R3，其中電阻R2的另一端與所述雙極結型三極管集成電路元件的基極相連，電阻R3、電阻R4以及直流電源DC另一端接地。
8.如權利要求6所述的低噪聲放大電路，其特征在于，所述第二級放大電路還包括濾波單元，所述濾波單元與所述雙極結型三極管集成電路元件的基極相連，用于射頻信號的濾波。
9.如權利要8所述的低噪聲放大電路，其特征在于，所述濾波單元包括電容C3，所述電容C3 —端與所述雙極結型三極管集成電路元件的基極相連，另一端接地。
【文檔編號】H03F1/26GK104467690SQ201410729362
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月4日 優(yōu)先權日:2014年12月4日
【發(fā)明者】姚贇磊 申請人:上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司