改進用於mri的低噪聲前置放大器的輸入阻抗的製作方法

2023-06-10 18:31:51 4

專利名稱：改進用於mri的低噪聲前置放大器的輸入阻抗的製作方法
改進用於MRI的低噪聲前置放大器的輸入阻抗本申請特別適用於醫學成像系統。但是，應該認識到所描述的(多項)技術還適用於其他類型的成像系統、期望進行輸入阻抗修改的其他系統和/或採用前置放大器的其他應用。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汙染的非常弱的信號。理想地，在局部接收線圈上，匹配網絡應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。在前置放大器內側，通過FET設備的有源柵極-源極阻抗來定義輸入阻抗。當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。這一反饋環不利地影響來自線圈的MR信號。用於磁共振成像(MRI)系統的低噪聲前置放大器被設計成具有最小噪聲係數，並 結合有在信號源(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)被用於降低天線上的電流並由此減輕MRI線圈陣列中的互感負效應。經典前置放大器設計使用通常具有高電抗性(電容性)柵極的場效應電晶體(FET)設備。FET柵極的電阻分量部分歸因於柵極電容的損失，且部分歸因於放大信號的串聯電壓反饋。這一反饋是源極鍵合線和連接的PCB跡線的有限阻抗的結果，這導致來自漏極-源極電流的電壓降，其有效地改變柵極-源極輸入電壓。本領域中存在對這樣的系統和方法的未滿足的需求其促進降低鍵合線引起的串聯電壓反饋並由此改進前置放大器的阻抗失配比等，由此克服上述缺陷。根據一個方面，一種具有FET設備的前置放大器設備包括柵極、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。根據另一方面，一種降低FET前置放大器設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並且將第二源極連接到系統接地端。一個優點是電壓反饋被降低。另一優點是改進了輸入-輸出阻抗比。本領域普通技術人員在閱讀和理解以下詳細描述之後將認識到本主題創新的更多優點。附圖僅用於圖示說明各個方面並且不應被解讀為是限制性的。圖I圖示說明磁共振成像系統；圖2圖示說明包括耦合到具有第一和第二源極連接部的晶片的柵極和漏極的前置放大器電路FET設備；圖3圖示說明前置放大器布置，其中平衡-不平衡轉換器被耦合到前置放大器，例如以便實現用於確定散射參數和/或阻抗矩陣的測試設置；圖4圖示說明根據在此描述的各個方面的改進前置放大器(例如FET設備)的輸入-輸出阻抗比的方法；圖5圖示說明根據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前置放大器設備。根據在此呈現的各種特徵，描述了通過在源極觸點中採用兩根鍵合線來促進減輕在前置放大器輸入端處面對的電壓反饋的系統和方法。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。儘管本創新是在局部磁共振線圈中的反饋問題的背景下描述的，其理念還適用於其他應用，其中分離的輸入和輸出接地端連接部是合適的並且期望使到輸入端的電壓反饋最小化。參考

圖1，MRI系統10包括生成穿過檢查區域14的時間恆定主磁場或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域的梯度磁場。該序列 控制器還控制RF發射器20以促使RF線圈22生成BI磁場以激勵並操縱共振。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網絡的多個電抗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設備46。前置放大器44具有經由引線26連接到接收器28的輸出端44&以及經由該引線連接到接收器等的系統接地端的輸出接地端44_該FET設備包括柵極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。應該理解的是「源極」66、68指代FET設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和耦合到設備晶片64的漏極62的前置放大器電路FET設備46。該晶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串聯的柵極電感Lg。該FET設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兩端施加柵極到源極電壓Vgs。漏極64定義與漏極電阻Rd串聯的漏極電感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和恆定直流電流源72，這些元件相對彼此以並聯布置耦合到總線70。電流源72供應由gm*Vgs定義的電流，其中gm是互導。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串聯的第二源極感應部件LS2。第二源極將總線70耦合到系統接地端。浮動接地端46地和系統接地端44ift (例如第一和第二 FET源極)中的每一個均經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。在一個實施例中，晶片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並且連接第二源極引腳(例如引腳56)到該設備的輸出接地端4 在兩個接地端保持分離時降低了串聯電壓反饋。保持接地端分離在MRI線圈設計中是便利的，因為允許每個局部線圈相對於電路中的任何其他部件具有「浮動接地端」。在另一實施例中，可以通過使用「平衡-不平衡轉換器」(平衡到不平衡)設備來將輸入接地端和輸出接地端彼此隔離開。本發明採用了在設備封裝體上具有至少兩個分離的源極連接部的FET設備，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)源極68之間流動，這使得至前置放大器的輸入側的反饋最小化。該FET設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。在另一實施例中，FET設備可以被用 在使用緊密間隔的並因此耦合的天線陣列的射電天文學應用中。根據另一實施例，FET設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用中。根據一個實施例,在前置放大器的輸入側由跨導(transductance)gm導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面對由跨導gm導致的阻抗，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-不平衡轉換器82被耦合到前置放大器44，例如以便實現用於確定散射參數的測試設置。平衡-不平衡轉換器通過第一和第二連接部耦合到第一測試埠並耦合到前置放大器，這些連接部之一為輸入接地端46前置放大器進一步通過一對連接部耦合到第二測試埠，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。保護了輸入阻抗免受不希望的反饋影響，並且改進了前置放大器兩端的阻抗比。圖4圖示說明根據在此描述的各個方面增加線圈與前置放大器(例如FET設備)之間的阻抗失配的方法。在100處，前置放大器FET設備的輸入側源極被耦合到浮動接地端。在一個實施例中，該浮動接地端是MR設備的局部線圈或天線。在102處，輸出側源極被耦合到與浮動接地端分離並隔離開的第二接地端，例如系統接地端。在104處，輸入側源極和輸出側源極被保持分離以消除至FET設備的輸入側的反饋。以此方式，輸入側的阻抗被降低，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的實施例，每個線圈被耦合到專用FET前置放大器設備44。該FET設備促進降低從FET的輸出側到其輸入側的電壓反饋，並且可以被用在任何緊密間隔的和/或耦合的天線陣列中，例如用於射電天文學應用中的那些天線陣列等。已經參考若干實施例描述了本發明。在閱讀和理解之前的詳細描述之後其他人員 容易想到各種修改和變化。意在將本發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利要求及其等價物的範圍內。
權利要求
1.ー種具有FET設備(46)的前置放大器設備(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.如權利要求I所述的前置放大器設備，其中 所述FET設備的所述柵極具有柵極電抗Lg和柵極電阻Rg ； 所述FET設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 ;並且 所述第二源極具有第二源極電抗Ls2和第二源極電阻RS2。
3.如權利要求2所述的前置放大器設備，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.如權利要求2或3所述的前置放大器設備(44)，其中，所述FET設備(46)具有串聯耦合在所述柵極￠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.如權利要求4所述的前置放大器設備(44)，其中，所述FET設備(46)具有並聯耦合在所述漏極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.如權利要求1-5中任一項所述的前置放大器設備(44)，其中，放大功率在所述漏極(62)與所述前置放大器(44)的輸出側上的所述第二源極￠8)之間流動，並且不修改所述
7.ー種線圈組件(24)，其包括 線圈(40)，其耦合到如權利要求I所述的前置放大器設備(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設備(10)，其包括 主磁體(14)，其生成穿過檢查區域(14)的時間恆定BO磁場； 梯度磁體(16)，其生成橫跨所述檢查區域(14)的梯度磁場； RF發射器(20)和RF線圈(22)，其生成橫跨所述檢查區域(14)的BI場；以及 如權利要求7所述的線圈組件(24)。
9.如權利要求8所述的MR設備，其還包括 多個所述線圈組件(24)。
10.如權利要求8或9所述的MR設備，其還包括 引線(26)，其將所述前置放大器(44)連接到接收器(28)並且連接所述第二源極(68)與所述接收器的系統接地端。
11.如權利要求I所述的前置放大器設備，其被用在天線陣列中。
12.如權利要求11所述的前置放大器設備，其中，所述天線陣列是射電天文學天線陣列。
13.一種使到如權利要求2-12中任一項所述的前置放大器設備(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)之間流動並且不増加所述前置放大器的輸入側的柵極￠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)連接到系統接地端(44i4)。
15.如權利要求14所述的方法，其還包括 在所述FET設備(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.如權利要求14或15所述的方法，其中，所述FET設備(46)具有串聯耦合在所述柵極￠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.如權利要求14-16中任一項所述的方法，其中，所述FET設備(46)具有並聯耦合在所述漏極￠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.如權利要求14-17中任一項所述的方法，其還包括 將線圈(40)耦合到所述FET設備(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電晶體(64)。當場效應電晶體的柵極被耦合到放大器輸入電路(例如MRI線圈)時，場效應電晶體(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)將場效應電晶體的源極耦合到放大器輸入電路的接地節點，而第二源-地引線(68)將場效應電晶體的源極耦合到放大器輸出電路的接地節點。結果，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 優先權日2009年6月19日
發明者A·賴高斯基 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司