核磁共振波谱仪用射频功率放大器的设计与实现
李 由1,2,毛文平1,2,王恢旺1,2,刘 洋1,陈 方1,刘朝阳1＊
【摘 要】摘 要:介绍了一种应用于核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)波谱仪的宽频带射频功率放大器的设计与实现,提出了射频功率放大器门控信号的设计,探讨了利用传输线变压器构建功率MOSFET输入输出阻抗匹配网络的方法.该射频功率放大器采用多级驱动结合功率放大的结构,包含2个工作模块和基于宽频带定向耦合器的辅助电路,支持高带和宽带通道的相关实验.将该射频功率放大器应用在自主研发的500 MHz高分辨率液体NMR谱仪上,测量射频功放的上升、下降时间及输出线性度,并对比测试1H和13C NMR标样的信噪比,实验结果证明了该设计的可行性. 【期刊名称】波谱学杂志 【年(卷),期】2011(028)003 【总页数】13
【关键词】关键词:核磁共振(NMR);功率放大器;传输线变压器;匹配网络
引言
在核磁共振实验过程中,需要射频功率放大器将核磁共振波谱仪发射的射频脉冲放大至几十到几百瓦[1],输出加到探头发射线圈以激发实验样品,而产生的核磁共振NMR信号只有微伏量级,故射频功放的噪声会严重干扰NMR信号的接收,是影响核磁共振波谱仪NMR信噪比的重要因素之一.不同原子核的旋磁比不相同,在相同的静磁场强度下核磁共振频率不同,同时为兼容不同静磁场强度的核磁共振系统,要求核磁共振波谱仪的观察通道的射频功率放大器覆盖一定的频带宽度.现代脉冲傅立叶变换核磁共振波谱仪的射频脉冲宽度可短至几微秒,过长的射
频功放上升和下降时间会影响该脉冲输出的准确度.此外,核磁共振脉冲序列中的形状脉冲要求射频功放的输出具有良好的线性度.因此用于核磁共振波谱仪的射频功率放大器应具有较大的输出功率、较低的噪声、较宽的工作频带、较短的上升和下降时间、良好的输出线性度,以满足核磁共振实验的需要.
目前,针对射频功率放大器的研究主要集中在通讯行业,多采用连续波工作方式或工作频带较窄,不适合用于核磁共振波谱仪[2].国外厂家生产的核磁共振波谱仪专用射频功放价格昂贵,维护修理困难.因此,自主研制符合国产核磁共振波谱仪使用需要的射频功放具有重大的应用意义.近年来,国内高校和科研院所相继开展了这方面的研究工作[3-5].为满足不同的应用需求,本文设计并实现了一种可以应用于300 MHz～500 MHz高分辨率液体核磁共振波谱仪的射频功率放大器.下文首先介绍射频功放的整体及各功能模块的设计,然后重点介绍利用传输线变压器设计功率
MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-effect
Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)宽频带阻抗匹配网络的方法,最后给出射频功放性能综合测试结果,验证方案的可行性.
1 设计与实现
射频功率放大器对发射机输出的脉冲激发信号进行功率放大,在核磁共振波谱仪系统中的连接关系如图1所示.
本设计的射频功率放大器由高带和宽带2个功放组成,分别激发高旋磁比核(如1H、19F等)和其他低旋磁比的异核(如13C、31P、15N等),用于300 MHz～500 MHz高分辨率液体核磁共振波谱仪.两功放结构相同,下面以高带功放为例进行详述.功放采用多级功率MOSFET级联结构[6],通过匹配网络将各级功率MOSFET的输入、输出阻抗匹配至50Ω,再进行级间互联,射频功率放大器的整
体设计框图如图2所示.
1.1 驱动级芯片及功率MOSFET
输入高带功放的射频脉冲信号最大功率为0 dBm,功放整体增益需>47 dB.驱动级对射频脉冲信号仅进行初步放大,工作在小信号、非饱和状态,驱动级的输入和输出阻抗已在集成芯片内部匹配至50Ω.二级功率MOSFET输出功率大,工作在大信号、易饱和状态且需采用分离器件构建其输入输出阻抗匹配网络,存在各种器件的分布参数的影响.基于上述2个方面考虑,设计分配约30 dB增益至驱动级,便于整体电路的设计与调试,分配约10 dB增益至二级功率MOSFET,避免其工作在饱和状态,有利于电路的稳定.
功率MOSFET是高带功率放大器的核心部分,决定高带功放的主要性能指标.选用功率MOSFET的工作频带应覆盖300 MHz～500 MHz.一级功率MOSFET设计分配增益10 dB～12 dB.在高频段,分离功率MOSFET之间的互感取代其与地之间的等效电感,成为影响电路性能的主要因素.选用 Gemini封装(2个相同的金属氧化物半导体场效应晶体管并排封装在1个法兰内)芯片,可有效降低该互感.本设计选用功率MOSFET UF2840G作为一级功率放大、功率MOSFET UF28100V作为二级功率放大,其在CW(Continuous Wave,连续波)模式下对于过载和负载失配承受的VSWR(Voltage Standing Wave Ratio,电压驻波比)达30∶1[7],有利于提高高带功率放大器的使用寿命. 1.2 偏置网络
偏置网络中的电感对射频信号呈高阻抗,能够有效抑制射频信号通过偏置网络形成串扰.但功率MOSFET本身存在输入电容,该输入电容易与偏置网络中的电感组成谐振回路,并与后级产生寄生耦合引起振荡,严重时其峰值电压可将栅极氧化
核磁共振波谱仪用射频功率放大器的设计与实现
