核磁共振射頻開關及驅動電路設計

陳浩

（遼源市人民醫院 吉林省遼源市 136200）

核磁共振現象是美國斯坦福大學的F.Block教授和哈佛大學的E.M.Purcell教授發現的，針對兩人的優異成果，這兩人在1952年獲得了諾貝爾獎。經過了這么些年的發展，核磁共振成為一門具有完整理論的新興科學。截止到現在，大約有12位科學家在核磁共振方面都獲得了諾貝爾獎。最近這些年來，在很多的領域合理利用核磁共振射頻開關有著十分重要的價值，在這一射頻開關中是一個十分系統的工程，包括了物理、計算機、電子、化學以及電磁學等多個方面的內容，具有十分高的技術含量。現階段，和這些儀器相關的產片有很大一部分是由外國的公司所統治的，所以，這類產品的價格是比較高的。這種核磁共振射頻開關在國內已經有了很大發展，可以在一定程度上有效降低射頻開關的成本，在未來，對這種核磁共振射頻開關的需求可以發展成為一個具有較大規模的新產業。

1 核磁共振原理

對于核磁共振來說，基礎內容是原子核的磁性和對它的外加磁場的相互作用。原子核是由中子和質子構成的，其中，中子并不帶電，質子是帶電的，中子和質子被統一稱之為核子。根據相關的研究報道表明，所有含有偶數個核子但是原子序數為奇數，以及含有奇數個核子的統稱為原子核，這些都具有內稟角動量，被稱之為“自旋”，這個核處于不停地旋轉中，就如同一個高速旋轉的陀螺[1]。對于一個被磁化之后的核自旋系統來說，如果說這一系統在垂直的靜磁場方向上，那么再加入一個交變磁場，就可以保證他們的角頻率是相等的。結合量子力學的相關原理表明，核自旋系統會出現共振吸收的情況以及現象，也就是說處于低能態的核磁矩可以通過吸收交變磁場提供出來的能量進一步躍升到高能態，這種現象就被稱之為核磁共振現象。隨著交變電磁場持續性的增加，也可以通過短脈沖的形式來施加更多的內容，現在的核磁共振技術使用的都是脈沖方法，但是，需要注意的是，在核磁共振系統中，工作頻率往往處于在射頻段，所以，這種脈沖電磁波也被稱之為射頻脈沖[2]。

2 射頻開關原理

2.1 射頻電路基本理論

射頻開關電路是歸屬于射頻電路，本文將主要介紹射頻電路的基本原理。射頻被稱之為向外輻射的一種電磁信號。在實際的電路設計過程中，一般存在著信號頻率較大、波長較長的情況，這種電路就被稱之為射頻電路。相關技術人員在分析射頻電路的這一過程中，以往傳統的低頻基爾霍夫電路理論已經是落后了，所以就需要分析其中所存在的波動特性，進一步得出參數的相關影響[3]。在射頻電路中，電壓以及電流也就不會再出現太大的波動，但還是會隨著空間位置的變化進一步變化，這就需要相關技術人員使用傳輸線理論來分析其中的電壓和電阻變化[4]。其中，傳輸線理論也被稱之為分布參數電路理論。在這一理論中，分部電阻、電感、電導以及電容這幾個參數是存在于傳輸線的各個位置中的。在射頻這一階段，由于受到了趨膚效應的影響，在傳輸線上往往會出現電阻增加的情況，這種情況也被稱之為分布電阻。在實際的高頻電流中，傳輸線的周圍會隨著時間的進展出現高頻磁場，在沿線的地方還存在著電感，這被稱之為分布電感，傳輸線兩個導體之間還會產生一定的電壓，這就被稱之為分布電壓。在傳輸線兩個導體之間會出現漏電流的現象，并且頻率也會進一步提升[5]。

2.2 射頻開關介紹

以往傳統的射頻開關主要是Lowe和Tarr所提出來的被動開關方案，具體來說采取的是二極管和四分之一波長有效結合的電路結構。在射頻開關中，具體的工作原理是，λ/4傳輸線原理，一旦λ/4出現了短路也就是電阻較小的情況，就會導致輸入的電阻變大，這種情況相當于是在進行開路，如果說出現了射頻功率開關中二級管通道的情況，在射頻功率和線圈痛點字后，就會接受到來自于核磁共振的信號，但是，需要注意的是，信號強度相對來說比較小，從而就無法有效使用二極管來導通[6]。在這一方案中是存在著不少優點的，比如說有著比較簡單的結構，這樣是便于工作人員進行控制的，缺點就是不存在一個合理的隔離度，切換時間往往得不到保障。在現階段，所采用的是主動開關設計的方案，在這一方案中，基本電路結構和這一方案是比較相似的。PIN二極管將之前的傳統二極管取代了，這樣就增加了直流驅動電路中的電壓，通過合理控制直流驅動電流中的電壓，可以進一步實現對PIN二極管的截止和導通，從而保證開關的開啟以及關閉是有效的。這一方案的最大優勢就是可以對開關的實際狀態進行控制，并且，這種控制的形式是主動的，從而能夠達到比較低的插入損耗。需要注意的是，這一方案中PIN二極管是最重要的元件[7]。

3 核磁共振射頻開關設計

3.1 設計背景

由于存在著弛豫現象，這就造成核磁共振信號會在比較短的時間內就迅速消失，并且，隨著弛豫時間變短，信號也就會消失得越來越快。事實上，磁共振信號的采集工作并不是信號一產生就可以立即進行的，而是存在著一定的延時，延時被定義為?t。之所以為出現延時，是因為射頻脈沖發射結束之后，發射機關會自動關閉，在射頻線圈中的殘余能量會在周圍的空氣中產生各種各樣的電磁噪聲，這些噪聲會將一些微弱的磁共振信號淹沒掉，這樣就會對后級的前置放大器造成一定程度的威脅[8]。所以，只有等到噪聲衰減到一定的程度之后才能夠開啟接收通道，從而對相關的信號進行采集。在脈沖發射結束之后，磁共振信號接收的這一段時間被稱之為死亡時間，系統從發射模式到接收模式的切換主要是由射頻開關來完成的，射頻開關在具體切換的這一過程中也是需要時間的，這就造成了延時時間。但是，需要注意的是，只有當?t遠遠小于樣品的馳豫時間時，系統才能夠接收到磁共振的信號。所以，對于馳豫時間比較短的樣品來說，要想獲得比較多的磁共振信號，就需要使得延時時間變小[9]。減少延時時間的方法有如下兩種，一是可以讓發射圈快速失諧這樣可以使得噪聲迅速衰減下去，從而有效縮短延時時間；二是提高射頻開關的速度。針對這樣的情況，為了滿足短時間內樣品信號的檢測需求，本文設計了一款雙線圈模式下工作的可以進行高速切換地磁共振射頻開關[10]。

3.2 電路設計與分析

在本文中，涉及到的是驅動電路，這一驅動電路使用的是PIN管正向偏置的直流正電壓，也有一部分使用的是正電流。在PIN管中，切換速度往往會受到自身因素的影響，并且這種影響還會延續到對外部的影響中，所謂的驅動電路的切換速度指的是，驅動輸出的正負電源之間所存在的一種速度，一個速度較快的驅動電路往往可以進一步加快PIN管的切換[11]。此外，還需要注意的是，射頻開關的切換時間一般來說需要保持在3??以內。對于驅動電路來說，需要結合實際情況分為不同的兩類，一類是用來驅動射頻子開關的S1，一類是用來驅動射頻子開關的S2。

3.2.1 控制級

在控制級中，一般包含了波形調整和延時電路的相關內容。在實際的開關級中，主要存在兩個MOS管，一個是PMOS，一個是NMOS。其中，PMOS在實際的電壓中被當做高電平時介質，NMOS在電壓中為高電平時導通，相關技術人員就需要對Blanking信號來進行及時調整，從而能轉換成為兩種不同的控制信號。此外，需要注意的是，在這兩路控制信號中是存在一定程度的延時的，導致無法進行科學導通。在本文的試驗中，所選用的是UC3715芯片，這樣可以進一步提升延時功能，并對相關波形做比較詳細的調整[12]。UC3715芯片具有很多的特點，比如說具備一定的延時功能，是適用于高速場的驅動芯片的，可以通過TTL電平來進行合理操作。其中，T1DELAY和T2DELAY所對應的輸出是AUX和PWR，下降沿和上升沿之間還存在著延時值，這一取值范圍是控制在50ns到500ns之間的，結合實際情況調節T1引腳的接地電阻就可以設定T1DELAY的相關值，調節T2引腳的接地電阻可以調節T2DELAY的值。

3.2.2 驅動級

在驅動級中，一般是由光電耦合元件和MOS管高速驅動器所組成的，在這一驅動元件中，主要的作用就是對光電耦合之后的電路和電氣進行有效隔離，這樣才能保證驅動級的上半部分和下半部分之間都具有獨立的空間，進一步減少干擾情況的出現。在MOS管高速驅動器的實際運行過程中，一般是可以在比較短的時間內就完成充電工作，這樣可以有效控制MOS的開關，在經過了驅動之后，一般會出現兩種不同的波形，AUX OUTPUT和PWR OUTPUT分別驅動PMOS和NMOS的柵極。這是因為，如果說柵極被作為高電平時NMOS管導通，就會出現低電平時NMOS管和PMOS截止，這樣就可以得出相關波形，一旦說出現了輸入信號跳變的情況。高電平中的PMOS管就將會直接關閉掉，只有在經過了T2DELAY延時之后，PMOS管就會自動打開，這樣就可以有效避免出現兩個MOS管同時出現導通的情況，這在驅動級中是非常重要的一個方面[13]。

3.2.3 開關級

在開關級中，主要是由外圍電路、直流電源以及功率MOS來組成的。其中，在直流電源中，包括了負的恒壓源以及正的恒流源。MOS管分為了PMOS管以及NMOS管，開關級的作用就是為了有效控制這兩個MOS管的通斷使得輸出能夠在恒壓源和恒流源之間進行有效切換，從而輸出來的反向電壓以及正向電流都能夠控制PIN管的截至以及導通。在MOS管中，開關級是十分重要的核心內容，對開關級進行選擇可以直接影響到驅動器的速度以及驅動器所支持的輸出電壓、功率以及電流的大小，所以，這就需要結合實際情況選擇比較合適的MOS管。在MOS管的柵極、漏級以及源級中存在著很大的寄生電容，這些寄生電容一般會限制MOS管的開關速度，所以，這就需要結合實際情況選擇級間寄生電容比較小的MOS管。此外，相關技術人員還需要考慮到源級和漏級間的導通電阻，導通電阻越大，MOS所消耗的功率也就會越大。

3.3 鎖場收發電路的設計實現

在鎖場收發單元發射機中，相關的結構包括了射頻發射源以及開關盒功率調節電路這兩個主要的部分，現在要求的是在NMR譜儀技術中，針對射頻源而言，需要具備幅度、快速頻率以及相位的切換能力。在本次設計中，所采用的是Analog Device公司的AD9958集成度相對來說比較高的頻率合成器，這樣可以有效配合FPGA以及嵌入式計算機等系統來完成發射機的快速調制，從而得到可以有效滿足核磁共振實驗要求的相關射頻信號。

在AD9958芯片中，使用了比較先進的DDS技術，利用這一技術可以開發出集成度比較高的DDS器件，只有在具有了兩個DDS內核后，才可以在同一時間段中提供兩個獨立的、同步的編程輸出通道，這樣才能夠對相關的相位、頻率以及幅度來進行控制。針對這樣的情況，選擇AD9958，可以提供兩種比較獨立的射頻輸出，其中的一路主要是用來提供發射機的射頻輸出信號，另外一路，是給提供接收機作為本振。此外，需要注意的是，由于AD9958需要可以節省成本，有著比較多的優勢，這樣就可以在付出較低成本的情況下來達到設計的實際需求。在NMR中，如果出現了接收機和發射機同時工作的情況，就會出現發射機的射頻功率一般會在一定程度上泄露到接收機中，這樣就會影響到核磁共振信號的有效接收。因此，針對這樣的情況，合理使用發射以及接受的方式可以有效解決這些問題。在鎖通道接收電路的實際設計過程中，鎖通道的接受電路模塊中還包括了濾波電路以及混頻電路，還包含了功率調節和中頻數字化電路這兩個主要的部分。

在混頻方式中主要采用的是無源混頻器，也就是說將所接收到的信號經過了射頻開關以及濾波的過濾之后，再次進行放大，這樣可以從DDS輸出的另一個通道中產生本振信號來進行混頻，得到了相關的變頻信號之后，可以將信號傳輸到后續的電路中進行處理。在中頻技術中，可以直接采用采樣技術來進行設計，可以有效節省接收機模擬濾波器的調整，系統在經過了簡單的調試之后，運行情況變得十分穩定，在經過了混頻和放大之后，核磁共振信號中有著高速的數模轉換器，可以及時完成采樣工作，之后可以將轉換之后的數字信號在數字域中實現對磁共振信號正交，經過了多層次的處理之后，高速信號會被抽取出來，從而可以輸出比較準確的核磁共振信號。

3.4 光電隔離和驅動放大電路設計

為了有效消除掉驅動電路對其他電路的干擾，這就需要對電路進行保護。本文主要是將驅動電路與其他的控制電路來進行電氣方面的隔離。在開展光電隔離電路的這一過程中，除了需要在電氣上進行隔離外，還需要要求在輸出波形的上升以及下降順著時間來進行控制，這樣才能夠通過較高頻率的PWM信號，使得驅動的場效應管在工作上可以達到飽和截止這兩種不同的狀態。在本文中的隔離電路使用的是高速光電隔離器，也就是PS9713和普通的隔離器相結合的方式，此外，采用這一方式可以在一定程度上有效提升PWM波形的傳送質量。

對于普通人來說，可以聽到的音頻范圍大致為2O Hz～20 kHz，在本文中，PWM信號的頻率一般設置為23.4 kHz，這就造成電機在實際使用的過程中并沒有出現什么噪聲，大約占據0.5的比重。經過MCU輸出的相關PWM信號和DIR信號在經過了邏輯電路的處理之后，一般會輸出兩組信號，也就是A1,B1 和A2，B2，現在是以第一組為例子來闡述光電隔離和驅動放大電路的工作過程，也就是說，當B1為低 電平0時，光隔u 飽和導通，而u 截止，使三極 管Q 截止，功率場效應管因門極G點為高電平1 而導通。這個過程實際就是電源對場效應管門極 的充電過程[14]。

4 結束語

綜上所述，本文主要設計了一種核磁共振射頻開關。在這一開關中，一般采用的是控制模式，其中，PIN管是十分核心的元件。相關的工作原理是通過對外部驅動電路來做進一步控制，這樣可以達到有效控制PIN管通達的目的。但是，需要注意的是，驅動電路是由開關速度所決定的，座椅，在這一射頻開關中，需要技術工作人員將DRV1驅動端的上升之間設計為1.9??，下降的時間也需要設置為540ns，這樣才能保證射頻開關的正常運行。需要注意的是，在驅動單元中，采用的是驅動電源分離和控制信號的設計方法，這樣可以有效增大驅動電源對驅動速度的影響。所以，如果選擇合適的MOSFET管來增加一部分散熱片，驅動單元輸出來的驅動電流就可以達到若干安倍，驅動電壓也會隨之上升到上百伏特，這些都不會對驅動速度造成比較嚴重的影響。此外，射頻開關的網絡特性是比較好的，插入損耗、VSWR以及隔離度等參數都需要滿足設計的實際需求，經過相關的測試發現，在開關中可以承受大約1000W的脈沖功率，并可以將總體開關的速度控制在1??左右，這樣的設計是優于目標的。在接下來的一步，還需要將射頻開關進行核磁共振實驗，這樣可以評價其是否具有可應用的價值。