核磁共振射頻開關(guān)及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

陳浩

（遼源市人民醫(yī)院 吉林省遼源市 136200）

核磁共振現(xiàn)象是美國斯坦福大學(xué)的F.Block教授和哈佛大學(xué)的E.M.Purcell教授發(fā)現(xiàn)的，針對兩人的優(yōu)異成果，這兩人在1952年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。經(jīng)過了這么些年的發(fā)展，核磁共振成為一門具有完整理論的新興科學(xué)。截止到現(xiàn)在，大約有12位科學(xué)家在核磁共振方面都獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。最近這些年來，在很多的領(lǐng)域合理利用核磁共振射頻開關(guān)有著十分重要的價(jià)值，在這一射頻開關(guān)中是一個(gè)十分系統(tǒng)的工程，包括了物理、計(jì)算機(jī)、電子、化學(xué)以及電磁學(xué)等多個(gè)方面的內(nèi)容，具有十分高的技術(shù)含量?，F(xiàn)階段，和這些儀器相關(guān)的產(chǎn)片有很大一部分是由外國的公司所統(tǒng)治的，所以，這類產(chǎn)品的價(jià)格是比較高的。這種核磁共振射頻開關(guān)在國內(nèi)已經(jīng)有了很大發(fā)展，可以在一定程度上有效降低射頻開關(guān)的成本，在未來，對這種核磁共振射頻開關(guān)的需求可以發(fā)展成為一個(gè)具有較大規(guī)模的新產(chǎn)業(yè)。

1 核磁共振原理

對于核磁共振來說，基礎(chǔ)內(nèi)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(zhì)子構(gòu)成的，其中，中子并不帶電，質(zhì)子是帶電的，中子和質(zhì)子被統(tǒng)一稱之為核子。根據(jù)相關(guān)的研究報(bào)道表明，所有含有偶數(shù)個(gè)核子但是原子序數(shù)為奇數(shù)，以及含有奇數(shù)個(gè)核子的統(tǒng)稱為原子核，這些都具有內(nèi)稟角動(dòng)量，被稱之為“自旋”，這個(gè)核處于不停地旋轉(zhuǎn)中，就如同一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺[1]。對于一個(gè)被磁化之后的核自旋系統(tǒng)來說，如果說這一系統(tǒng)在垂直的靜磁場方向上，那么再加入一個(gè)交變磁場，就可以保證他們的角頻率是相等的。結(jié)合量子力學(xué)的相關(guān)原理表明，核自旋系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)共振吸收的情況以及現(xiàn)象，也就是說處于低能態(tài)的核磁矩可以通過吸收交變磁場提供出來的能量進(jìn)一步躍升到高能態(tài)，這種現(xiàn)象就被稱之為核磁共振現(xiàn)象。隨著交變電磁場持續(xù)性的增加，也可以通過短脈沖的形式來施加更多的內(nèi)容，現(xiàn)在的核磁共振技術(shù)使用的都是脈沖方法，但是，需要注意的是，在核磁共振系統(tǒng)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(guān)原理

2.1 射頻電路基本理論

射頻開關(guān)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(hào)。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)過程中，一般存在著信號(hào)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(guān)技術(shù)人員在分析射頻電路的這一過程中，以往傳統(tǒng)的低頻基爾霍夫電路理論已經(jīng)是落后了，所以就需要分析其中所存在的波動(dòng)特性，進(jìn)一步得出參數(shù)的相關(guān)影響[3]。在射頻電路中，電壓以及電流也就不會(huì)再出現(xiàn)太大的波動(dòng)，但還是會(huì)隨著空間位置的變化進(jìn)一步變化，這就需要相關(guān)技術(shù)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(shù)電路理論。在這一理論中，分部電阻、電感、電導(dǎo)以及電容這幾個(gè)參數(shù)是存在于傳輸線的各個(gè)位置中的。在射頻這一階段，由于受到了趨膚效應(yīng)的影響，在傳輸線上往往會(huì)出現(xiàn)電阻增加的情況，這種情況也被稱之為分布電阻。在實(shí)際的高頻電流中，傳輸線的周圍會(huì)隨著時(shí)間的進(jìn)展出現(xiàn)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(gè)導(dǎo)體之間還會(huì)產(chǎn)生一定的電壓，這就被稱之為分布電壓。在傳輸線兩個(gè)導(dǎo)體之間會(huì)出現(xiàn)漏電流的現(xiàn)象，并且頻率也會(huì)進(jìn)一步提升[5]。

2.2 射頻開關(guān)介紹

以往傳統(tǒng)的射頻開關(guān)主要是Lowe和Tarr所提出來的被動(dòng)開關(guān)方案，具體來說采取的是二極管和四分之一波長有效結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)。在射頻開關(guān)中，具體的工作原理是，λ/4傳輸線原理，一旦λ/4出現(xiàn)了短路也就是電阻較小的情況，就會(huì)導(dǎo)致輸入的電阻變大，這種情況相當(dāng)于是在進(jìn)行開路，如果說出現(xiàn)了射頻功率開關(guān)中二級(jí)管通道的情況，在射頻功率和線圈痛點(diǎn)字后，就會(huì)接受到來自于核磁共振的信號(hào)，但是，需要注意的是，信號(hào)強(qiáng)度相對來說比較小，從而就無法有效使用二極管來導(dǎo)通[6]。在這一方案中是存在著不少優(yōu)點(diǎn)的，比如說有著比較簡單的結(jié)構(gòu)，這樣是便于工作人員進(jìn)行控制的，缺點(diǎn)就是不存在一個(gè)合理的隔離度，切換時(shí)間往往得不到保障。在現(xiàn)階段，所采用的是主動(dòng)開關(guān)設(shè)計(jì)的方案，在這一方案中，基本電路結(jié)構(gòu)和這一方案是比較相似的。PIN二極管將之前的傳統(tǒng)二極管取代了，這樣就增加了直流驅(qū)動(dòng)電路中的電壓，通過合理控制直流驅(qū)動(dòng)電流中的電壓，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對PIN二極管的截止和導(dǎo)通，從而保證開關(guān)的開啟以及關(guān)閉是有效的。這一方案的最大優(yōu)勢就是可以對開關(guān)的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行控制，并且，這種控制的形式是主動(dòng)的，從而能夠達(dá)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(guān)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)背景

由于存在著弛豫現(xiàn)象，這就造成核磁共振信號(hào)會(huì)在比較短的時(shí)間內(nèi)就迅速消失，并且，隨著弛豫時(shí)間變短，信號(hào)也就會(huì)消失得越來越快。事實(shí)上，磁共振信號(hào)的采集工作并不是信號(hào)一產(chǎn)生就可以立即進(jìn)行的，而是存在著一定的延時(shí)，延時(shí)被定義為?t。之所以為出現(xiàn)延時(shí)，是因?yàn)樯漕l脈沖發(fā)射結(jié)束之后，發(fā)射機(jī)關(guān)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，在射頻線圈中的殘余能量會(huì)在周圍的空氣中產(chǎn)生各種各樣的電磁噪聲，這些噪聲會(huì)將一些微弱的磁共振信號(hào)淹沒掉，這樣就會(huì)對后級(jí)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(guān)的信號(hào)進(jìn)行采集。在脈沖發(fā)射結(jié)束之后，磁共振信號(hào)接收的這一段時(shí)間被稱之為死亡時(shí)間，系統(tǒng)從發(fā)射模式到接收模式的切換主要是由射頻開關(guān)來完成的，射頻開關(guān)在具體切換的這一過程中也是需要時(shí)間的，這就造成了延時(shí)時(shí)間。但是，需要注意的是，只有當(dāng)?t遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樣品的馳豫時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)才能夠接收到磁共振的信號(hào)。所以，對于馳豫時(shí)間比較短的樣品來說，要想獲得比較多的磁共振信號(hào)，就需要使得延時(shí)時(shí)間變小[9]。減少延時(shí)時(shí)間的方法有如下兩種，一是可以讓發(fā)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(shí)時(shí)間；二是提高射頻開關(guān)的速度。針對這樣的情況，為了滿足短時(shí)間內(nèi)樣品信號(hào)的檢測需求，本文設(shè)計(jì)了一款雙線圈模式下工作的可以進(jìn)行高速切換地磁共振射頻開關(guān)[10]。

3.2 電路設(shè)計(jì)與分析

在本文中，涉及到的是驅(qū)動(dòng)電路，這一驅(qū)動(dòng)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(huì)受到自身因素的影響，并且這種影響還會(huì)延續(xù)到對外部的影響中，所謂的驅(qū)動(dòng)電路的切換速度指的是，驅(qū)動(dòng)輸出的正負(fù)電源之間所存在的一種速度，一個(gè)速度較快的驅(qū)動(dòng)電路往往可以進(jìn)一步加快PIN管的切換[11]。此外，還需要注意的是，射頻開關(guān)的切換時(shí)間一般來說需要保持在3??以內(nèi)。對于驅(qū)動(dòng)電路來說，需要結(jié)合實(shí)際情況分為不同的兩類，一類是用來驅(qū)動(dòng)射頻子開關(guān)的S1，一類是用來驅(qū)動(dòng)射頻子開關(guān)的S2。

3.2.1 控制級(jí)

在控制級(jí)中，一般包含了波形調(diào)整和延時(shí)電路的相關(guān)內(nèi)容。在實(shí)際的開關(guān)級(jí)中，主要存在兩個(gè)MOS管，一個(gè)是PMOS，一個(gè)是NMOS。其中，PMOS在實(shí)際的電壓中被當(dāng)做高電平時(shí)介質(zhì)，NMOS在電壓中為高電平時(shí)導(dǎo)通，相關(guān)技術(shù)人員就需要對Blanking信號(hào)來進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，從而能轉(zhuǎn)換成為兩種不同的控制信號(hào)。此外，需要注意的是，在這兩路控制信號(hào)中是存在一定程度的延時(shí)的，導(dǎo)致無法進(jìn)行科學(xué)導(dǎo)通。在本文的試驗(yàn)中，所選用的是UC3715芯片，這樣可以進(jìn)一步提升延時(shí)功能，并對相關(guān)波形做比較詳細(xì)的調(diào)整[12]。UC3715芯片具有很多的特點(diǎn)，比如說具備一定的延時(shí)功能，是適用于高速場的驅(qū)動(dòng)芯片的，可以通過TTL電平來進(jìn)行合理操作。其中，T1DELAY和T2DELAY所對應(yīng)的輸出是AUX和PWR，下降沿和上升沿之間還存在著延時(shí)值，這一取值范圍是控制在50ns到500ns之間的，結(jié)合實(shí)際情況調(diào)節(jié)T1引腳的接地電阻就可以設(shè)定T1DELAY的相關(guān)值，調(diào)節(jié)T2引腳的接地電阻可以調(diào)節(jié)T2DELAY的值。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)級(jí)

在驅(qū)動(dòng)級(jí)中，一般是由光電耦合元件和MOS管高速驅(qū)動(dòng)器所組成的，在這一驅(qū)動(dòng)元件中，主要的作用就是對光電耦合之后的電路和電氣進(jìn)行有效隔離，這樣才能保證驅(qū)動(dòng)級(jí)的上半部分和下半部分之間都具有獨(dú)立的空間，進(jìn)一步減少干擾情況的出現(xiàn)。在MOS管高速驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際運(yùn)行過程中，一般是可以在比較短的時(shí)間內(nèi)就完成充電工作，這樣可以有效控制MOS的開關(guān)，在經(jīng)過了驅(qū)動(dòng)之后，一般會(huì)出現(xiàn)兩種不同的波形，AUX OUTPUT和PWR OUTPUT分別驅(qū)動(dòng)PMOS和NMOS的柵極。這是因?yàn)椋绻f柵極被作為高電平時(shí)NMOS管導(dǎo)通，就會(huì)出現(xiàn)低電平時(shí)NMOS管和PMOS截止，這樣就可以得出相關(guān)波形，一旦說出現(xiàn)了輸入信號(hào)跳變的情況。高電平中的PMOS管就將會(huì)直接關(guān)閉掉，只有在經(jīng)過了T2DELAY延時(shí)之后，PMOS管就會(huì)自動(dòng)打開，這樣就可以有效避免出現(xiàn)兩個(gè)MOS管同時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)通的情況，這在驅(qū)動(dòng)級(jí)中是非常重要的一個(gè)方面[13]。

3.2.3 開關(guān)級(jí)

在開關(guān)級(jí)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(fù)的恒壓源以及正的恒流源。MOS管分為了PMOS管以及NMOS管，開關(guān)級(jí)的作用就是為了有效控制這兩個(gè)MOS管的通斷使得輸出能夠在恒壓源和恒流源之間進(jìn)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(dǎo)通。在MOS管中，開關(guān)級(jí)是十分重要的核心內(nèi)容，對開關(guān)級(jí)進(jìn)行選擇可以直接影響到驅(qū)動(dòng)器的速度以及驅(qū)動(dòng)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(jié)合實(shí)際情況選擇比較合適的MOS管。在MOS管的柵極、漏級(jí)以及源級(jí)中存在著很大的寄生電容，這些寄生電容一般會(huì)限制MOS管的開關(guān)速度，所以，這就需要結(jié)合實(shí)際情況選擇級(jí)間寄生電容比較小的MOS管。此外，相關(guān)技術(shù)人員還需要考慮到源級(jí)和漏級(jí)間的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通電阻越大，MOS所消耗的功率也就會(huì)越大。

3.3 鎖場收發(fā)電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在鎖場收發(fā)單元發(fā)射機(jī)中，相關(guān)的結(jié)構(gòu)包括了射頻發(fā)射源以及開關(guān)盒功率調(diào)節(jié)電路這兩個(gè)主要的部分，現(xiàn)在要求的是在NMR譜儀技術(shù)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(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)等系統(tǒng)來完成發(fā)射機(jī)的快速調(diào)制，從而得到可以有效滿足核磁共振實(shí)驗(yàn)要求的相關(guān)射頻信號(hào)。

在AD9958芯片中，使用了比較先進(jìn)的DDS技術(shù)，利用這一技術(shù)可以開發(fā)出集成度比較高的DDS器件，只有在具有了兩個(gè)DDS內(nèi)核后，才可以在同一時(shí)間段中提供兩個(gè)獨(dú)立的、同步的編程輸出通道，這樣才能夠?qū)ο嚓P(guān)的相位、頻率以及幅度來進(jìn)行控制。針對這樣的情況，選擇AD9958，可以提供兩種比較獨(dú)立的射頻輸出，其中的一路主要是用來提供發(fā)射機(jī)的射頻輸出信號(hào)，另外一路，是給提供接收機(jī)作為本振。此外，需要注意的是，由于AD9958需要可以節(jié)省成本，有著比較多的優(yōu)勢，這樣就可以在付出較低成本的情況下來達(dá)到設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。在NMR中，如果出現(xiàn)了接收機(jī)和發(fā)射機(jī)同時(shí)工作的情況，就會(huì)出現(xiàn)發(fā)射機(jī)的射頻功率一般會(huì)在一定程度上泄露到接收機(jī)中，這樣就會(huì)影響到核磁共振信號(hào)的有效接收。因此，針對這樣的情況，合理使用發(fā)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(shí)際設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)和中頻數(shù)字化電路這兩個(gè)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(hào)經(jīng)過了射頻開關(guān)以及濾波的過濾之后，再次進(jìn)行放大，這樣可以從DDS輸出的另一個(gè)通道中產(chǎn)生本振信號(hào)來進(jìn)行混頻，得到了相關(guān)的變頻信號(hào)之后，可以將信號(hào)傳輸?shù)胶罄m(xù)的電路中進(jìn)行處理。在中頻技術(shù)中，可以直接采用采樣技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以有效節(jié)省接收機(jī)模擬濾波器的調(diào)整，系統(tǒng)在經(jīng)過了簡單的調(diào)試之后，運(yùn)行情況變得十分穩(wěn)定，在經(jīng)過了混頻和放大之后，核磁共振信號(hào)中有著高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以及時(shí)完成采樣工作，之后可以將轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號(hào)在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)對磁共振信號(hào)正交，經(jīng)過了多層次的處理之后，高速信號(hào)會(huì)被抽取出來，從而可以輸出比較準(zhǔn)確的核磁共振信號(hào)。

3.4 光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大電路設(shè)計(jì)

為了有效消除掉驅(qū)動(dòng)電路對其他電路的干擾，這就需要對電路進(jìn)行保護(hù)。本文主要是將驅(qū)動(dòng)電路與其他的控制電路來進(jìn)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(jìn)行隔離外，還需要要求在輸出波形的上升以及下降順著時(shí)間來進(jìn)行控制，這樣才能夠通過較高頻率的PWM信號(hào)，使得驅(qū)動(dòng)的場效應(yīng)管在工作上可以達(dá)到飽和截止這兩種不同的狀態(tài)。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(jié)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(zhì)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(hào)的頻率一般設(shè)置為23.4 kHz，這就造成電機(jī)在實(shí)際使用的過程中并沒有出現(xiàn)什么噪聲，大約占據(jù)0.5的比重。經(jīng)過MCU輸出的相關(guān)PWM信號(hào)和DIR信號(hào)在經(jīng)過了邏輯電路的處理之后，一般會(huì)輸出兩組信號(hào)，也就是A1,B1 和A2，B2，現(xiàn)在是以第一組為例子來闡述光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大電路的工作過程，也就是說，當(dāng)B1為低 電平0時(shí)，光隔u 飽和導(dǎo)通，而u 截止，使三極 管Q 截止，功率場效應(yīng)管因門極G點(diǎn)為高電平1 而導(dǎo)通。這個(gè)過程實(shí)際就是電源對場效應(yīng)管門極 的充電過程[14]。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文主要設(shè)計(jì)了一種核磁共振射頻開關(guān)。在這一開關(guān)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(guān)的工作原理是通過對外部驅(qū)動(dòng)電路來做進(jìn)一步控制，這樣可以達(dá)到有效控制PIN管通達(dá)的目的。但是，需要注意的是，驅(qū)動(dòng)電路是由開關(guān)速度所決定的，座椅，在這一射頻開關(guān)中，需要技術(shù)工作人員將DRV1驅(qū)動(dòng)端的上升之間設(shè)計(jì)為1.9??，下降的時(shí)間也需要設(shè)置為540ns，這樣才能保證射頻開關(guān)的正常運(yùn)行。需要注意的是，在驅(qū)動(dòng)單元中，采用的是驅(qū)動(dòng)電源分離和控制信號(hào)的設(shè)計(jì)方法，這樣可以有效增大驅(qū)動(dòng)電源對驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)單元輸出來的驅(qū)動(dòng)電流就可以達(dá)到若干安倍，驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)隨之上升到上百伏特，這些都不會(huì)對驅(qū)動(dòng)速度造成比較嚴(yán)重的影響。此外，射頻開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)特性是比較好的，插入損耗、VSWR以及隔離度等參數(shù)都需要滿足設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，經(jīng)過相關(guān)的測試發(fā)現(xiàn)，在開關(guān)中可以承受大約1000W的脈沖功率，并可以將總體開關(guān)的速度控制在1??左右，這樣的設(shè)計(jì)是優(yōu)于目標(biāo)的。在接下來的一步，還需要將射頻開關(guān)進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)，這樣可以評(píng)價(jià)其是否具有可應(yīng)用的價(jià)值。