论文总字数：21711字

摘 要

随着我国医疗事业的发展，对核磁共振成像仪器需求快速增加。接收端的前置低噪声放大器是核磁共振成像系统中关键的部件，它的噪声性能对成像质量有着很大的影响。本文以设计7T下核磁共振成像系统的前置放大器的过程为例，来说明在设计的各个环节降低噪声系数的方法。7T下氢元素的拉莫频率为297MHz，为满足梯度磁场下核磁共振的需求，放大器的频率范围设计为220MHz~350MHz。

本文首先设计了共源共基的二级放大器结构，并分析它的性能；然后根据晶体管的特性选取最优的直流工作点，并基于选取的直流工作点设计了偏置电路；在设计偏置电路时给出了多种方案，然后比较不同方案的噪声性能选取最佳方案。之后对放大器的稳定性做优化，提出了提高稳定性的不同方法然后选取最佳的方法；最重要的是，针对放大器的频率范围，设计了输入输出端的匹配网络，在输入端的匹配时，除了要衡量噪声匹配与共轭匹配，还要满足带宽的需求，因此采用了低Q值的匹配方法，并通过频率补偿的方法拓宽带宽。最终实现在频率范围内24dB的增益，带内波动小与2dB，噪声系数不超过0.33dB。

关键词：核磁共振 低噪声放大器 史密斯圆图 噪声匹配

Abstract

With the development of the medical treatment cause in our country ，the demand of MRI device has been increasing for years . In the MRI system, the preposition LNA is the key component for a good imaging quality. In this article, I introduce the procedure of the design of the LNA in the MRI system in the magnetic field of 7T. Then I illustrate the methods to lower the noise figure in every step of the design. In the magnetic field of 7T, the Larmor frequency of hydrogen nucleus is 297MHz.The frequency range was set to 220MHz~350MHz to satisfy the MRI system in the gradient magnetic field.

In this article, we designed a cascode two-stage magnifier, and analysis its property. We first chosen the DC Operating Point, based on which the bias circuit was designed. In the design of bias circuit , a variety of solutions are given, and then compare the noise performance of a different scheme ,then select the best one. After doing optimization to the stability of the amplifier, and puts forward different methods and choose the best way to improve the stability. The most important thing is the design of match network in the input and output ports, which is that the match network must cover the whole frequency range. So the low Q value matching method is applied to expand the bandwidth. Finally, the gain of the amplifier is 24dB. Passband Ripple is less than 2dB in frequency range, noise figure is less than 0.33dB.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景和意义： 1

1.2 论文结构 1

1.3 核磁共振系统中的前置放大器 1

第二章 背景知识 4

2.1 放大器的动态范围 4

2.2 电压反射系数 4

2.3 史密斯圆图 5

2.4 放大器的稳定性 7

2.5 双元件匹配网络 8

第三章 低噪声放大器的实现 9

3.1 放大器结构的选择 9

3.2 偏置电路的设计 12

3.3 稳定性的优化 15

3.4 匹配网络的设计 17

3.5 低噪放综述 27

第四章 总结与改进 29

4.1 总结 29

4.2 不足与优化 29

第五章 致谢 30

参考文献： 31

绪论

选题背景和意义：

在现代医学中，核磁共振检测技术越来越重要，应用也越来越广泛，尤其在心脑血管检测中，核磁共振检测越来越重要。最近的几十年来，我国医疗事业不断向前发展，医疗技术不断进步，全国大大小小兴建了数以千计的医院，基层的医院要提升医疗水平，对核磁共振仪之类的高端医疗检查仪器需求也越来越大[13]。目前在这方面我国在研制高性能的核磁共振仪上还处于劣势。在核磁共振成像系统中，影响成像质量好坏的首要部分就是与线圈相连的前置低噪声放大器。它担负着对接收到信号的初级放大任务。因此，除了要有足够的增益外，它的噪声性能也非常重要。较低的噪声系数可以将信号放大过程中的噪声降到最低，为最终实现清晰的成像打下基础。

通常，核磁共振成像系统中通过接收线圈感应到的信号都是微伏级大小的信号,要想对其进行检波，采集等，就必须经过多个量级的放大处理。通常系统要求输出端的信噪比固定，放大器的噪声系数越小，表示对接收端的信噪比要求越低，当噪声功率不变时，系统能接受的最小信号功率也就越低，系统灵敏度就越高。

噪声系数是低噪声放大器设计的核心指标之一，设计过程中的难点就是如何在相对频率较宽的范围内实现较好的噪声匹配。本文将以一个实际放大器的设计过程为例讨论各个方面对噪声性能的影响。

论文结构

本文总共分为四个章节：第一章绪论介绍课题背景，论文组织，核磁共振的一些知识以及在核磁共振成像仪中前置低噪放的位置及性能要求。第二章为背景知识介绍，主要介绍了在射频低噪声放大器设计的过程中所需的射频电路理论知识，主要有以下几个部分：1）传输线理论；2）散射参量及其应用；3）史密斯圆图的含义及其在阻抗变换中的应用；4）低噪声放大器的稳定性分析，噪声系数分析，噪声匹配及增益匹配等理论依据。第三章为低噪声放大器的实现部分，本章按照设计一个较大带宽内的低噪声放大器的过程为例，从直流工作点选取，偏置电路设计，稳定性优化以及输入输出匹配电路的设计等方面进行讨论。以ADS中电路的仿真效果为参考，详细探讨了从各个方面降低噪声的可能，其中输入端的匹配网络为整个章节的重点。第四章为综述，对仿真过程中的问题进行分析，提出仿真电路在实现时的问题进行总结。

核磁共振系统中的前置放大器

核磁共振基本原理

在人体核磁共振成像系统中，通常都是对氢（）元素的原子核做核磁共振检测。原因是氢核对核磁共振比较敏感，而且在人体中有大量的分布。同常人体中不同组织的氢元素分布有很大差别，病变的组织与正常的组织的氢分布也有很大的差别，通过核磁共振成像技术描处人体中氢元素的分布图就可以推断出人体不同组织的图像。而且由于直接得到的就是氢元素的三维分布，因此就可以据此得到组织器官的立体图像，信息量比其他成像技术更加丰富。

原子核都带正电，在其自旋的过程中就会产生磁矩，当原子核处于恒定的静磁场时，所有原子核的自旋的轴就会沿着磁场的方向定向的排列,即原子核的自旋角动量变为方向。通常氢核有两种自旋的空间取向，一种与同向平行，另一种与反向平行。不同的方向代表了两个能级，其中反向平行的为高能级。

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