引言
核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
(1) $F={{F}_{1}}+\frac{{{F}_{2}}-1}{{{G}_{1}}}+\frac{{{F}_{3}}-1}{{{G}_{1}}{{G}_{2}}}+\cdots +\frac{{{F}_{N}}-1}{{{G}_{N-1}}\cdots {{G}_{1}}}$
根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证.
针对上述问题，本文选择分立式射频双极性晶体管（BJT）设计放大电路，并通过对比晶体管的噪声参数、特征频率${{f}_{T}}$
1 理论分析
噪声普遍存在于电子元器件、网络和系统中，会损害所需信号的质量.噪声主要有热噪声、闪烁噪声和散弹噪声等.热噪声又称白噪声或约翰逊噪声，是由处在一定温度下物质内部的各种微粒作无规律的热运动而产生的，常用统计数学的方法进行研究.其概率分布为正态分布，在整个无线电频段内有均匀的功率谱密度（PSD）.热噪声${{e}_{t}}$ [20 ] （单位：V2 /Hz）为：
(2) ${{S}_{t}}(f)=4kTR$
${{S}_{t}}(f)$ ${{\text{V}}^{2}}/\text{Hz}$ k 为玻尔兹曼（Boltzmann）常量，值为1.38×10-23 J/K；T 为绝对温度（K）；R 为导体的电阻值（Ω）.噪声电压的均方值$\overline{v_{n}^{2}}$ 2 ）是时域噪声总功率的统计量，其值可由PSD在带宽$\Delta f$
(3) $\overline{v_{n}^{2}}=\int{_{\Delta f}}{{S}_{t}}(f)\text{d}f=4kTR\Delta f$
对于电阻来说其热噪声可由理想无噪电阻R 串联噪声电压源或并联噪声电流源表示，如图1 所示.
图1
图1
电阻热噪声模型
Fig. 1
Resistor thermal noise model
1.1 BJT噪声模型
双极晶体管、场效应晶体管和集成芯片等有源器件具有电流或电压增益，在放大所需信号的同时也会放大电路内部的噪声.对于这些放大器件，可以将其视为一个二端口网络进行噪声分析.通常，将一个有噪声的二端口网络等效为一个无噪声的二端口网络以及附加在输入端的噪声电压源和噪声电流源.
BJT的放大电路${{e}_{n}}-{{i}_{n}}$ [21 ] 如图2 所示.图2(a) 为BJT共射极组态下的噪声模型，其中${{e}_{\text{S}}}$ ${{R}_{\text{S}}}$ ${{r}_{\text{b}}}$ ${{r}_{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}}$ ${{C}_{\text{ }\!\!\mu\!\!\text{ }}}$ ${{C}_{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}}$ ${{V}_{\text{be}}}$ $\overline{i_{\text{C}}^{2}}$ $\overline{i_{\text{B}}^{2}}$ $\overline{v_{\text{b}}^{2}}$ 图2(b) 则为等效输入噪声模型，${{e}_{n}}$ ${{i}_{n}}$ $\overline{e_{n}^{2}}$ $\overline{i_{n}^{2}}$ ${{e}_{\text{t}}}$ ${{R}_{\text{S}}}$ ${{I}_{\text{B}}}$ ${{I}_{\text{C}}}$
图2
图2
晶体管噪声模型. (a) BJT小信号噪声模型；(b)等效输入噪声模型
Fig. 2
Transistor noise models. (a) BJT small-signal noise model; (b) Equivalent input noise model
(4) $\overline{i_{\text{C}}^{2}}=2q{{I}_{\text{C}}}\Delta f$
(5) $\overline{i_{\text{B}}^{2}}=2q{{I}_{\text{B}}}\Delta f+K\frac{I_{\text{B}}^{\text{a}}}{{{f}^{\text{b}}}}\Delta f\approx 2q{{I}_{\text{B}}}\Delta f\quad (f>{{f}_{\text{L}}})$
(6) $\overline{v_{\text{b}}^{2}}=4KT{{r}_{\text{b}}}\Delta f$
其中q 为元电荷、$K\frac{I_{\text{B}}^{\text{a}}}{{{f}^{\text{b}}}}\Delta f$ K 、a、b为经验参数）为闪烁噪声部分，当工作频率f 大于闪烁噪声的转折频率${{f}_{\text{L}}}$
(7) $\overline{e_{n}^{2}}=\overline{v_{\text{b}}^{2}}+\frac{\overline{i_{\text{C}}^{2}}}{g_{m}^{2}}+\overline{i_{\text{B}}^{2}}{{r}_{\text{b}}}\approx \overline{v_{\text{b}}^{2}}+\frac{\overline{i_{\text{C}}^{2}}}{g_{m}^{2}}$
(8) $\overline{i_{n}^{2}}=\overline{i_{\text{B}}^{2}}+\frac{\overline{i_{\text{C}}^{2}}}{|\beta (j\omega ){{|}^{2}}}\approx 2q{{I}_{\text{B}}}\Delta f$
其中$g_{m}^{{}}$ β (jω )表示晶体管的集电极电流和基极电流之间的增益关系.β 在频率远低于特征频率${{f}_{\text{T}}}$
(9) $F=\frac{\overline{e_{\text{t}}^{\text{2}}}+\overline{{{\left( {{e}_{n}}+{{i}_{n}}{{R}_{\text{S}}} \right)}^{2}}}}{\overline{e_{\text{t}}^{\text{2}}}}$
此时假设${{e}_{n}}$ ${{i}_{n}}$
(10) $F=1+\frac{\overline{e_{n}^{2}}+\overline{i_{n}^{2}}R_{\text{S}}^{2}}{4kTR_{\text{S}}^{{}}\Delta f}$
如果放大器要获得最小的噪声系数，需令$\frac{\partial F}{\partial R_{S}^{{}}}=0$
(11) ${{R}_{\text{Sopt}}}=\sqrt{\frac{\overline{e_{n}^{2}}}{\overline{i_{n}^{2}}}}$
在射频放大器设计中，由于晶体管的最佳源阻抗${{R}_{\text{Sopt}}}$
1.2 宽带匹配
对于窄带低噪声放大器来说，一般采用最佳噪声匹配的方法，即从史密斯圆图上选取等噪声系数圆与等增益圆的合适交点（阻抗点），再将其与信号源的阻抗进行LC匹配，该方法较为成熟且匹配电路简单，但是从相对带宽[18 ] 来看，本设计属于宽带低噪声放大器，用该匹配方法较难实现带宽内的增益、噪声、输入阻抗的平衡.在宽带放大器设计中，常用的方法有平衡式结构放大器、负反馈式结构放大器、有源匹配结构放大器等几种[22 ] ，它们的效果对比如表1 所示.
对于表1 所示方法，平衡式、有源匹配式可满足低噪声要求.平衡式一般使用变压器、巴伦将源信号与放大电路的输入端进行耦合，变压器可用于共模信号的阻抗匹配，巴伦则用于差分信号的阻抗匹配，但前者体积较大，后者增加了电路的复杂度，此外商用阻抗变换器件往往难以满足特定变换比的精准匹配需求，而手工绕组又难以精确控制关键性能参数，如插入损耗、幅度及相位一致性；对于有源匹配式来讲，实际上就是使用晶体管替代输入匹配网络，因为共基极/栅极放大电路输入阻抗低且可控，将其作为原放大电路的第一级可以实现整体电路的输入阻抗匹配，但此种方法会使得线性度下降.这两种方法虽能满足宽带、低噪声要求，但二者缺点也较为明显且都增加了电路的复杂度.若权衡其他因素，行波式、负反馈式也可作为合理选择.行波式放大器是理论带宽最宽的结构，但其需要N 个晶体管进行级联，且晶体管之间的栅极和漏极都用传输线进行连接[23 ] ；负反馈式通过反馈回路（少量电阻、电容构成）降低整体增益以扩展带宽，这补偿了放大电路增益随频率升高而下降的特性，其次并联负反馈还使得放大器的输入阻抗发生变化，能实现在一定带宽内的宽带匹配.但行波式一般用于超宽带场景，并不符合本设计的低场应用需求，而负反馈式的低频段增益更为平坦且易于针对当前需求频段进行优化.综上来看，负反馈式放大电路在噪声特性、工作带宽与电路复杂度之间实现了折中，故作为本设计的选择方案.
1.3 芯片选型
在低噪声放大器设计中，芯片的固有噪声参数、晶体管类型均会显著影响放大电路的噪声特性，从而决定系统接收端的灵敏度上限.尤其在高频场景下，寄生效应和器件本征噪声会随频率增大而加剧，若芯片选型未针对工作频段，即使通过后续电路的优化设计也难以弥补器件自身的噪声劣势.因此，需结合目标频段、电路结构及厂商提供的最小噪声系数（NFmin ）、最佳源反射系数（Γ sopt ）等关键噪声相关参数，系统地筛选噪声特性与设计指标匹配的芯片方案.
本文通过调研选型出了东芝2SC3324、安森美NSVF3007SG3及2SC5226A等低噪声芯片.基于器件的噪声度曲线分析表明：2SC3324[图3(a) ]需约束源阻抗于500 Ω~40 kΩ范围方可实现噪声系数NF<1 dB，其源阻抗-噪声具有较强相关性；NSVF3007SG3[图3(b) ]在源阻抗Z S = 50 Ω时的噪声系数虽稍劣于其为最佳源阻抗时的值，但可通过调整集电极电流I C 以实现最小NF；2SC5226A[图3(c) ]仅提供单条NF-I C 曲线，但表现出的特性与图3(b) 类似，且噪声性能更优.
图3
图3
三种芯片的噪声度曲线. (a)东芝2SC3324；(b)安森美NSVF3007SG3；(c)安森美2SC5226A
Fig. 3
Noise characteristic curves of three chips. (a) Toshiba 2SC3324; (b) ON Semiconductor NSVF3007SG3; (c) ON Semiconductor 2SC5226A
对于并联负反馈结构电路，如果考虑基极偏置电阻R p 、反馈电阻R f ，则其等效电路[24 ] 如图4 所示（其中R fi 和R fo 分别为反馈网络在输入、输出端口的等效电阻）．由图可知，信号源与晶体管输入（基极）之间没有匹配网络，中间仅存在基极偏置电路、反馈网络，而信号源阻抗Z S = 50 Ω，且与基极偏置、反馈回路属于并联关系，同时R p 、R fi 远大于Z S ，即基极所得到的源阻抗$R_{\mathrm{S}}^{\prime}=Z_{\mathrm{S}} / / R_{\mathrm{p}} / / R_{\mathrm{fi}} \approx 50 \Omega$（// 表示并联），因此，需在选型过程中应挑选出在50 Ω源阻抗下可实现低噪声特性的芯片．本文选择了2SC5226A，其噪声度曲线虽未明确源阻抗条件，但可预测同样存在一个合适的I C 使其在Z S = 50 Ω时达到最小噪声系数．
图4
图4
共射放大电路-电压负反馈小信号等效电路
Fig. 4
Small-signal equivalent circuit of common-emitter amplifier with voltage-negative feedback
2 LNA电路设计与测试
LNA基本电路原理图如图5 所示.该放大电路由两级BJT放大器级联构成，第一级为共发射极放大电路，主要起到放大电压的作用，其中R f 、C f 为并联负反馈，调节至合适的值即可实现对输入的宽带匹配；L e 为串联负反馈，用于增强电路稳定性.第二级为射极跟随器，起到放大电流的作用，由于该放大电路具有低输出阻抗的特性，串联一个电阻R M 即可实现输出上的宽带匹配.电容C C1 、C C3 为输入输出隔离直流，其他电阻则为放大器提供静态工作点.两级之间使用电容C C2 进行耦合，通过前后两级的放大实现对微弱信号的功率放大.
图5
图5
LNA电路结构
Fig. 5
Low-noise amplifier circuit topology
2.1 电路仿真
在实际电路制作调试之前进行仿真分析是有必要的，可辅助验证并量化噪声系数、增益等核心指标，对电路的性能起到一定预测作用；另一方面通过调整仿真中的参数，观察电路性能的变化规律，能为电路的实际调试提供指导.因此，本文使用了射频电路仿真平台，从S参数、噪声特性和稳定性等方面展开系统性仿真分析，为后续设计提供理论支持.以2SC5226A作为放大器芯片所设计的仿真电路如图6 所示.
图6
图6
LNA电路仿真模型
Fig. 6
LNA circuit simulation model
仿真测试时通过预设控件获取噪声系数、S参数及稳定性因子三个核心参数对电路性能进行分析.整个电路的调试及优化在于反馈电路部分，即通过调节图6 中R 14的阻值、C 7的容值及L 1的感值，最终得到图7 所示的均衡仿真效果.图7(a) 表明放大电路在1~30 MHz的带宽上，增益大于32 dB且平稳，输入输出均与50 Ω匹配；图7(b) 则显示了其噪声系数NF小于0.73 dB，且稳定因子StabFact（电路的绝对稳定判据，1是临界稳定阈值，数值越大稳定性越高）大于1.经过优化的电路能够实现所需工作频段下的宽带匹配与低噪声特性的平衡，且在工作频段内稳定.
图7
图7
仿真结果. (a) S参数；(b)噪声系数与稳定性因子
Fig. 7
Simulation results. (a) S-parameters; (b) Noise figure and stability factor
2.2 实物制作与电性能测试
在仿真验证了所选BJT芯片及其电路方案可行性的基础上，本文进一步开展了实物设计与制作.如图8 所示，电路中采用低噪声线性稳压芯片TPS7A49为放大电路供电，并将PCB整体装入金属屏蔽盒以抑制环境中的电磁干扰.PCB底层采用完整接地层（GND）设计，且未覆盖阻焊油墨，使GND直接与屏蔽盒内壁接触.
图8
图8
LNA实物
Fig. 8
LNA prototype
在低噪声放大器的粗调阶段，通过调节反馈网络参数实现噪声性能与输入阻抗匹配的平衡，再对图6 中的基极偏置电阻R 18 、R 20 、R 10 、R 12 以及电路的集电极电流I C 进行微调，以实现对噪声系数的优化.调试完成后采用Y因子法对LNA的噪声系数进行测量，测试设备为安捷伦的E4445A频谱分析仪和噪声源346C，测量结果如图9(a) 所示；另外通过短接输入的方式分别测量系统底噪e vn_FS 和放大器总输出噪声的电压谱密度e vn_out ，并依据${\left( \sqrt{e{{_{\text{vn }\!\!\_\!\!\text{ out}}^{{}}}^{2}}-e{{_{\text{vn }\!\!\_\!\!\text{ FS}}^{{}}}^{2}}} \right)}/{{{G}_{\text{V}}}}\;$ [25 ] 放大器的等效输入噪声电压谱密度，处理结果如 图9(b) 所示.部分频点的噪声参数如表2 所示.
图9
图9
LNA噪声参数. (a)噪声系数；(b)等效输入电压噪声密度
Fig. 9
LNA noise parameters. (a) Noise figure; (b) Equivalent input voltage noise density
进一步使用矢量网络分析仪SVA1075X对LNA的输入输出阻抗、增益以及反向隔离度进行测量，并用S参数进行表征.其中LNA输入、输出分别连接矢量网络分析仪的端口1、端口2，测量结果如图10 所示.
图10
图10
S参数测量结果
Fig. 10
S-parameter measurement results
电气性能测量结果表明，自制的低噪声前置放大器在10 MHz至30 MHz的频段上噪声系数小于 0.73 dB，等效输入噪声电压密度小于0.45 nV/$\sqrt{\text{Hz}}$ 表3 ），部分频点的噪声系数或增益虽略有不足，但实现了整个工作频段上的平稳高增益与低噪声特性；而与射频宽带放大器相比，则在较低频段中展现了显著的增益、噪声优势.上述结果表明，本文低噪声放大器的芯片选型与电路结构均达到了预期效果.
2.3 低场NMR实验
为验证自制低噪声放大器的性能，本文使用电磁体及课题组自研低场谱仪系统，在0.5 T、0.35 T和0.25 T三个场强下开展NMR测试.实验过程中保持其他部分不变，只调整电磁体的场强、探头的谐振频率并更换对应T/R开关.三个场强对应的Larmor频率分别为21.3 MHz、14.9 MHz、10.6 MHz，使用的探头Q 值（中心频率除以-3 dB带宽）分别为27、26、20；实验样品为1 mmol/L的MnCl2 （购自Sigma-Aldrich）水溶液，样品量为0.1 mL；在各磁场条件下分别对探头进行了90˚单脉冲标定，然后在90˚脉宽下分别累加10次测量.实验结果分别如图11 、图12 、图13 所示.
图11
图11
0.5 T NMR实验结果. (a)时域信号；(b)频域信号
Fig. 11
Results of 0.5 T NMR experiment. (a) Time-domain signal; (b) Frequency-domain signal
图12
图12
0.35 T NMR实验结果. (a)时域信号；(b)频域信号
Fig. 12
Results of 0.35 T NMR experiment. (a) Time-domain signal; (b) Frequency-domain signal
图13
图13
0.25 T NMR实验结果. (a)时域信号；(b)频域信号
Fig. 13
Results of 0.25 T NMR experiment. (a) Time-domain signal; (b) Frequency-domain signal
为衡量研制的LNA在低场下的适用性，本文对比分析了三个磁场条件下的NMR信噪比，采用归一化信号强度与噪声统计特性的比值计算SNR.实际计算时将时域FID信号的峰值强度标准化为1，再与信号完全衰减后尾部区域噪声的标准差设为σ ，得到SNR计算公式[26 ] ：
(12) $\text{SNR=}\frac{1}{\sigma }$
三组实验累加次数相同，测得NMR信号的信噪比分别为352、210、113.而NMR信号的本征SNR与场强、探头Q 值呈正相关：
(13) $\text{SNR}\propto B_{0}^{3/2}{{Q}^{1/2}}{{T}^{-3/2}}$
不同磁场下的本征SNR理论比值大致应为SNR0.5T : SNR0.35T : SNR0.25T = 3.286 : 1.889 : 1，考虑到环境因素（温度变化）、电磁体不同电流对底噪的影响，上述三组实验SNR的比值为3.115 : 1.858 : 1，基本符合理论比.实验结果表明，该LNA能够成功应用于低场NMR系统，其低噪声、高增益的性能，最大程度地降低了对本征信噪比的影响，并抑制了后续接收电路的噪声贡献，最终实现了高信噪比的实验数据采集.
3 结论
为提高NMR谱仪系统接收链路的灵敏度并抑制噪声，本文研制了一个适用于低场下的低噪声前置放大器，文中综合噪声、带宽、增益等性能，考虑了晶体管类型、电路的结构，利用理论分析、仿真验证与实际调试相结合，实现了放大电路宽带上的稳定增益与低噪声性能；放大器在测量带宽内的噪声系数NF≤0.73 dB，等效输入噪声电压密度≤0.45 nV /$\sqrt{\text{Hz}}$
利益冲突
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本研究采用时域核磁共振（TD-NMR）技术探究聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）木塑复合材在吸湿与吸水过程中水分的状态和自旋-自旋弛豫（T<sub>2</sub>）特征．并比较PMMA木塑复合材的阻湿率和拒水率，分析PMMA木塑复合材的阻湿和防水性能与原理．研究对象为浸渍甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体聚合生成的PMMA木塑复合材．首先对绝干的PMMA木塑复合材进行核磁共振T<sub>2</sub>检测，然后分别进行吸湿和吸水实验，并每隔一段时间测定试件质量及其T<sub>2</sub>信号量．结果表明：PMMA木塑复合材的吸湿率和吸水率低于未处理材，具有良好的阻湿和防水性能，且MMA浸渍浓度为100%，浸渍时间为24 h时，在温度为 (40±0.2) ℃相对湿度为 (96.4±0.4)%恒温恒湿环境下木塑复合材吸湿率低于15%，常温下吸水试件的吸水率低于30%．PMMA木塑复合材的吸湿率和吸水率明显降低，T<sub>2</sub>峰面积也逐渐减小．这说明木塑复合材内部的PMMA起到了防止水分进入的作用．
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Sandstone rocks can contain microscopic variations in composition that complicate interpretation of nuclear magnetic resonance (NMR) relaxation time measurements. In this work, methods for assessing the degree of sample heterogeneity are demonstrated in three sandstones. A two-dimensional T1-Δχapp correlation (where Δχapp is the apparent solid/liquid magnetic susceptibility contrast) reveals the microscopic heterogeneity in composition, whilst a spatially resolved T1 profile reveals the macroscopic structural heterogeneity. To perform these measurements efficiently, a rapid measure of longitudinal T1 relaxation time has been implemented on a low-field NMR spectrometer with a magnetic field strength B0=0.3 T. The "double-shot" T1 pulse sequence is appropriate for analysis of porous materials in general. Example relaxation time distributions are presented for doped water phantoms to validate the method. The acquisition time of the double-shot T1 sequence is equivalent to the single-shot Carr-Purcell Meiboom-Gill (CPMG) sequence used routinely in petrophysics to measure transverse T2 relaxation. Rapid T1 measurements enable practical studies of core plugs at magnetic field strengths previously considered inappropriate, as T1 is independent of molecular diffusion through pore-scale (internal) magnetic field gradients.Copyright © 2014 Elsevier Inc. All rights reserved.
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DOI:10.11938/cjmr20162547
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噪声前置放大器是磁共振射频接收子系统中的重要组件，它的性能优劣直接决定了最终磁共振图像的好坏.目前市场上的低噪声前置放大器大多基于中高场磁共振系统开发，而针对低场磁共振系统的很少；另外，商用低场磁共振系统的低噪声前置放大器价格相对较贵，并且多采用两级放大结构，结构复杂、调试难度大、成本相对较高.在此背景下，针对0.5 T低场磁共振设备利用Keysight公司的先进设计系统（ADS）软件对低噪声前置放大器进行研究设计，采用一级放大结构，探索电路设计与布局对放大器性能的影响.实测结果表明自主设计的低噪声前置放大器在21 MHz共振频率附近噪声系数为0.5 dB左右，增益达到了30 dB，能够满足低场磁共振应用的要求.
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Multi-dimensional nuclear magnetic resonance characterizations of dynamics and saturations of brine/crude oil/mud filtrate mixtures confined in rocks: The role of asphaltene
1
2014
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
Sensitivity analysis of T 2 -T 1 2D NMR measurement parameters in shale oil reservoirs
1
2023
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
页岩油储层T 2 -T 1 二维核磁共振测量参数敏感性分析
1
2023
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
Dynamical surface affinity of diphasic liquids as a probe of wettability of multimodal porous media
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2009
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
Study on moisture absorption and water uptake of PMMA wood-plastic composites based on TD-NMR
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2023
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
基于TD-NMR的PMMA木塑复合材吸湿和吸水研究
1
2023
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
Field-cycling NMR relaxometry
1
2004
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
Multiscale nuclear magnetic relaxation dispersion of complex liquids in bulk and confinement
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2018
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
Rapid measurements of heterogeneity in sandstones using low-field nuclear magnetic resonance
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2014
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
Design and research of low-noise preamplifier for MRI
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2011
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
... Comparison of amplifier performance
Table 3 放大器 类型 典型增益 典型噪声 ATF-33143 射频窄带放大器[8 ] 25 dB@128 MHz 0.42 dB@128 MHz ATF-54143 射频窄带放大器[17 ] 40 dB@20 MHz 0.6 dB@20 MHz MAR-6SM+ 射频宽带放大器[19 ] 20.11 dB@62 MHz 1.7 dB@62 MHz PHA-13HLN+ 射频宽带放大器 24.3 dB@20 MHz 1.2 dB@20 MHz 本文LNA 射频宽带放大器 31.3 dB@20 MHz 0.63 dB@20 MHz
2.3 低场NMR实验 为验证自制低噪声放大器的性能，本文使用电磁体及课题组自研低场谱仪系统，在0.5 T、0.35 T和0.25 T三个场强下开展NMR测试.实验过程中保持其他部分不变，只调整电磁体的场强、探头的谐振频率并更换对应T/R开关.三个场强对应的Larmor频率分别为21.3 MHz、14.9 MHz、10.6 MHz，使用的探头Q 值（中心频率除以-3 dB带宽）分别为27、26、20；实验样品为1 mmol/L的MnCl2 （购自Sigma-Aldrich）水溶液，样品量为0.1 mL；在各磁场条件下分别对探头进行了90˚单脉冲标定，然后在90˚脉宽下分别累加10次测量.实验结果分别如图11 、图12 、图13 所示. ...
MRI低噪声前置放大器设计研究
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2011
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
... Comparison of amplifier performance
Table 3 放大器 类型 典型增益 典型噪声 ATF-33143 射频窄带放大器[8 ] 25 dB@128 MHz 0.42 dB@128 MHz ATF-54143 射频窄带放大器[17 ] 40 dB@20 MHz 0.6 dB@20 MHz MAR-6SM+ 射频宽带放大器[19 ] 20.11 dB@62 MHz 1.7 dB@62 MHz PHA-13HLN+ 射频宽带放大器 24.3 dB@20 MHz 1.2 dB@20 MHz 本文LNA 射频宽带放大器 31.3 dB@20 MHz 0.63 dB@20 MHz
2.3 低场NMR实验 为验证自制低噪声放大器的性能，本文使用电磁体及课题组自研低场谱仪系统，在0.5 T、0.35 T和0.25 T三个场强下开展NMR测试.实验过程中保持其他部分不变，只调整电磁体的场强、探头的谐振频率并更换对应T/R开关.三个场强对应的Larmor频率分别为21.3 MHz、14.9 MHz、10.6 MHz，使用的探头Q 值（中心频率除以-3 dB带宽）分别为27、26、20；实验样品为1 mmol/L的MnCl2 （购自Sigma-Aldrich）水溶液，样品量为0.1 mL；在各磁场条件下分别对探头进行了90˚单脉冲标定，然后在90˚脉宽下分别累加10次测量.实验结果分别如图11 、图12 、图13 所示. ...
Noise figures of radio receivers
1
1944
... 核磁共振技术在石油勘探[1 ,2 ] 、多孔介质分析[3 ,4 ] 等领域具有重要应用，其通过测量1 H弛豫随磁场变化的响应特性，并结合不同场强下表面弛豫与扩散弛豫的作用机理分析[5 ] ，可精确获取多尺度范围内分子动力学的特征参数[6 ] .基于弛豫时间分布与磁场强度的函数关系，可实现储层岩石润湿性、孔隙结构分布及固-液界面效应的原位定量表征，为油气储层评价提供关键物性参数.为减少液相和固相之间磁化率差异所产生的内部磁场梯度，此类研究通常需要在低场条件下进行[7 ] .然而受NMR固有低灵敏度特性的影响，低场下由磁化矢量切割接收线圈所产生的自由感应衰减信号（FID）只有微伏量级，此时的电信号极易被环境干扰、电路噪声所淹没，为确保高质量NMR信号的接收与处理，需重点优化接收链路的性能.根据NMR的信噪比（SNR）公式，其本征SNR取决于磁场强度、温度、样品、探头等，即接收线圈得到的信噪比，而整个系统最终输出信号的SNR还由其接收链路共同决定[8 ] .前置放大器位于射频线圈与后级放大电路之间，其主要作用是将射频线圈接收到的微弱信号进行初级放大.由噪声系数的级联公式(1)式[9 ] 可知，多级系统的总噪声因子F 由第一级的噪声系数${{F}_{1}}$ ${{G}_{1}}$ ${{F}_{N}}-1$ ${{G}_{1}}{{G}_{2}}\cdots {{G}_{N-1}}$
1
2015
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
Design of low-noise preamplifier for hydrophone based on JFET
0
2024
基于JFET的水听器低噪声前置放大器设计
0
2024
Design of a low-frequency low-noise measurement amplifier
1
2016
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
低频低噪声测量放大器的设计
1
2016
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
Design and implementation of 0.03-4.5 GHz ultra-wideband low-noise amplifier
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2017
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
0.03-4.5 GHz超宽带低噪声放大器设计与实现
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2017
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
Design of 0.1-3 GHz low-noise amplifier
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2024
Design of cryogenic low-noise amplifier with SiGe process for 0.01-2 GHz applications
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2024
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
基于锗硅工艺0.01-2 GHz低温低噪声放大器设计
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2024
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
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2014
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
Design of LOW-NOISE PREAMPLIFIer for 0.5 T compact joint MRI instrument
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2016
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
... Comparison of amplifier performance
Table 3 放大器 类型 典型增益 典型噪声 ATF-33143 射频窄带放大器[8 ] 25 dB@128 MHz 0.42 dB@128 MHz ATF-54143 射频窄带放大器[17 ] 40 dB@20 MHz 0.6 dB@20 MHz MAR-6SM+ 射频宽带放大器[19 ] 20.11 dB@62 MHz 1.7 dB@62 MHz PHA-13HLN+ 射频宽带放大器 24.3 dB@20 MHz 1.2 dB@20 MHz 本文LNA 射频宽带放大器 31.3 dB@20 MHz 0.63 dB@20 MHz
2.3 低场NMR实验 为验证自制低噪声放大器的性能，本文使用电磁体及课题组自研低场谱仪系统，在0.5 T、0.35 T和0.25 T三个场强下开展NMR测试.实验过程中保持其他部分不变，只调整电磁体的场强、探头的谐振频率并更换对应T/R开关.三个场强对应的Larmor频率分别为21.3 MHz、14.9 MHz、10.6 MHz，使用的探头Q 值（中心频率除以-3 dB带宽）分别为27、26、20；实验样品为1 mmol/L的MnCl2 （购自Sigma-Aldrich）水溶液，样品量为0.1 mL；在各磁场条件下分别对探头进行了90˚单脉冲标定，然后在90˚脉宽下分别累加10次测量.实验结果分别如图11 、图12 、图13 所示. ...
0.5 T小型关节MRI仪器中低噪声前置放大器的设计
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2016
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
... Comparison of amplifier performance
Table 3 放大器 类型 典型增益 典型噪声 ATF-33143 射频窄带放大器[8 ] 25 dB@128 MHz 0.42 dB@128 MHz ATF-54143 射频窄带放大器[17 ] 40 dB@20 MHz 0.6 dB@20 MHz MAR-6SM+ 射频宽带放大器[19 ] 20.11 dB@62 MHz 1.7 dB@62 MHz PHA-13HLN+ 射频宽带放大器 24.3 dB@20 MHz 1.2 dB@20 MHz 本文LNA 射频宽带放大器 31.3 dB@20 MHz 0.63 dB@20 MHz
2.3 低场NMR实验 为验证自制低噪声放大器的性能，本文使用电磁体及课题组自研低场谱仪系统，在0.5 T、0.35 T和0.25 T三个场强下开展NMR测试.实验过程中保持其他部分不变，只调整电磁体的场强、探头的谐振频率并更换对应T/R开关.三个场强对应的Larmor频率分别为21.3 MHz、14.9 MHz、10.6 MHz，使用的探头Q 值（中心频率除以-3 dB带宽）分别为27、26、20；实验样品为1 mmol/L的MnCl2 （购自Sigma-Aldrich）水溶液，样品量为0.1 mL；在各磁场条件下分别对探头进行了90˚单脉冲标定，然后在90˚脉宽下分别累加10次测量.实验结果分别如图11 、图12 、图13 所示. ...
Research and design of low-noise preamplifier for low-field magnetic resonance systems
2
2017
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
... 对于窄带低噪声放大器来说，一般采用最佳噪声匹配的方法，即从史密斯圆图上选取等噪声系数圆与等增益圆的合适交点（阻抗点），再将其与信号源的阻抗进行LC匹配，该方法较为成熟且匹配电路简单，但是从相对带宽[18 ] 来看，本设计属于宽带低噪声放大器，用该匹配方法较难实现带宽内的增益、噪声、输入阻抗的平衡.在宽带放大器设计中，常用的方法有平衡式结构放大器、负反馈式结构放大器、有源匹配结构放大器等几种[22 ] ，它们的效果对比如表1 所示. ...
低场磁共振系统的低噪声前置放大器研究设计
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2017
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
... 对于窄带低噪声放大器来说，一般采用最佳噪声匹配的方法，即从史密斯圆图上选取等噪声系数圆与等增益圆的合适交点（阻抗点），再将其与信号源的阻抗进行LC匹配，该方法较为成熟且匹配电路简单，但是从相对带宽[18 ] 来看，本设计属于宽带低噪声放大器，用该匹配方法较难实现带宽内的增益、噪声、输入阻抗的平衡.在宽带放大器设计中，常用的方法有平衡式结构放大器、负反馈式结构放大器、有源匹配结构放大器等几种[22 ] ，它们的效果对比如表1 所示. ...
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2021
... 根据工作频率的不同，放大器可简单划分为低频放大器、射频放大器、毫米波放大器.低频放大器通常应用于音频信号、传感器信号、生物电信号，频率范围为直流DC至几百kHz，该类放大器一般具有高输入阻抗以减轻对信号源的负载效应，同时可避免信号的衰减与失真，在电路设计时通常选用具有较小等效输入噪声电压的运算放大器或是分立的场效应管（FET）作为主要放大器件[10 12 ] .射频放大器则指的是工作在MHz到GHz的放大器，其主要用于无线通信、雷达接收机、射频识别等领域，这类放大器通常使用GaAs或SiGe工艺的分立元件构建[13 15 ] .在NMR中，1 H拉莫尔频率与磁场成正比，低场下的NMR信号频率处于偏低的射频频段.然而，常规的低频低噪声放大器工作于几百kHz，如Huang利用运算放大器OP27设计了用于4.5 mT磁场（190 kHz）下的前置放大电路[16 ] .射频放大器主要工作于高频，如在早期研究中受到广泛关注的Avago ATF系列放大器，Cao等人使用ATF-33143实现了一个增益为25 dB、噪声系数为0.43 dB的MRI低噪声放大器，其应用于3 T磁场下进行成像[8 ] ；Feng等人则对ATF-54143的低频性能进行了探究，并设计了一个用于0.5 T MRI的低噪声放大器（LNA），其工作于18~23 MHz，带内增益<40 dB、噪声系数<0.6 dB[17 ] ；Kang等人基于ATF-54143设计了用于0.5 T磁场下的宽带LNA，其工作频率范围在18~28 MHz之间，带内增益>27 dB、噪声系数<0.7 dB[18 ] .尽管宽带射频LNA覆盖了所需频段，但在低频段下的噪声系数并不理想，如Cui采用Mini-Circuits的MAR-6SM+设计了用于1.5 T MRI系统的前置放大器，其噪声系数达到了1.7 dB[19 ] . 因此，当前设计面临交叉频段选型困境，即低频LNA上限多止步于2 MHz，而射频LNA起调频率又普遍高于50 MHz，宽带LNA的低频段噪声性能也无法得到保证. ...
... Comparison of amplifier performance
Table 3 放大器 类型 典型增益 典型噪声 ATF-33143 射频窄带放大器[8 ] 25 dB@128 MHz 0.42 dB@128 MHz ATF-54143 射频窄带放大器[17 ] 40 dB@20 MHz 0.6 dB@20 MHz MAR-6SM+ 射频宽带放大器[19 ] 20.11 dB@62 MHz 1.7 dB@62 MHz PHA-13HLN+ 射频宽带放大器 24.3 dB@20 MHz 1.2 dB@20 MHz 本文LNA 射频宽带放大器 31.3 dB@20 MHz 0.63 dB@20 MHz
2.3 低场NMR实验 为验证自制低噪声放大器的性能，本文使用电磁体及课题组自研低场谱仪系统，在0.5 T、0.35 T和0.25 T三个场强下开展NMR测试.实验过程中保持其他部分不变，只调整电磁体的场强、探头的谐振频率并更换对应T/R开关.三个场强对应的Larmor频率分别为21.3 MHz、14.9 MHz、10.6 MHz，使用的探头Q 值（中心频率除以-3 dB带宽）分别为27、26、20；实验样品为1 mmol/L的MnCl2 （购自Sigma-Aldrich）水溶液，样品量为0.1 mL；在各磁场条件下分别对探头进行了90˚单脉冲标定，然后在90˚脉宽下分别累加10次测量.实验结果分别如图11 、图12 、图13 所示. ...
1
2011
... 噪声普遍存在于电子元器件、网络和系统中，会损害所需信号的质量.噪声主要有热噪声、闪烁噪声和散弹噪声等.热噪声又称白噪声或约翰逊噪声，是由处在一定温度下物质内部的各种微粒作无规律的热运动而产生的，常用统计数学的方法进行研究.其概率分布为正态分布，在整个无线电频段内有均匀的功率谱密度（PSD）.热噪声${{e}_{t}}$ [20 ] （单位：V2 /Hz）为： ...
1
2008
... BJT的放大电路${{e}_{n}}-{{i}_{n}}$ [21 ] 如图2 所示.图2(a) 为BJT共射极组态下的噪声模型，其中${{e}_{\text{S}}}$ ${{R}_{\text{S}}}$ ${{r}_{\text{b}}}$ ${{r}_{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}}$ ${{C}_{\text{ }\!\!\mu\!\!\text{ }}}$ ${{C}_{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}}$ ${{V}_{\text{be}}}$ $\overline{i_{\text{C}}^{2}}$ $\overline{i_{\text{B}}^{2}}$ $\overline{v_{\text{b}}^{2}}$ 图2(b) 则为等效输入噪声模型，${{e}_{n}}$ ${{i}_{n}}$ $\overline{e_{n}^{2}}$ $\overline{i_{n}^{2}}$ ${{e}_{\text{t}}}$ ${{R}_{\text{S}}}$ ${{I}_{\text{B}}}$ ${{I}_{\text{C}}}$
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2011
... 对于窄带低噪声放大器来说，一般采用最佳噪声匹配的方法，即从史密斯圆图上选取等噪声系数圆与等增益圆的合适交点（阻抗点），再将其与信号源的阻抗进行LC匹配，该方法较为成熟且匹配电路简单，但是从相对带宽[18 ] 来看，本设计属于宽带低噪声放大器，用该匹配方法较难实现带宽内的增益、噪声、输入阻抗的平衡.在宽带放大器设计中，常用的方法有平衡式结构放大器、负反馈式结构放大器、有源匹配结构放大器等几种[22 ] ，它们的效果对比如表1 所示. ...
... 放大器宽带化方法性能比较[22 ] ...
... Performance comparison of bandwidth expansion methods for amplifiers[22 ] ...
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2011
... 对于表1 所示方法，平衡式、有源匹配式可满足低噪声要求.平衡式一般使用变压器、巴伦将源信号与放大电路的输入端进行耦合，变压器可用于共模信号的阻抗匹配，巴伦则用于差分信号的阻抗匹配，但前者体积较大，后者增加了电路的复杂度，此外商用阻抗变换器件往往难以满足特定变换比的精准匹配需求，而手工绕组又难以精确控制关键性能参数，如插入损耗、幅度及相位一致性；对于有源匹配式来讲，实际上就是使用晶体管替代输入匹配网络，因为共基极/栅极放大电路输入阻抗低且可控，将其作为原放大电路的第一级可以实现整体电路的输入阻抗匹配，但此种方法会使得线性度下降.这两种方法虽能满足宽带、低噪声要求，但二者缺点也较为明显且都增加了电路的复杂度.若权衡其他因素，行波式、负反馈式也可作为合理选择.行波式放大器是理论带宽最宽的结构，但其需要N 个晶体管进行级联，且晶体管之间的栅极和漏极都用传输线进行连接[23 ] ；负反馈式通过反馈回路（少量电阻、电容构成）降低整体增益以扩展带宽，这补偿了放大电路增益随频率升高而下降的特性，其次并联负反馈还使得放大器的输入阻抗发生变化，能实现在一定带宽内的宽带匹配.但行波式一般用于超宽带场景，并不符合本设计的低场应用需求，而负反馈式的低频段增益更为平坦且易于针对当前需求频段进行优化.综上来看，负反馈式放大电路在噪声特性、工作带宽与电路复杂度之间实现了折中，故作为本设计的选择方案. ...
1
2006
... 对于并联负反馈结构电路，如果考虑基极偏置电阻R p 、反馈电阻R f ，则其等效电路[24 ] 如图4 所示（其中R fi 和R fo 分别为反馈网络在输入、输出端口的等效电阻）．由图可知，信号源与晶体管输入（基极）之间没有匹配网络，中间仅存在基极偏置电路、反馈网络，而信号源阻抗Z S = 50 Ω，且与基极偏置、反馈回路属于并联关系，同时R p 、R fi 远大于Z S ，即基极所得到的源阻抗$R_{\mathrm{S}}^{\prime}=Z_{\mathrm{S}} / / R_{\mathrm{p}} / / R_{\mathrm{fi}} \approx 50 \Omega$（// 表示并联），因此，需在选型过程中应挑选出在50 Ω源阻抗下可实现低噪声特性的芯片．本文选择了2SC5226A，其噪声度曲线虽未明确源阻抗条件，但可预测同样存在一个合适的I C 使其在Z S = 50 Ω时达到最小噪声系数． ...
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2019
... 在低噪声放大器的粗调阶段，通过调节反馈网络参数实现噪声性能与输入阻抗匹配的平衡，再对图6 中的基极偏置电阻R 18 、R 20 、R 10 、R 12 以及电路的集电极电流I C 进行微调，以实现对噪声系数的优化.调试完成后采用Y因子法对LNA的噪声系数进行测量，测试设备为安捷伦的E4445A频谱分析仪和噪声源346C，测量结果如图9(a) 所示；另外通过短接输入的方式分别测量系统底噪e vn_FS 和放大器总输出噪声的电压谱密度e vn_out ，并依据${\left( \sqrt{e{{_{\text{vn }\!\!\_\!\!\text{ out}}^{{}}}^{2}}-e{{_{\text{vn }\!\!\_\!\!\text{ FS}}^{{}}}^{2}}} \right)}/{{{G}_{\text{V}}}}\;$ [25 ] 放大器的等效输入噪声电压谱密度，处理结果如 图9(b) 所示.部分频点的噪声参数如表2 所示. ...
1
2020
... 为衡量研制的LNA在低场下的适用性，本文对比分析了三个磁场条件下的NMR信噪比，采用归一化信号强度与噪声统计特性的比值计算SNR.实际计算时将时域FID信号的峰值强度标准化为1，再与信号完全衰减后尾部区域噪声的标准差设为σ ，得到SNR计算公式[26 ] ： ...
