一种混合信号传输的低场核磁共振读出电路
发布时间：2021-09-14
摘要：提出了一种应用于低场核磁共振的采用混合信号传输的读出电路。该读出电路系统主要由前端放大器、接收机与后端模数转换器组成。提出的混合信号传输技术的本质在于利用相位域与电压域的混合模式检测，以及放大器与模数转换器之间的增益分配来增强线性度。采用0.18μmCMOS工艺设计，仿真结果表明，在1.2V的电源电压下，整体电路的功耗为0.5mW，前端放大器的输入1dB压缩点与IIP3分别为-9.31dBm和-5.98dBm，接收机的等效输入噪声仅为2nV·Hz-1/2。
关键词：读出电路;低场核磁共振;混合信号传输;模拟集成电路
0引言
特殊的原子核磁体可以在静态主磁场及一定频率条件射频磁场的作用下，发生自旋能级的塞曼分裂并吸收射频磁场能量，引起共振，这种现象被称为核磁共振(NMR)。这种共振行为受到原子核本身物理性质的影响，因此NMR可以无损检测不同材料的原子特性，最终体现在共振回波信号的驰豫时间上[1-2]。NMR系统一般包含以下几个部分：产生静态主磁场的磁体，产生射频磁场并接受共振回波信号的收发器，以及采样线圈[3-5]。由于在高场强下收发器电路可以接收到更强的共振回波信号，对其性能要求降低，因此主流的NMR检测仪都是基于高场强的超导磁体，一般为7～23.5T范围内[10]。随着深亚微米CMOS工艺的发展，研究应该以改善电路性能参数为目标，放宽对磁场场强的要求，使NMR系统可以在低场强下工作，从而实现便携化与高度集成化。目前已报道的低场NMR分析仪将主要目标放在功能完整性与电路简易性上，均采用集成好的芯片进行系统的搭建，且一般不含模数转换器部分[6-8]。核磁共振信号读出电路的发展潜力大，研究价值高。本文提出的读出电路首次将低场小型化与高度集成化的目标在同一系统中实现。
传统的生物信号读出电路都是基于电压域进行信号处理的架构。本文基于一种电压域与相位域混合模式的信号检测技术，对低场下的NMR信号进行处理，并且实现了数字信号输出，以便后续在计算机上进行信号分析与检测。
1NMR读出电路的系统结构设计
如图1所示，该读出电路系统由前端放大器模块、接收机模块以及后端模数转换器模块组成。
原始的NMR回波信号与片外采样线圈谐振一起送入前端放大器模块。该模块主要由两个常规放大器(Amp1、Amp2)与两个无源高通滤波电路(HF1、HF2)构成。系统的这一部分应尽可能准确不失真地放大微弱的NMR信号，所以需首要考虑线性度要求。放大后的信号通过下变频混频器和中频有源滤波器组成的接收机模块，以滤除射频载波信号，从而使输出的解调信号只带有NMR的驰豫时间信息，驰豫时间一般为100ms，对于本系统而言可近似为直流信号。特别地，系统并没有将前端放大器与接收机作为一个模块进行分析，而是注重于前端放大器模块单一结构上的低噪声与部分增益性能，使其与后端ADC模块的相位检测模式形成匹配，从而适应更小的输入动态范围。
本文还利用电压域转相位域检测的模数转换器来处理驰豫信号。该ADC是由基于VCO的量化器组成，通过主环路VCO1与相位参考VCO2组成的电压-相位转换电路，实现量化功能。
使用混合信号传输的原因在于增益分配。放大器可以采用部分增益电压模式，而后端的ADC部分使用相位检测模式和差分输出模式进行PWM脉冲计数，以增加输出信号的动态范围。最后通过开关型振荡器输出Delta-Sigma数字信号到计算机，进行数字信号处理[9]。
2读出电路关键模块设计
2.1前端放大器模块设计
前端放大器Amp1与Amp2均是带共模负反馈的常规放大器，如图2所示。Amp1中的Ibias1=250μA，Ibias2=25μA，Amp2中的Ibias1=150μA，Ibias2=15μA。这样设置是为了在不牺牲过多放大器性能的情况下降低热噪声，输入差分对管采用p型晶体管也是为了降低闪烁噪声。为了更好地与无源高通滤波器HF1、HF2匹配，Amp1与Amp2的输入差分对管的宽长比应当满足8(W/L)Amp1=3(W/L)Amp2的条件。
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无源高通RC滤波电路如图3所示。R1=R2=R3=R4=100kΩ，C1=C2=1pF，前端放大器中的共模电阻也为100kΩ，与其形成匹配。高频的共振信号可以无损地通过该滤波网络，并保证整个前端放大器模块的增益。放大器与ADC之间的增益平衡应谨慎设计。电路需保证在低电源电压下工作，若前端放大器的电压模式增益过高，输出级晶体管则将进入线性区并导致放大器故障。仿真结果表明，将前端放大器模块增益调整为30dB较为合适。
2.2电流模混频器
本文提出了一种电流模混频器，如图4所示。类似于有源吉尔伯特单元的Gm单元作为主要部分。M1、M2和M4、M5构成两对差分Gm级，由数字调制电路的解调本振信号LO切换。M3、M6作为电流-电流反馈单元，可适应较小的输入输出范围。Gm单元堆叠在数字调制电路的顶部，以进行电流复用，从而降低了混频器的电压要求与LO的幅度要求。四通道数字调制器中没有直流电流，意味着不会有闪烁噪声的影响，这也是优化噪声的关键。
2.3基于电压-相位的模数转换器电路设计
基于VCO的积分器量化电路如图5所示。该积分器由输入级放大器、7级环形振荡器组成的主环路VCO、相位参考VCO和鉴相器PD组成。
3电路仿真结果
本文设计的NMR读出电路基于0.18μmCMOS工艺，电源电压为1.2V。输入24.001MHz的解调信号。前端放大电路的线性度仿真结果如图6所示。前端放大器的输入1dB压缩点、IIP3分别为-9.31dBm和-5.98dBm，电路表现出良好的线性度。
前端放大器与接收机输入参考噪声仿真结果如图7所示。在24MHz工作频点附近，接收机的输入参考噪声为2nV·Hz-1/2，噪声系数为4dB，而前端放大器模块的输入参考噪声仅为1.4nV·Hz-1/2。
ADC积分非线性仿真结果如图8所示。对于模数转换部分，其积分非线性在输入偏移电压为15mV时达到最大，为0.01LSB。本文与其他参考文献中电路的参数对比如表1所示。结果表明，其他文献均未集成内部ADC，而采用外接电路模块。本文电路的功耗为0.5mW，较其他文献有很大程度的降低。
4结论
本文提出了一种应用于低场核磁共振的读出电路，采用电压域与相位域混合模式的信号传输。采用0.18μmCMOS工艺设计，仿真结果表明，前端放大器与接收机具有优良的线性度与低噪声性能。模数转换器模块的积分非线性在低偏移电压下最大为1%LSB。该读出电路可直接进行数字信号输出。——论文作者：李凡阳，郑鹏青
