T/R开关是磁共振系统中的关键部件，主要功能是对射频发射通道和信号接收通道进行切换.目前，在T/R开关以及主动调谐线圈的设计中广泛使用PIN管.对于射频信号，PIN管相当于直流电源控制的可变电阻：当施加正偏电流时，对射频信号呈现低阻抗，且在一定范围内电流越大阻抗越小；当加反偏电压时则呈高阻抗状态^[1].因此，用驱动器给PIN管提供正电源或负电源，使其导通或截止，可以达到开关射频信号的目的.另外，PIN管还具有线性度较好、插入损耗较小、隔离度较高及切换速度快等特点，非常适于制作磁共振系统的射频开关单元^[2]，也可用于主动失谐线圈和双调谐线圈的设计^[3].由于PIN管受到外部驱动器的控制，驱动器的性能将直接影响T/R开关的切换速度和对射频功率的控制能力.

随着磁共振系统的不断发展，对T/R开关的功率和速度的要求越来越高.为此需要开发性能更高的驱动器，既能为T/R开关提供较大的电流和电压，又能实现快速切换.然而目前存在的驱动大多数速度较慢或者速度快但支持的功率较小，不能满足要求.管清雄等人^[4]提出了一种高压大电流T/R开关驱动器方案，其驱动电压在300 V以内，驱动电流可达0.8 A，开关切换时间为2.6 μs，但该方案控制信号与驱动电源没有完全分离，只能以电压源作为驱动源，限制了驱动能力.本文提出了一种驱动器设计方案，将驱动电源与控制信号完全隔离，驱动电源可灵活选择电压源或电流源，正负电源交替输出，理论上支持的驱动电压可高达400 V以上，驱动电流可达10 A以上.并且响应速度快，开关切换时间500 ns左右；具有高速、高压和大电流等特点.

本文介绍的T/R开关驱动器的主要功能是根据输入的门控信号，控制两个功率MOSFET管的通断，使输出在相应的电源之间切换，从而为T/R开关或线圈中的PIN管提供正向恒流或反向恒压.如图 1所示，电路主要分成三部分：控制级、驱动级和开关级.

图 1 PIN管驱动电路原理框图 Fig. 1 A block diagram of the driver circuit

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控制级包括波形调整和延时电路.主要作用是将输入的门控信号分成两路反相信号控制后面开关级的两个MOSFET管，使其交替导通.为避免MOSFET管出现同时导通的情况，需要使一个MOSFET管完全截止后另一个MOSFET管再导通.这要求两路控制信号在发生状态切换时存在一定延时.该电路选用UC3715(Texas Instruments)芯片实现波形调整与延时功能.UC3715是一种带有可编程延时功能的高速场效应管驱动芯片，允许TTL电平输入，PWR和AUX分别是同相和反相输出端，它们的输出波形与输入波形的对照如图 2，其中t1 DELAY和t2 DELAY是对应输出波形PWR和AUX的上升沿与下降沿之间的延时，取值范围是50~500 ns.调节t1和t2引脚的电位器可分别设定t1 DELAY和t2 DELAY的值.

图 2 UC3715的输入、输出波形 Fig. 2 The output waveform of UC3715

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驱动级主要由光电耦合元件和MOSFET管驱动电路组成，主要作用是驱动后级的MOSFET管.光电耦合器的使用，保证了前后电路在电气上的隔离，同时驱动级上、下部分也使用了独立的电源供电，避免了与其他部分的电气干扰.本文还选择了高速光电耦合器6N137(Fairchild)和MOSFET管驱动器TC4428(Microchip).6N137是一种高速单通道逻辑门光耦合器，传输速度可达10 MBit/s，输出与输入反相.TC4428是一种高速功率MOSFET管驱动器，其输出与输入反相，输出尖峰电流可达1.5 A，具有较高的容性负载驱动能力，能在30 ns内对1 000 pF的电容完成充电或放电.控制级输出驱动信号波形与驱动级输出波形(如图 2)保持一致，其中PWR OUTPUT和AUX OUTPUT分别驱动两个MOSFET管(Q1和Q2)的栅极.因为当栅极为高电平时MOSFET管导通，低电平时MOSFET管截止.所以根据图 2的波形我们不难发现，当输入信号(BLANKING)跳变为高电平时Q2管将立即关闭，经过t1 DELAY后Q1管打开；当输入信号跳变为低电平时Q1管将立即关闭，经过t2 DELAY后Q2管打开，这样可避免两个MOSFET管同时导通.

开关级主要由直流电源、功率MOSFET管和外围电路组成.直流电源包括正的恒流源和负的恒压源.开关级的作用是通过控制两个N型MOSFET管的通断使输出在恒流源和恒压源之间进行切换，从而输出正向电流或反向电压控制PIN管的导通或截止.MOSFET管是开关级的核心，它们的选择直接影响驱动器的速度以及驱动器所支持的输出电压、电流和功率大小，因此要根据要求选择合适的MOSFET管.

MOSFET管的栅极、源极和漏极之间存在着寄生电容C_GD、C_GS和C_DS，这些寄生电容会限制MOSFET管的开关速度，因此我们要尽量选择极间寄生电容小的MOSFET管^[5].但是，通常MOSFET管的技术手册上列出的不是这些极间电容而是输入电容C_ISS、反馈电容C_RSS和输出电容C_OSS的电容值，它们与极间寄生电容的关系满足：

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此外，选择MOSFET管时还要考虑漏极和源极间的导通电阻Rds(on)，因为MOSFET管导通时消耗的功率PD与Rds(on)呈正比，因此要尽量选择Rds(on)小的MOSFET管.

除了寄生电容，MOSFET管的漏极和源极还存在寄生电感，这些寄生的电容、电感和电阻将构成一个RLC震荡电路.另外，MOSFET管内还存在一个体二极管，在MOSFET管关闭的时候体二极管会产生反向恢复电流^[6].反向恢复电流和RLC电路都会导致在MOSFET管迅速关闭时出现振铃现象.振铃会对MOSFET管和负载造成严重危害，为抑制振铃，可在MOSFET管两端并联一个RC缓冲器^[7]即图 1中的R1和C1以及R2和C2，除此外我们还用一个二极管(图 1中的D1和D2)与MOSFET管串联，使MOSFET管的体二极管不能正向导通，也就不会出现反向恢复的问题了.

下面介绍RC缓冲器内电阻R_snub和电容C_snub值的近似计算方法.首先通过观察振铃波形得到振铃的频率f_ring，然后由LC电路的谐振条件得到：

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其中，C_OSS为MOSFET管输出电容，L_par是寄生电感.令R_snub的值等于LC电路的特性阻抗，则有：

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最后，让时间常数R_snub·C_snub等于振铃周期的倍数，通常取3倍，于是得到C_snub，

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此外还要确保R_snub·C_snub小于MOSFET管的开关周期T_SW.R_snub上消耗的功率由(8)式得到：

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其中V是C_snub充电后两端的电压.

设计完成的T/R开关驱动器如图 3所示.对该驱动电路我们进行了以下测试.首先以10 W的大功率电阻为负载，驱动电源选择10 V和-10 V的两个恒压源，正向驱动电流设为1 A.输入控制信号的频率设为10 kHz，占空比为50%.负载电阻两端作为测试点.测试结果如图 4(a)和(b)所示，通道1(CH1)为输入的门控信号，通道2(CH2)为驱动器的输出波形.可见包括延时在内，输出波形的上升和下降时间均小于500 ns，其中延时为150 ns左右，波形比较平滑，振铃得到了较好地抑制.

图 3 T/R开关驱动器PCB版图 Fig. 3 PCB of the T/R switch driver

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图 4 驱动器测试结果 Fig. 4 Test results of the driver

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在第二项测试中我们以一个MA4P7000系列功率PIN管(M/A-COM Technology)串联7 W大功率电阻作为负载，驱动源选择0.5 A恒流源和-15 V恒压源.结果如图 4(c)和(d)所示，不包括延时，上升时间为660 ns，下降时间为400 ns.

此外，为了测试本文设计驱动器对大功率PIN管的开关性能，将设计的驱动器和实验室现有的T/R开关进行了集成测试，将峰值功率约750 W的射频信号通入T/R开关，输出经过30 dB的衰减器后连接到示波器进行测试.如图 5所示，通道1(CH1)为提供给驱动器的BLANKING门控信号，通道2(CH2)为示波器测得的射频脉冲信号.测试结果表明，该驱动器能够驱动大功率T/R开关实现射频信号的开关控制.

图 5 驱动器与T/R开关功率测试结果 Fig. 5 Power test of a T/R switch controlled by the driver

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本设计由于将控制信号与驱动电源隔离，驱动器速度与驱动电源的类型或大小无关，因此在保证MOSFET管极间电容尽量小的同时，如果MOSFET管Q1选择耐流大的型号(如AUIRFR024N，最大漏极电流17 A)，Q2选择耐压大的型号(如IRFR825，最大漏源电压500 V)，并且安装散热器，那么在维持高速的同时，电路所支持的驱动电流和电压将大大提高.理论上可以实现驱动速度为500 ns、正向输出电流为10 A、反向输出电压为400 V的技术指标.通过测试，该驱动器能够快速驱动T/R开关和使线圈失谐，但由于实验室现有T/R开关的性能有待进一步提高，并且接收磁共振信号的低噪声放大器的启动响应时间较长，目前还没有获得短弛豫样品的理想核磁共振信号，完整的实验结果将另文进行详细讨论.

本文提出了一种速度快、驱动能力强的T/R开关驱动器设计方案.采用控制信号与驱动电源隔离的方法，提高了电路的灵活性和抗干扰能力.驱动器的开关切换时间在500 ns左右，支持的输出电压可大于400 V，输出电流大于10 A.如果选择速度更快的芯片以及开关延时更短的MOSFET管，优化电路中元器件的参数，驱动速度将进一步提高.该驱动器可用于快速T/R开关和主动失谐线圈的驱动，在短T₂弛豫样品的核磁共振信号检测及快速磁共振成像中有一定的应用前景.