電阻抗成像系統(tǒng)中電壓控制電流源的設(shè)計(jì)

摘要：在醫(yī)用電阻抗層析成像(Electrical Impedance Tomography)系統(tǒng)中電壓控制電流源的性能十分重要，大部分報(bào)道的電壓控電流源電路在低頻時(shí)有較高的輸出阻抗但是在高頻時(shí)性能大幅減弱。通過(guò)分析生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電壓控制電流源的需求，同時(shí)回顧一些已有的電壓控制電流源電路，包括雙運(yùn)放負(fù)反饋電路、跨導(dǎo)運(yùn)算放大器、AD844，設(shè)計(jì)了一種基于AD8610的電壓控制電流源。并通過(guò)電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此電壓控制電流源的性能，同時(shí)提出了改進(jìn)方案。該電壓電流源不僅頻率和幅值可控、精度高，而且有較高的輸出阻抗。
關(guān)鍵詞：電阻抗層析成像；電壓控制電流源；輸出阻抗；分布電容；通用阻抗轉(zhuǎn)換器

電阻抗層析成像(Electrical Impeclance Tomography，EIT)技術(shù)是根據(jù)人體內(nèi)不同組織具有不同電導(dǎo)率的物理特征，通過(guò)在人體表面施加小幅值的安全電流，測(cè)量相應(yīng)的體表電位，來(lái)重建人體內(nèi)部的電阻率分布或其變化的圖像，它是一種能夠反映生物體內(nèi)功能性變化的基于電學(xué)敏感原理的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。
為克服皮膚接觸阻抗的影響，生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中普遍采用電流源作為激勵(lì)。高品質(zhì)的電壓控制電流源是EIT系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。采用雙運(yùn)放和電流鏡方案構(gòu)成電壓控制電流源是比較常見的做法，但對(duì)于醫(yī)學(xué)EIT系統(tǒng)會(huì)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：
1)雙運(yùn)放電壓控制電流源不能消除直流信號(hào)，這將導(dǎo)致生物體中產(chǎn)生極化現(xiàn)象，影響測(cè)量精度。而在其電流輸出端串聯(lián)一個(gè)隔直電容又將引起飽和問(wèn)題。
2)電流鏡方案具有高輸出阻抗、較大的帶寬。唯一的問(wèn)題是很難找到是十分匹配的三極管來(lái)構(gòu)建電流鏡。而對(duì)于不對(duì)稱的三極管，其閾值偏差可達(dá)100 mV。
筆者針對(duì)醫(yī)用EIT系統(tǒng)對(duì)電壓控制電流源的需求，采用AD8610的設(shè)計(jì)了改進(jìn)的基于改進(jìn)的Howland電路的電壓控制電流源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及仿真結(jié)果表明，該電壓控制電流源實(shí)現(xiàn)了0．1％的幅值精度、1 MHz頻率下仍然有1 MΩ以上的輸出阻抗，能夠滿足EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

1 跨導(dǎo)運(yùn)算放大器
跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA)是一種內(nèi)部集成了電流鏡電路、外部提供相關(guān)引腳的芯片。OTA為軌對(duì)軌輸出，直流分量為0的交流電壓輸入產(chǎn)生一個(gè)同樣直流分量為0的交流電流。一般來(lái)說(shuō)，OTA芯片類似于三極管電路，但是相比于三極管電路，OTA有很多優(yōu)勢(shì)。OTA比三極管電路線性度要好，同時(shí)采用OTA芯片能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，減少電路元件。其中一款性能出色的OTA芯片是TI提供的OPA861。
OPA861提供80 MHz的帶寬，900 V／μs的轉(zhuǎn)換速率，可輸出達(dá)±15 mA的電流。圖1給出了OPA861的等效結(jié)構(gòu)以及它的跨導(dǎo)。

OPA861的輸出阻抗為54 kΩ‖2 pF，較低的容性負(fù)載使得OPA861在高頻時(shí)的性能不會(huì)出現(xiàn)大幅度減弱。同時(shí)OPA861有幾乎恒定的跨導(dǎo)，較大的輸出電流。但是，考慮到應(yīng)用于醫(yī)用EIT系統(tǒng)，電壓控制電流源實(shí)際需要1 MHz時(shí)依然有100 kΩ以上的輸出阻抗，OPA861的輸出阻抗不足以應(yīng)用于醫(yī)用EIT系統(tǒng)。

2 AD844
AD844基于第二代電流傳輸器CC2原理，CC2是一種電流型三端口有源集成器件，如圖2所示。

CC2采用了單位增益緩沖器、電流鏡及電流模等新技術(shù)和互補(bǔ)雙極工藝，具有寬通帶、高速度和高精度的電流傳輸特性。理想情況下CC2的輸入-輸出特性可以用混合矩陣方程表示：

由以上矩陣方程可見，CC2電流傳輸器的一個(gè)重要特性是具有在阻抗相差懸殊的兩個(gè)端口之間(X端和Z端)進(jìn)行電流傳輸?shù)哪芰Α?br /> AD844可以等效于一個(gè)第二代電流傳輸器連接了一個(gè)跟隨器，有較高的輸出阻抗。由于AD844基于CC2電流傳輸器技術(shù)，克服了電流鏡不對(duì)稱的問(wèn)題。