電阻抗成像系統(tǒng)中電壓控制電流源的設(shè)計

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，大部分報道的電壓控電流源電路在低頻時有較高的輸出阻抗但是在高頻時性能大幅減弱。通過分析生物阻抗測量系統(tǒng)對電壓控制電流源的需求，同時回顧一些已有的電壓控制電流源電路，包括雙運放負反饋電路、跨導(dǎo)運算放大器、AD844，設(shè)計了一種基于AD8610的電壓控制電流源。并通過電路實驗驗證了此電壓控制電流源的性能，同時提出了改進方案。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，通過在人體表面施加小幅值的安全電流，測量相應(yīng)的體表電位，來重建人體內(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，生物電阻抗測量系統(tǒng)中普遍采用電流源作為激勵。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，但對于醫(yī)學(xué)EIT系統(tǒng)會存在以下幾個問題：
1)雙運放電壓控制電流源不能消除直流信號，這將導(dǎo)致生物體中產(chǎn)生極化現(xiàn)象，影響測量精度。而在其電流輸出端串聯(lián)一個隔直電容又將引起飽和問題。
2)電流鏡方案具有高輸出阻抗、較大的帶寬。唯一的問題是很難找到是十分匹配的三極管來構(gòu)建電流鏡。而對于不對稱的三極管，其閾值偏差可達100 mV。
筆者針對醫(yī)用EIT系統(tǒng)對電壓控制電流源的需求，采用AD8610的設(shè)計了改進的基于改進的Howland電路的電壓控制電流源。實驗結(jié)果及仿真結(jié)果表明，該電壓控制電流源實現(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)計要求。

1 跨導(dǎo)運算放大器
跨導(dǎo)運算放大器(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為軌對軌輸出，直流分量為0的交流電壓輸入產(chǎn)生一個同樣直流分量為0的交流電流。一般來說，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。OTA比三極管電路線性度要好，同時采用OTA芯片能簡化電路設(shè)計，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±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，較低的容性負載使得OPA861在高頻時的性能不會出現(xiàn)大幅度減弱。同時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)，電壓控制電流源實際需要1 MHz時依然有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電流傳輸器的一個重要特性是具有在阻抗相差懸殊的兩個端口之間(X端和Z端)進行電流傳輸?shù)哪芰Α?br /> AD844可以等效于一個第二代電流傳輸器連接了一個跟隨器，有較高的輸出阻抗。由于AD844基于CC2電流傳輸器技術(shù)，克服了電流鏡不對稱的問題。