电阻抗成像系统中电压控制电流源的设计

摘要：在医用电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography)系统中电压控制电流源的性能十分重要，大部分报道的电压控电流源电路在低频时有较高的输出阻抗但是在高频时性能大幅减弱。通过分析生物阻抗测量系统对电压控制电流源的需求，同时回顾一些已有的电压控制电流源电路，包括双运放负反馈电路、跨导运算放大器、AD844，设计了一种基于AD8610的电压控制电流源。并通过电路实验验证了此电压控制电流源的性能，同时提出了改进方案。该电压电流源不仅频率和幅值可控、精度高，而且有较高的输出阻抗。
关键词：电阻抗层析成像；电压控制电流源；输出阻抗；分布电容；通用阻抗转换器

电阻抗层析成像(Electrical Impeclance Tomography，EIT)技术是根据人体内不同组织具有不同电导率的物理特征，通过在人体表面施加小幅值的安全电流，测量相应的体表电位，来重建人体内部的电阻率分布或其变化的图像，它是一种能够反映生物体内功能性变化的基于电学敏感原理的医学影像技术。
为克服皮肤接触阻抗的影响，生物电阻抗测量系统中普遍采用电流源作为激励。高品质的电压控制电流源是EIT系统中的重要环节。采用双运放和电流镜方案构成电压控制电流源是比较常见的做法，但对于医学EIT系统会存在以下几个问题：
1)双运放电压控制电流源不能消除直流信号，这将导致生物体中产生极化现象，影响测量精度。而在其电流输出端串联一个隔直电容又将引起饱和问题。
2)电流镜方案具有高输出阻抗、较大的带宽。唯一的问题是很难找到是十分匹配的三极管来构建电流镜。而对于不对称的三极管，其阈值偏差可达100 mV。
笔者针对医用EIT系统对电压控制电流源的需求，采用AD8610的设计了改进的基于改进的Howland电路的电压控制电流源。实验结果及仿真结果表明，该电压控制电流源实现了0．1％的幅值精度、1 MHz频率下仍然有1 MΩ以上的输出阻抗，能够满足EIT数据采集系统的设计要求。

1 跨导运算放大器
跨导运算放大器(OTA)是一种内部集成了电流镜电路、外部提供相关引脚的芯片。OTA为轨对轨输出，直流分量为0的交流电压输入产生一个同样直流分量为0的交流电流。一般来说，OTA芯片类似于三极管电路，但是相比于三极管电路，OTA有很多优势。OTA比三极管电路线性度要好，同时采用OTA芯片能简化电路设计，减少电路元件。其中一款性能出色的OTA芯片是TI提供的OPA861。
OPA861提供80 MHz的带宽，900 V／μs的转换速率，可输出达±15 mA的电流。图1给出了OPA861的等效结构以及它的跨导。

OPA861的输出阻抗为54 kΩ‖2 pF，较低的容性负载使得OPA861在高频时的性能不会出现大幅度减弱。同时OPA861有几乎恒定的跨导，较大的输出电流。但是，考虑到应用于医用EIT系统，电压控制电流源实际需要1 MHz时依然有100 kΩ以上的输出阻抗，OPA861的输出阻抗不足以应用于医用EIT系统。

2 AD844
AD844基于第二代电流传输器CC2原理，CC2是一种电流型三端口有源集成器件，如图2所示。

CC2采用了单位增益缓冲器、电流镜及电流模等新技术和互补双极工艺，具有宽通带、高速度和高精度的电流传输特性。理想情况下CC2的输入-输出特性可以用混合矩阵方程表示：

由以上矩阵方程可见，CC2电流传输器的一个重要特性是具有在阻抗相差悬殊的两个端口之间(X端和Z端)进行电流传输的能力。
AD844可以等效于一个第二代电流传输器连接了一个跟随器，有较高的输出阻抗。由于AD844基于CC2电流传输器技术，克服了电流镜不对称的问题。