摘要：在醫用電阻抗層析成像(Electrical Impedance Tomography)系統中電壓控制電流源的性能十分重要，大部分報導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、跨導運算放大器、AD844，設計了一種基於AD8610的電壓控制電流源。並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；通用阻抗轉換器
電阻抗層析成像(Electrical Impeclance Tomography，EIT)技術是根據人體內不同組織具有不同電導率的物理特徵，通過在人體表面施加小幅值的安全電流，測量相應的體表電位，來重建人體內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功能性變化的基於電學敏感原理的醫學影像技術。
為克服皮膚接觸阻抗的影響，生物電阻抗測量系統中普遍採用電流源作為激勵。高品質的電壓控制電流源是EIT系統中的重要環節。採用雙運放和電流鏡方案構成電壓控制電流源是比較常見的做法，但對於醫學EIT系統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，這將導致生物體中產生極化現象，影響測量精度。而在其電流輸出端串聯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體來構建電流鏡。而對於不對稱的三極體，其閾值偏差可達100 mV。
筆者針對醫用EIT系統對電壓控制電流源的需求，採用AD8610的設計了改進的基於改進的Howland電路的電壓控制電流源。實驗結果及仿真結果表明，該電壓控制電流源實現了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數據採集系統的設計要求。
1 跨導運算放大器
跨導運算放大器(OTA)是一種內部集成了電流鏡電路、外部提供相關引腳的晶片。OTA為軌對軌輸出，直流分量為0的交流電壓輸入產生一個同樣直流分量為0的交流電流。一般來說，OTA晶片類似於三極體電路，但是相比於三極體電路，OTA有很多優勢。OTA比三極體電路線性度要好，同時採用OTA晶片能簡化電路設計，減少電路元件。其中一款性能出色的OTA晶片是TI提供的OPA861。
OPA861提供80 MHz的帶寬，900 V／μs的轉換速率，可輸出達±15 mA的電流。圖1給出了OPA861的等效結構以及它的跨導。
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大幅度減弱。同時OPA861有幾乎恆定的跨導，較大的輸出電流。但是，考慮到應用於醫用EIT系統，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用於醫用EIT系統。
2 AD844
AD844基於第二代電流傳輸器CC2原理，CC2是一種電流型三埠有源集成器件，如圖2所示。
CC2採用了單位增益緩衝器、電流鏡及電流模等新技術和互補雙極工藝，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埠之間(X端和Z端)進行電流傳輸的能力。
AD844可以等效於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。由於AD844基於CC2電流傳輸器技術，克服了電流鏡不對稱的問題。