電阻抗成像系統中電壓控制電流源的設計

AD844的Pin5端的輸出電流為：
IL=(V+-V-)／RIN (2)
當1MHz頻率下，AD844的輸出阻抗達239kΩ。
但是應用于醫學(xué)EIT系統時(shí)AD844存在幅值不穩定的問(wèn)題。這個(gè)誤差由于第一級的輸入電阻RIN非零引起(RIN的典型值50Ω，最大值65Ω)。根據公式(1)，RIN決定此電路的跨導。RIN的不確定影響電路的跨導進(jìn)而影響輸出電流的幅值。一個(gè)減少此問(wèn)題影響的做法是串聯(lián)電阻R于反向輸入端。這樣R與RIN串聯(lián)，共同決定了電流源的跨導。同時(shí)也可通過(guò)增加V+和R，可以減少RIN的影響。但是考慮到醫用電壓控制電流源需要輸出mA級的電流，且AD844的最大差分輸入電壓為6 V。因此，R不能任意增加。

3 改進(jìn)的Howland電路
改進(jìn)的Howland電路使用一個(gè)帶正負反饋的運算放大器構成電壓控制電流源，如圖4所示。

根據理想運算放大器“虛短”和“虛斷”的原理，可以得到：

此電路的輸出阻抗可得：

輸出阻抗Rout可近似為無(wú)窮大。
由(2)式可看出，此電路的跨導僅有R1，R2，R4b共同決定。通過(guò)計算可得知，當使用0．1％誤差的電阻時(shí)，跨導的波動(dòng)值即輸出電流幅值的誤差僅為0．5％。
公式(2)(3)表明此電路的主要誤差來(lái)源來(lái)自于電阻匹配。因此實(shí)驗中，采用高精度，低溫飄的電阻來(lái)保證高的輸出阻抗?？紤]到R3并不影響電路的跨導，而影響電路的輸出阻抗。通過(guò)替代R3為一個(gè)可調電阻，可以達到調節電阻匹配以增加輸出阻抗，同時(shí)不影響跨導即負載上的電流幅值。
試驗中，本文采用AD8610作為改進(jìn)的Howland電路中的運放。AD8610擁有25 MHz的帶寬，60 V／μs的轉換速率。同時(shí)AD8610有用十分低的輸入失調電流(僅為10 pA)可以在電流電平較低時(shí)同樣提供較高的電流精度。