近年来，随着磁共振硬件技术的不断成熟，低场永磁磁共振系统凭借低成本、便携等优势，在食品检测^[1]、材料分析^[2]、油气勘探^[3,4]等领域得到了广泛应用.在这些应用场景中，系统往往需要通过波谱分析来识别复杂的化学组分，或利用弛豫分析来探测物质的微观结构.无论是解析精细的分裂结构以获取化学位移信息^[5,6]，还是捕捉弛豫信号的变化来评估组分含量^[7]，都对主磁场的均匀性提出了极高的要求.磁场的不均匀性会直接导致信号随表观横向弛豫时间T₂^* 过快衰减，从而导致信号的谱线增宽，进而引起谱峰重叠或定量分析偏差.可以说，磁场均匀性是制约永磁系统实现高分辨应用的主要技术瓶颈之一^[8].

通常情况下，提升磁场均匀性主要有被动匀场（Passive Shimming）和主动匀场（Active Shimming）两种方法.被动匀场作为基础手段，通过在永磁磁体腔体内部放置硅钢片等高磁导率材料来改变磁通路径，能够在较大尺度范围内补偿磁体的固有加工误差^[9,10]；而主动匀场则是在磁体上叠加匀场线圈，通过电流驱动来产生补偿磁场，从而进一步提升磁场的均匀度^[11].匀场电流放大器作为驱动匀场线圈的重要部件，其输出电流的纹波和长期稳定性是影响匀场效果的重要因素.电流纹波作为一种叠加在直流分量上的交流噪声，会通过匀场线圈转化为磁场扰动，破坏主磁场的均匀性^[12]；匀场电流保持较好的长期稳定性，能使补偿磁场在长时间内不发生显著漂移，这对于需要长时间信号累加的高分辨实验十分重要.因此，研制具备低纹波、高长期稳定性的精密匀场电流放大器，是实现长效、高分辨磁共振探测的关键.

目前有多种电流驱动源的设计方案.Chen等^[13]利用简洁的Howland结构进行高精度的电压—电流转换，为精密电流源的线性控制提供了经典参考模型.但此类方案多侧重于单极性输出，对于磁场的双向补偿应用仍需进一步扩展.在半导体激光器驱动方面，Zhang等^[14]和Wang等^[15]设计的电流源具有大功率输出能力和较快的响应速度，但其稳定性尚难以满足磁共振系统ppm级的高稳定要求.Wang等^[16]和Zhao等^[17]设计用于焦耳天平的高精密电流源实现了亚ppm级的超高稳定度，不过其输出电流通常限制在毫安量级，不能满足匀场线圈安培级电流的驱动需要.在磁共振应用领域，Zhou等^[18]和Liu^[19]针对高场磁共振成像系统设计了低纹波、响应快速的动态匀场电流放大器，然而其设计侧重于快速响应及噪声滤除，其电路相对复杂且体积较大，多通道扩展的便捷性存在不足，对于低场永磁系统中关键的长期稳定性指标也没有详细讨论.Liu等^[20]为磁共振波谱仪设计了含有输出状态监控的高精度、低纹波匀场电流放大器，但其电流反馈检测电路仍有优化空间.

基于以上分析和考虑，本文设计并研制了一种用于低场永磁高分辨磁共振系统的高线性度、高稳定性的双极输出匀场电流放大器单元，采用高集成度的模块化设计，支持多通道便捷扩展.在核心电路设计中，通过选用超低噪声的精密基准电压源、低温漂的采样电阻以及高精度运放，从器件选型层面奠定了长期稳定性的基础；通过设计自偏置推挽电路实现了高线性度的双极性电流输出.针对不同电路特性采用分级分模块供电策略，优化噪声和功耗的平衡.在电流采样端引入差分反馈电路来抑制反馈路径上的共模噪声，进一步提升控制精度.本文将详细介绍该匀场电流放大器的整体设计、关键电路设计原理和性能测试结果，为低场高分辨磁共振匀场系统提供一个高性能的电流放大器设计方案.

本文所设计的匀场电流放大器单元用于驱动低场永磁高分辨磁共振系统中的匀场线圈，通过产生补偿磁场，以修正主磁场B₀ 的不均匀性并抵消环境因素引起的磁场漂移．其整体架构如图1所示，匀场电流放大器单元利用微控制器（Microcontroller Unit，MCU）STM32，通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）控制四路高精度数模转换器（Digital-to-Analog Converter，DAC），产生 -5 V ~ +5 V匀场控制电压信号${V}_{\text{shim}}$，该信号随后通过高线性度的电压—电流转换电路，转化为 -1 A ~ +1 A匀场电流${I}_{\text{shim}}$，用来驱动匀场线圈产生补偿磁场．一个匀场电流放大器单元包括0、1、2、3四个通道，用于驱动四路匀场线圈．当磁共振仪器对磁场均匀性有更高要求时，可以将多个匀场电流放大器单元级联后集成在一个机箱中，通过控制器局域网总线（Controller Area Network，CAN）与上位机相连，从而驱动多组或更高阶匀场线圈，实现更高精度的匀场．

当磁共振仪器受到环境中低频磁场的干扰（如50 Hz电力线、金属物体的移动等），或者永磁磁体随温度变化产生磁场漂移时，可以利用锁场控制单元实时检测主磁场B₀的变化，通过算法处理产生反馈控制电压，从而控制匀场电流放大器单元来驱动B₀补偿线圈，实现对磁场的锁定.设计的匀场电流放大器单元，在通道0提供了一个外部模拟信号输入接口Z₀，利用MCU控制低噪声模拟开关，对Z₀和内部DAC两个输入进行切换.由于锁场反馈信号无需经过MCU处理，直接以模拟信号形式进行电流转换，从而大大提高了B₀补偿的实时性.

电压-电流转换电路是匀场电流放大器单元的核心，其本质是一压控电流源（Voltage-Controlled Current Source，VCCS），作用是将匀场控制电压线性、稳定地转换为匀场电流．如图2所示，DAC输出的 -5 V ~ +5 V匀场电压${V}_{\text{shim}}$经运算放大器A₁的缓冲驱动后，送入电流放大级产生匀场线圈的驱动电流${I}_{\text{shim}}$．电流放大级的四个场效应晶体管构成自偏置推挽电路，使得输入信号在过零时能够平滑、连续地被放大，从而有效克服交越失真，提高输出线性度．${V}_{\text{shim}}$同时反馈回DAC的电压采样端DAC_Sense，以补偿线路带来的压降损失．在输出路径上，匀场线圈与一个0.1 Ω的高精度采样电阻${R}_{\text{S}}$串联，采样电压以差分方式送回运算放大器A₂，既以负反馈的方式使负载电流保持恒定，又利用了差分放大电路来抑制反馈路径中的共模噪声．当电路中的运放为理想器件时，最终输出的匀场电流为：

其中${I}_{\text{shim}}$为匀场电流，${V}_{\text{shim}}$为DAC输出的匀场控制电压，${G}_{\text{2}}$为差分运算放大器A₂的放大倍数，${R}_{\text{S}}$为采样电阻的阻值．输出电流的稳定性取决于等式右边三个参数的稳定性．本设计方案综合考虑成本和稳定性需求，DAC选用16位、四路高精度数模转换器DAC81404（Texas Instruments），其基准电压源选用温漂优于1 ppm/℃ 的超低噪声芯片ADR4525（Analog Devices）；差分运算放大器A₂选用温漂低于1 ppm/℃ 的LT1997（Analog Devices），放大倍数为50；采样电阻${R}_{\text{S}}$选用精度为1%，温漂优于20 ppm/℃ 的高精度金属板电阻GMR100（ROHM Semiconductor）．理论上，若换用温漂性能更优的采样电阻（如金属箔电阻），可以进一步改善输出电流的长期稳定性，但此类超高精度电阻的供货商较少、成本较高，故从工程制造角度考虑，本设计选用了常规型号的高温度稳定性采样电阻．此外，在A₁的输出端与反相输入端引入了相位补偿RC电路，以防止在驱动感性负载（如匀场线圈）时产生高频自激振荡．基于上述器件选型与电路优化手段，该放大器在 -1 A ~ +1 A范围内能保持优异的线性度和长期稳定性．

作为磁共振系统中的精密电流驱动单元，匀场电流放大器的供电设计需要进行全面考虑，在追求低纹波的同时，也需要尽量减少功率损耗，降低热积累对器件稳定性的影响.为此，本设计对各模块采取了差异化的供电策略：在功耗高的电流放大级，设计转换效率较高的开关稳压电路，并设计高性能的滤波电路来抑制开关噪声；针对易产生噪声的数字控制单元，以及对电压纹波敏感的运算放大器、基准电压源，则采用不同的低噪声低压差线性稳压器（Low Dropout Linear Regulator，LDO）进行隔离供电.

匀场电流放大器单元设计完成后，需要与磁共振系统的射频放大器、单板谱仪控制台等单元集成到同一个背板机箱内.同时，为了提高磁场均匀度，支持集成多个匀场电流放大器单元.所有的单元模块，采用同一个电源供应单元，将220 V交流电转换为需要的直流电压，通过背板进行供电，这样可以大大提高磁共振系统的集成度.匀场电流放大器单元的供电方案如图3所示，由磁共振机箱内的直流电源提供 ±15 V和 +7 V直流电压. 针对单元内部不同电路功能模块的功耗和噪声特性，采用不同的供电方式.四路电压-电流转换电路的电流放大级对供电效率要求较高，因此利用直流-直流转换器（DC-to-DC Converter，DC/DC）芯片TPS54560（Texas Instruments），将 ±15 V输入电压高效转换为可调电压 ±V_DC，针对不同内阻的匀场线圈，调整输出电压到最佳状态，最大程度降低在功率器件上的功耗.同时，为抑制开关电源噪声对输出电流的干扰，在输出电源路径上设计了滤波器模块.首先使用BNX016（Murata）系列共模扼流圈，利用其在1 MHz附近的高插入损耗特性，对开关噪声进行深度抑制，同时将DC/DC的开关频率也设定为 1 MHz，以匹配最优滤波频点.另外，在输出电源后级采用陶瓷电容、铁氧体磁珠和钽电容构成π型滤波网络，并且在电流放大级的电源输入端就近布置陶瓷去耦电容，以抑制高频噪声.而在低噪声模拟路径中，使用超低噪声的LDO芯片TPS7A49（Texas Instruments）和TPS7A30（Texas Instruments），搭建线性稳压模块1，将外部 ±15 V降压至 ±10 V，为运算放大器（图2中的缓冲运放A₁、反馈运放A₂）和DAC提供低噪声供电.为了实现模拟和数字电源隔离，先搭建线性稳压模块2将外部输入的 +7 V转换为 +5 V，一方面为DAC的基准电压源供电，产生高稳定的 +2.5 V基准电压；另一方面经二级稳压器产生 +3.3 V电压，分别为STM32微控制器和DAC提供数字电压.此外，设计还预留了恒温控制模块的电源接口，方便为后续在该匀场电流放大器单元的盒体上设计帕尔贴温度控制电路并进行供电.总而言之，本方案通过分层分模块供电的设计思路，结合模拟与数字供电层面的物理隔离，实现了高效率与低噪声的兼容，保障了输出电流的稳定性.

匀场电流放大器单元的控制软件以STM32嵌入式微控制器为核心，负责解析来自上位机的控制指令，并根据设置的电压值实时驱动DAC输出匀场电压．16位DAC输入的电压数值D范围为0 ~ 65 535，对应输出 -5 V ~ +5 V的模拟电压${V}_{\text{shim}}$，转换关系为：

其中D为数字量，${V}_{\text{shim}}$为模拟量（单位V）．模拟输出电压的分辨精度约为0.152 6 mV，对应最终输出电流的分辨精度约为30.5 μA．

为了便于多个匀场单元的联合使用，本设计采用扩展性好的CAN总线，以500 kbps的速率进行通信.当需要驱动更多组匀场线圈时，不需要改变原有匀场电流放大器单元的连接，只需要在总线上级联多个匀场电流放大器单元即可.CAN总线也支持多主通信，可以将磁共振系统中的任何其它设备（如锁场单元）作为临时主机，实时控制匀场电流放大器.此外，CAN总线的差分传输特性和错误检测机制能有效抑制磁共振环境中复杂电磁环境的干扰，保障指令的可靠传输.

在通信的数据协议设计上，控制指令以灵活和用户友好为设计目标. 在通信中采用“命令 <数据>”的文本格式来传输指令，并以“[”和“]”作为起始符和结束符.这种简洁且可读性强的指令设计，使得用户不仅可以通过专用上位机软件进行控制，也可以直接使用通用串口调试工具发送文本指令，为控制方式的选择带来较多便利.核心控制指令集如表1所示，其中SWITCHCH0指令用于切换图1中通道0的输入源，SETALL指令支持对所有通道的输出值进行初始化，而SETCHx则用于对各匀场通道的电流进行独立设置.同时，用户也可以发送GETALL或GETCHx指令查询各通道当前设置的匀场值，匀场电流放大器单元将会返回RDATACHx指令给上位机.这套指令集设计为匀场实验提供了高效便利的人机交互方式.

设计的匀场电流放大器单元实物图如图4所示，采用模块化分区设计，将电压-电流转换、DC/DC、数字控制电路和LDO四个核心模块集成在一块电路板上，通过物理隔离，从空间中抑制开关噪声和数字噪声的耦合干扰.同时，将发热显著的电流放大级远离基准电压源等温度敏感器件，从而降低热传导，抑制温度漂移引起的输出电流的不稳定性.对数字控制电路部分的MCU和DAC进行合理布局，尽量缩短关键信号路径的走线，并设计专用LDO模块就近供电，尽可能减小传输路径上的寄生阻抗与串扰.该布局方案功能分区明确，兼顾电磁兼容与热源分离，在提升集成度的同时，保障了输出电流的低纹波与高稳定性.

为了评估匀场电流放大器在全量程范围内的静态输出精度，本文对输出线性度进行了测试．实验搭建了高精度电流测量平台，测试仪器采用六位半分辨率的高精度数字万用表34411A（Agilent）．测试时在通道0输出端串联一个精度为0.01%的1 Ω高精度四线制取样电阻Y08501R00（Vishay Precision Group），负载用2 Ω功率电阻来模拟匀场线圈．通过万用表实时采集取样电阻两端的电压，根据欧姆定律换算得到输出电流．测试过程中，利用上位机程序设定DAC数值从0到65 535变化，每次步进值为512（对应步进电压约为78.125 mV），使得DAC输出的匀场电压为 -5 V ~ +5 V的满量程范围．测试结果如图5所示，输出电流${I}_{\text{shim0}}$与匀场控制电压${V}_{\text{shim0}}$呈现出较好的线性关系．使用最小二乘法对实测数据进行线性拟合，得到的拟合直线斜率约为0.198 9，回归系数R²优于0.999 999 9．证明匀场电流放大器输出具备极小的非线性失真，能够为匀场线圈提供精准且可预测的驱动电流，在精度层面满足低场高分辨磁共振仪器的磁场修正需求．

匀场电流放大器单元输出电流的长期稳定性对于保持磁场均匀度的稳定至关重要，尤其是样品需要长时间测试时尤为突出.为了评估匀场电流放大器单元的长期稳定性，搭建了高分辨率的电流监测平台，如图6所示.使用七位半数字万用表DMM7510（Keithley）进行测量，其在-1 V ~ +1 V量程范围内测量精度可达0.1 μV，工作状态良好.将四线精密取样电阻与万用表表笔置于30 ℃ 恒温箱内，尽量避免取样电阻产生温度漂移，以减小测量误差.而匀场电流放大器单元和2 Ω功率电阻负载均置于室温环境下，以模拟真实的匀场实验场景.

使用变异系数（Coefficient of Variation，CV）对匀场电流放大器单元的长期稳定性^[21]进行评估，具体计算方法为：

其中$\sigma $为样本标准差，$\mu $为样本平均值．对匀场电流放大器单元预热2 h后，分别在+0.5 A与+1 A两种输出情形下，设置万用表工频周期数（Number of Power Line Cycles，NPLC）为10，以5 s为测量间隔，连续采集48 h数据，以模拟连续多日的匀场实验工况．测试结果如图7所示．经计算，在+0.5 A输出电流时CV约为5.3 ppm，+1 A输出电流时CV约为3.87 ppm．该结果表明，本匀场电流放大器单元具有较好的长期稳定性，可以较好满足低场永磁磁共振系统对匀场电流长期一致性的要求．

交越失真是衡量双极性推挽输出电路性能的关键指标，其直接影响匀场电流放大器单元在零电流附近的控制精度和线性度.实验输入一个1 kHz、0.2 Vpp（-0.1 V ~ +0.1 V）的三角波控制电压信号，并利用高性能示波器MSO9104A（Keysight）同步观测输入电压和取样电阻两端电压的波形.测试结果如图8所示，其中通道1（黄色波形）为输入的三角波信号，通道2（绿色波形）为取样电阻两端的电压信号，后者直接反映输出电流的瞬时变化.由图可见，在电流跨越零点的瞬间，输出电压波形与输入保持同步，且未出现明显畸变.考虑到低场永磁高分辨磁共振仪器在实际匀场过程中，补偿电流的调整过程通常为准静态或极低频，其频率一般低于1 kHz，因此该匀场电流放大器单元能够保证在匀场实验中能够较好地对双极性电流进行过零平滑切换.

为了验证本匀场电流放大器单元在实际永磁磁共振系统中的磁场补偿能力，本文搭建了如图9所示的实验测试平台.系统基于实验室自研的0.5 T桌面式永磁核磁共振分析仪，主磁场B₀方向沿磁体轴向Z方向，磁体内部有多组匀场线圈.经预实验评估，使用XY、XZ、YZ三路匀场线圈进行匀场效果最好，故将研制的匀场电流放大器单元输出端连接这三路匀场线圈，并通过USB-CAN转换模块与上位机连接.将纯蒸馏水样品置于探头中心，设定射频中心频率为21.4 MHz.通过上位机发送文本指令实时调节匀场电流值，并同步采集单脉冲序列的自由感应衰减（Free Induction Decay，FID）信号，以评估磁场均匀性的变化.

匀场前后FID时域信号形态和频谱对比结果如图10所示.图10(a)在未进行主动匀场时，由于永磁磁体固有的磁场不均匀性，采集到的FID信号衰减迅速，其时域积分面积仅为1 569，频谱表现为严重的谱线展宽，其半高宽为207 Hz.图10(b)使用本匀场电流放大器单元进行手动匀场后，FID信号衰减过程减缓，对应积分面积为4 430，约为匀场前的2.82倍，频谱半高宽缩小至64 Hz.在相同匀场线圈上，图10(c)使用商用室温匀场电源（武汉中科牛津波谱技术有限公司）进行匀场，FID积分面积为4 324，频谱半高宽为65 Hz，说明本论文设计的匀场电流放大器单元与商用匀场电源的匀场效果达到了一致的水平.未能将谱线半高宽优化至更高水平的原因，一方面是永磁磁体搬到新的实验室后主磁场均匀性变差，另一方面是该永磁磁体的匀场线圈本身性能不是太好，有待后期进行进一步优化设计.

本文设计了一款具备高线性度和高长期稳定性的精密匀场电流放大器单元，可以精确调节匀场线圈中的双极性电流，来实时补偿磁体的空间非均匀性，从而提升磁共振信号质量.该放大器在 -1 A ~ +1 A的满量程范围内实现了良好的线性输出，其拟合度R²优于0.999 999 9，确保了高精度的电流补偿效果.其 48 h的长期稳定度低至5.3 ppm，且在1 kHz动态输入信号下无交越失真.基于CAN总线的通信方案实现了对各通道匀场电流参数的精确配置，同时具有较好的扩展性支持多模块级联，使系统能够从一阶主动匀场扩展至更高阶.接下来，有待连接商用的永磁磁共振仪器，进一步对该匀场电流放大器单元的各项指标和实际匀场效果进行反复的测试验证.实际实验测试表明，使用该匀场电流放大器单元可以满足永磁低场高分辨磁共振仪器的主动匀场需要.

无