Introducción a los circuitos de tierra virtuales en la instrumentación biomédica

Este sistema de instrumentación biomédica moderno requiere una precisión excepcional, un bajo ruido y una estabilidad confiable para captar las señales eléctricas mínimas generadas por el cuerpo humano. Electrocardiogramas (ECG), electroencefalogramas (EEG) y analizadores de bioimpresión dependen de extremos frontales analógicos que deben rechazar interferencias de modo común, tolerar voltajes de electrodo alto, y operar con fuentes de energía limitadas.

El Principio de la Tierra Virtual

Un terreno virtual es un nodo de circuito que se ve obligado a un voltaje específico —normalmente medio- o cualquier otra referencia conveniente— por la acción de retroalimentación de un amplificador operativo. A diferencia del terreno físico de la tierra, que es una conexión directa a la masa conductiva del planeta, un terreno virtual es una referencia artificialmente creada que no requiere un camino directo a la tierra. La propiedad clave de un terreno virtual es su

En cadenas de señal biomédicas, los terrenos virtuales sirven dos funciones primarias. Primero, permiten que los circuitos analógicos diseñados para suministros duales (±V) funcionen desde un único suministro (por ejemplo, +5 V) sesgada la señal a la mitad del voltaje de suministro. Segundo, proporcionan una referencia limpia y libre de ruido para mediciones diferenciales, que es crítica cuando la señal de interés está en el rango de microvolt a la línea de regulación de potencia y se corrompe fácilmente.

Amplificadores operativos como generadores de tierra virtual

Los amplificadores operativos son los bloques de construcción naturales para generar terrenos virtuales debido a su impedancia de entrada alta, impedancia de baja salida y enorme ganancia abierta. Cuando se configura con retroalimentación negativa, la potencia op obliga al voltaje a igualar el voltaje en su entrada no invertida (mientras que la entrada no invertida es impulsada por una referencia).

Configuración de seguimiento de tensión

El generador de tierra virtual más simple es un seguidor de tensión de unidad de ganancia. La entrada de no inversión está conectada a un voltaje de referencia estable (por ejemplo, +2.5 V de un divider o referencia de precisión). La salida y la entrada de inversión están empatados. La salida de la lámpara de opto entonces mantiene el nodo exactamente en el voltaje de referencia, proporcionando una fuente de baja potencia de los circuitos que pueden suministrar o hundir corrientes moderadas.

Configuración de amplificador de inversión para el terreno virtual

Cuando el sistema necesita un terreno virtual a un voltaje diferente de la referencia (o cuando la referencia en sí no es baja impedancia), se puede utilizar una etapa de amplificador invertido. En esta topología, la entrada no invertido está vinculada a la referencia deseada (a menudo terreno), y la entrada invertida está conectada a la salida a través de una red de resistor de retroalimentación.

Generando el Voltaje de Referencia

La calidad del terreno virtual depende enteramente de la calidad del voltaje de referencia aplicado a la entrada no invertida de la op. La fuente de referencia debe ser de baja ruido, de temperatura y capaz de proporcionar el sesgo actual dibujado por la op amp y la carga. Existen varios enfoques:

  • ]Divisor de tensión resistente: El método más simple utiliza dos resistencias entre los carriles de suministro. Mientras que inexpensivo, su impedancia de salida es alta (igual a la combinación paralela de los resistores), lo que hace que sea sensible a la carga. Un amplificador de buffer es casi siempre necesario. Además, divisores de resistencia inyectan ruido de suministro de energía en la referencia a menos que el suministro sea excepcionalmente limpio.
  • ] Referencia de tensión de desperdicio: Los ICs de referencia destinados como los Dispositivos de analog ADR4525 proporcionan una precisión inicial estelar, una baja temperatura de deriva y un excelente rendimiento de ruido.Estos son ideales cuando el terreno virtual debe permanecer estable sobre un amplio rango de temperatura, como en dispositivos médicos utilizables.
  • DAC de salida: En sistemas que ya incluyen un convertidor digital-a-análogo, la salida DAC puede servir como referencia. Esto permite una tensión virtual ajustable de tierra, útil para recortar offset o adaptarse a diferentes condiciones de electrodo. Se debe tener cuidado para filtrar el ruido de cuantificación del DAC con un RC de baja velocidad o filtro activo.

Consideraciones de diseño para la instrumentación biomédica

La implementación de un terreno virtual en una cadena de señal biomédica implica más que seleccionar un búfer y una referencia. Hay que abordar varios factores prácticos para asegurar que el circuito cumpla con los requisitos estrictos de las aplicaciones médicas.

Rechazo de ruido y Ripple

El nodo de tierra virtual es un punto común para las entradas de señal y redes de retroalimentación. Cualquier ruido en las parejas de tierra virtual directamente en la ruta de señal. Por lo tanto, la fuente de referencia y el amplificador de op deben tener un rechazo de alta potencia (PSRR). Decodificar el terreno virtual con un condensador grande (10 μF – 100 μF) al suelo real es práctica estándar.

Entrada Bias Corriente y Voltaje de Introdicio

Los amplificadores con corriente de sesgo de entrada extremadamente baja (por ejemplo, CMOS o JFET) se prefieren cuando el terreno virtual se utiliza con electrodos de alto impacto. La corriente de sesgos que fluye a través de la red de referencia puede crear un voltaje offset que cambia el terreno virtual. De forma similar, el voltaje de entrada de la amplificación de la operación se añade directamente a la tensión de tierra virtual.

Capacidad de salida

El terreno virtual debe suministrar la corriente de sesgo para todos los amplificadores de las operaciones y otros circuitos que lo refieran. En un sistema biomédico multicanal, esta corriente puede llegar a varios milimperes. El amplificador de las oposiciones de buffer debe ser capaz de generar y hundir esta corriente manteniendo su tensión de salida. A ]]con una etapa de salida de clase AB o un sistema de alimentación dedicado con muchos canales pueden ser necesarios.

Estabilidad y Margen de Fase

Un generador de tierra virtual es inherentemente un sistema de retroalimentación de ganancia de unidad. La carga capacitiva en la salida (como cables largos o redes de retroalimentación múltiple) puede reducir el margen de fase y causar oscilación. Consulte siempre la hoja de datos de op amp para las especificaciones de la unidad de carga capacitiva. Agregar un pequeño resistor (20–50 Ω) en serie con la salida puede mejorar la estabilidad a costa de la impedancia de salida ligeramente mayor.

Aplicación: Electrocardiografía (ECG)

Amplificadores ECG miden el voltaje diferencial a través del corazón, típicamente entre el brazo derecho (RA) y los electrodos del brazo izquierdo (LA), con un electrodo de la pierna derecha (RLD) para la cancelación del movimiento común. El extremo frontal analógico requiere un punto de referencia estable para sesgos el amplificador de instrumentación (INA). En un sistema de sola distorsión (por ejemplo, 3.3 V para un monitor Holter portátil), un campo virtual

El campo virtual también se usa para sesgos en el circuito RLD. Un diseño clásico impulsa el electrodo de la pierna derecha a través de un amplificador inversor cuya entrada no invertido está conectada al terreno virtual. Este arreglo cancela activamente la interferencia de 50/60 Hz sumiendo el voltaje del movimiento común y alimentando la señal invertida al paciente.

Aplicación: Electroencefalografía (EEG)

Las señales de EEG son un orden de magnitud menor que ECG (1–100 μV), haciendo que la supresión del ruido sea aún más crítica. El terreno virtual en un sistema EEG sirve la misma función de sesgo como en ECG, pero además proporciona una referencia para el circuito de cargas de conducción directa que es a menudo más complejo debido al mayor número de electrodos. Además, los sistemas EEG utilizan frecuentemente electrodos activos — los que incluyen un amplificador de tensión de bus estable

Debido a que las señales EEG contienen información útil hasta cerca de 100 Hz (y a veces más allá de los potenciales evocados), el camino de tierra virtual debe tener un ancho de banda que no introduce el cambio de fase o atenuación en la banda de señal. Usando un amplificador de op con un producto de ganancia-bandwidth (GBW) de al menos 1 MHz asegura que el amortiguador de unión mantiene un margen de referencia adecuado hasta 100 kHz virtual, bien

Aplicación: Medición de bioimpecuencia

Las técnicas de proxenetismo bio-impedancia, como la tomografía de impedancia eléctrica (EIT) o el análisis de composición corporal, requieren inyectar una pequeña corriente AC en múltiples frecuencias en el cuerpo y medir el voltaje resultante. Una fuente de corriente de alta precisión se construye a menudo alrededor de un amplificador de operaciones con un esquema de sesgo de suelo virtual.

En un sistema de bio-impedancia de cuatro electros típicos, dos electrodos inyectan corriente y dos voltaje sensorial. El terreno virtual puede servir como referencia para el bucle de retroalimentación de fuente actual. Debido a que la corriente inyectada está generalmente en el rango de microampere y las frecuencias van desde un kilohercios hasta varios cientos de kilohercios, el buffer de tierra virtual puede tener suficiente velocidad de corte y ancho de banda

Ventajas y limitaciones de los circuitos de tierra virtual

La adopción de técnicas de tierra virtual en instrumentación biomédica ofrece varios beneficios claros:

  • Operación de sopa: Permite dispositivos portátiles y de batería eliminando la necesidad de un carril negativo.
  • Rechazo de modo común mejorado: Al proporcionar una referencia estable, el circuito puede rechazar mejor la interferencia de las líneas de poder y otras fuentes de modo común.
  • Escalado de tensión flexible: La tensión de tierra virtual se puede configurar en cualquier nivel conveniente, no necesariamente la mitad del suministro, para optimizar el cuarto de baño de etapas posteriores.
  • Aislamiento gavánico: En sistemas ópticamente aislados, el terreno virtual puede generarse en el lado aislado, eliminando el riesgo de bucles de tierra a través de la conexión del paciente.

Sin embargo, existen limitaciones. El terreno virtual no es un verdadero terreno; no puede hundirse ni fuente de corriente ilimitada. Si la corriente de carga excede la capacidad de unidad de op amp, el voltaje se enfría, introduciendo la distorsión. Además, cualquier onda AC en la referencia o fuente de alimentación aparecerá en el terreno virtual a menos que se filtra cuidadosamente. Finalmente, el terreno virtual presenta un riesgo de falla de un solo punto: si el circuito de seguridad de buffer puede ser virtual

Conclusión

Los circuitos de tierra virtuales construidos con amplificadores operativos son una herramienta indispensable en el repertorio del diseñador de instrumentación biomédica. Proporcionan una referencia estable de bajo impacto que permite un funcionamiento único, reduce la susceptibilidad del ruido y mejora la precisión de medición. Al entender la teoría, desde la configuración del búfer a la generación de referencia y el manejo de carga, los ingenieros pueden diseñar extremos frontales analógicos robustos para ECG, EEG, bioimpance,