Introduction aux circuits terrestres virtuels dans l'instrumentation biomédicale

L'instrumentation biomédicale moderne exige une précision exceptionnelle, un faible bruit et une stabilité fiable pour capter les signaux électriques de minute générés par le corps humain. Les électrocardiogrammes (ECG), les électroencéphalogrammes (EEG) et les analyseurs de bio-impédance reposent tous sur des extrémités frontales analogiques qui doivent rejeter les interférences du mode commun, tolérer les tensions décalées d'électrodes élevées et fonctionner à partir d'alimentations limitées. Une technique fondamentale qui répond à ces défis est l'utilisation de circuits de sol virtuels réalisés avec des amplificateurs opérationnels (amplificateurs op.). En créant un point de référence stable et à faible impédance à l'intérieur du système, les ingénieurs peuvent concevoir des circuits de production mono-approvisionnement qui se comportent comme des systèmes de double alimentation, améliorer le rejet du mode commun et réduire les effets des boucles au sol.

Le principe du terrain virtuel

Un sol virtuel est un nœud de circuit qui est contraint à une tension spécifique – généralement à mi-rail ou toute autre référence pratique – par l'action de rétroaction d'un amplificateur opérationnel. Contrairement au sol physique, qui est une connexion directe à la masse conductrice de la planète, un sol virtuel est une référence artificiellement créée qui ne nécessite pas un chemin direct vers la terre. La propriété principale d'un sol virtuel est son impédance faible à la tension de référence; il peut couler ou le courant source tout en maintenant un potentiel presque constant.

Dans les chaînes de signaux biomédicaux, les terrains virtuels servent deux fonctions primaires. D'abord, ils permettent aux circuits analogiques conçus pour les alimentations doubles (±V) de fonctionner à partir d'une seule alimentation (par exemple +5V) en biaisant le signal à la moitié de la tension d'alimentation.

Amplificateurs opérationnels comme générateurs virtuels au sol

Les amplificateurs opérationnels sont les éléments naturels de construction pour générer des terrains virtuels en raison de leur impédance élevée, de leur faible impédance de sortie et de leur énorme gain de boucle ouverte. Lorsqu'ils sont configurés avec une rétroaction négative, l'amplificateur op force la tension à son entrée inverse à égaler la tension à son entrée non inversée (alors que l'entrée non inversée est entraînée par une référence). La sortie entraîne alors le nœud de terre virtuel pour maintenir cet équilibre.

Configuration du suiveur de tension

Le générateur de masse virtuel le plus simple est un suiveur de tension à gain d'unité. L'entrée non inversée est connectée à une tension de référence stable (par exemple +2,5 V d'un diviseur ou d'une référence de précision). La sortie et l'entrée inversée sont liées ensemble. La sortie op amp="s maintient alors le nœud exactement à la tension de référence, fournissant une source de faible impuissance qui peut alimenter ou couler des courants modérés. Cette configuration est largement recommandée pour le biais de l'offre moyenne dans les circuits d'ampli op à alimentation unique. Les critères de sélection des composants incluent le choix d'un ampli op avec une tension offset basse (pour éviter de déplacer le sol virtuel) et une capacité de courant de sortie adéquate pour la charge.

Configuration de l'amplificateur d'inversement pour Virtual Ground

Lorsque le système a besoin d'un sol virtuel à une tension différente de la référence (ou lorsque la référence elle-même n'est pas faible impédance), un stade d'amplificateur de retournement peut être utilisé. Dans cette topologie, l'entrée non-invertante est liée à la référence souhaitée (souvent sol), et l'entrée de retournement est connectée à la sortie par un réseau de résistance de rétroaction. La sortie devient le sol virtuel pour les phases aval. Cette configuration offre une plus grande flexibilité dans le réglage de la tension virtuelle du sol et peut également fournir un gain ou un filtrage.

Générer la tension de référence

La qualité du sol virtuel dépend entièrement de la qualité de la tension de référence appliquée à l'entrée non inversée de l'amplificateur d'op. La source de référence doit être basse bruit, stable à la température et capable de fournir le courant de biais dessiné par l'amplificateur d'op et la charge.

  • Fendeur de tension résistant:[ La méthode la plus simple utilise deux résistances entre les rails d'alimentation. Bien que peu coûteux, son impédance de sortie est élevée (égale à la combinaison parallèle des résistances), ce qui la rend sensible au chargement. Un ampli tampon est presque toujours nécessaire.
  • Les appareils de référence pour les basses chutes de tension:[ Les appareils de référence dédiés tels que Analog Devices ADR4525 fournissent une précision initiale stellaire, une dérive à basse température et une excellente performance sonore.
  • DAC output:[ Dans les systèmes qui incluent déjà un convertisseur numérique à analogique, la sortie DAC peut servir de référence. Cela permet une tension de sol virtuelle réglable par logiciel, utile pour parer le décalage ou s'adapter à différentes conditions d'électrodes. Il faut prendre soin de filtrer le bruit de quantification DAC=s avec un RC à passe basse ou un filtre actif.

Considérations de conception pour l'instrumentation biomédicale

La mise en place d'un terrain virtuel dans une chaîne de signaux biomédicaux implique plus que la simple sélection d'un tampon et d'une référence.

Bruit et rejet du rappeau

Le nœud de sol virtuel est un point commun pour les entrées de signal et les réseaux de rétroaction. Tout bruit sur le sol virtuel se couple directement dans le chemin de signal. Par conséquent, la source de référence et l'amplificateur d'op doivent avoir un rejet d'alimentation élevé (PSRR). Le découplage du sol virtuel avec un grand condensateur (10 μF – 100 μF) au sol réel est une pratique courante.

Débit d'entrée et tension de hors-réglage

Les amplis op avec un courant de biais d'entrée extrêmement faible (p. ex., les types CMOS ou JFET) sont préférés lorsque le sol virtuel est utilisé avec des électrodes à haute amplitude. Le courant de biais traversant le réseau de référence peut créer une tension offset qui déplace le sol virtuel. De même, la tension offset op amp=s ajoute directement à la tension de sol virtuel. Pour les extrémités avant ECG ou EEG où l'amplitude du signal est de l'ordre de 1 mV, un décalage de quelques millivolts peut saturer les étapes de gain suivantes.

Capacité d'entraînement de sortie

Le sol virtuel doit fournir le courant de biais pour tous les amplis op et autres circuits qui le référent. Dans un système biomédical multicanal, ce courant peut atteindre plusieurs milliampères. L'ampli tampon op doit pouvoir source et couler ce courant tout en maintenant sa tension de sortie. Un tampon avec une sortie de classe AB ou un tampon d'alimentation dédié peuvent être nécessaires pour les systèmes avec de nombreux canaux.

Stabilité et marge de phase

Un générateur de masse virtuel est intrinsèquement un système de rétroaction de gain d'unité. Une charge efficace à la sortie (comme des câbles longs ou plusieurs réseaux de rétroaction) peut réduire la marge de phase et provoquer une oscillation. Consultez toujours la fiche technique op amp pour connaître les spécifications de l'entraînement de charge capacitive.

Demande: Électrocardiographie (ECG)

Les amplificateurs ECG mesurent la tension différentielle à travers le cœur, généralement entre les électrodes du bras droit (RA) et du bras gauche (LA), avec une électrode de commande de jambe droite (RLD) pour l'annulation en mode commun. L'extrémité avant analogique nécessite un point de référence stable pour biaiser l'amplificateur d'instrumentation (INA).

Le sol virtuel sert également à biaiser le circuit RLD. Un design classique conduit l'électrode de la jambe droite à travers un amplificateur à inversion dont l'entrée non inversée est connectée au sol virtuel. Cet arrangement annule activement les interférences de 50/60 Hz en additionnant la tension du mode commun et en alimentant le signal inversé au patient. Le succès de cette technique repose sur le sol virtuel étant extrêmement propre, tout bruit ici sera appliqué directement au patient. Par conséquent, les concepteurs ajoutent souvent un filtre passe-bas à alimentation multiple entre la référence et le tampon d'ampli op pour atténuer le bruit à haute fréquence. Texas Instruments=1 note d'application sur la conception d'ECG à simple offre fournit des exemples de circuits détaillés utilisant un sol virtuel.

Demande d'autorisation: Électroencéphalographie (EEG)

Les signaux EEG sont un ordre de grandeur inférieur à ECG (1–100 μV), ce qui rend la suppression du bruit encore plus critique. Le sol virtuel d'un système EEG fonctionne de la même façon que dans ECG, mais fournit en outre une référence pour le circuit à jambe droite qui est souvent plus complexe en raison du nombre plus élevé d'électrodes. De plus, les systèmes EEG utilisent fréquemment des électrodes actives, dont un amplificateur tampon à l'intérieur du boîtier de l'électrode.

Comme les signaux EEG contiennent des informations utiles jusqu'à environ 100 Hz (et parfois au-delà pour les potentiels évoqués), le chemin de terre virtuel doit avoir une bande passante qui n'introduise pas de décalage de phase ou d'atténuation dans la bande de signal. L'utilisation d'un ampli op avec un produit de gain-bande passante (GBW) d'au moins 1 MHz garantit que le tampon de gain d'unité maintient une marge de phase adéquate jusqu'à 100 kHz, bien au-delà de la bande EEG. Il faut minimiser le couplage capacitif entre la ligne de terre virtuelle et les alimentations électriques; il est recommandé de prévoir un tracé de sol étoile sur le PCB pour empêcher que le bruit de commutation numérique ne contamine la référence.

Application: Mesure de la bio-impédance

Les techniques de bio-impédance, comme la tomographie par impédance électrique (TIE) ou l'analyse de composition corporelle, nécessitent l'injection d'un petit courant alternatif à plusieurs fréquences dans le corps et la mesure de la tension résultante. Une source de courant de haute précision est souvent construite autour d'un ampli op avec un schéma virtuel de biais de terrain.

Dans un système de bio-impédance typique à quatre électrodes, deux électrodes injectent du courant et deux tensions sens. Le sol virtuel peut servir de référence pour la boucle de rétroaction de la source courante. Comme le courant injecté se trouve habituellement dans la gamme de microampères et que les fréquences vont de quelques kilohertz à plusieurs centaines de kilohertz, le tampon de sol virtuel doit avoir une vitesse de déplacement et une bande passante suffisantes pour suivre le signal AC sans distorsion.

Avantages et limites des circuits terrestres virtuels

L'adoption de techniques de terrain virtuelles dans l'instrumentation biomédicale présente plusieurs avantages évidents :

  • Fonctionnement d'alimentation unique:[ Permet aux appareils à piles et aux appareils portables en éliminant la nécessité d'un rail négatif.
  • Rejection améliorée du mode commun :[ En fournissant une référence stable, le circuit peut mieux rejeter les interférences des lignes électriques et d'autres sources de mode commun.
  • Écaillage de tension flexible:[ La tension de la terre virtuelle peut être réglée à n'importe quel niveau pratique, pas nécessairement la moitié de l'alimentation, pour optimiser la salle de tête des étapes suivantes.
  • Isolement galvanique:[ Dans les systèmes isolés optiquement, le sol virtuel peut être généré du côté isolé, en éliminant le risque de boucles au sol par la connexion du patient.

Cependant, des limites existent. Le sol virtuel n'est pas un vrai sol; il ne peut pas couler ou générer un courant illimité. Si le courant de charge dépasse la capacité de commande de l'amplificateur d'op, la tension s'enclenche, ce qui entraîne une distorsion. De plus, toute ondulation AC sur la référence ou l'alimentation électrique apparaîtra sur le sol virtuel à moins d'être filtrée avec soin. Enfin, le sol virtuel présente un risque de défaillance d'un seul point : si l'amplificateur d'oplificateur de tampon échoue, toute la chaîne de signal peut devenir inutilisable.

Conclusion

Les circuits virtuels construits avec des amplificateurs opérationnels sont un outil indispensable dans le répertoire des instruments biomédicaux. Ils fournissent une référence stable et peu impédance qui permet un fonctionnement à alimentation unique, réduit la susceptibilité au bruit et améliore la précision de mesure. En comprenant la théorie – de la configuration tampon à la génération de référence et la manutention de charge – les ingénieurs peuvent concevoir des extrémités frontales analogiques robustes pour ECG, EEG, bio-impédance et autres dispositifs médicaux.