Attuazione di circuiti virtuali a terra con amplificatori Op per l'Instrumentazione Biomedicale

In catene di segnale biomedicali, i motivi virtuali servono due funzioni primarie. In primo luogo, permettono circuiti analogici progettati per doppio rifornimento (±V) di operare da un unico alimentatore (ad esempio, +5 V) biasing il segnale a metà della tensione di alimentazione. In secondo luogo, forniscono un riferimento pulito e privo di rumore per misurazioni differenziali, che è fondamentale quando il segnale di interesse è nella gamma di microvolt a millivolt ed è facilmente corrotta da linea di corrente.

Amplificatori operativi come generatori di terra virtuali

Gli amplificatori operativi sono i blocchi di costruzione naturali per generare motivi virtuali a causa della loro elevata impedenza di ingresso, bassa impedenza di uscita e enorme guadagno open-loop. Quando configurato con feedback negativo, l'op amp costringe la tensione al suo ingresso invertente per uguale alla tensione al suo ingresso non invertente (mentre l'ingresso non invertente è guidato da un riferimento).

Configurazione del follower di tensione

Il più semplice generatore di corrente virtuale è un seguace di tensione unit-gain. L'ingresso non invertente è collegato a una tensione di riferimento stabile (ad esempio, +2.5 V da un divisore o un riferimento di precisione). L'uscita e l'ingresso invertente sono legati insieme. L'uscita dell'amplificatore mantiene il nodo esattamente alla tensione di riferimento, fornendo una sorgente di basso impatto che può fornire o affondare correnti moderate.

Configurazione dell'amplificatore invertente per il terreno virtuale

Quando il sistema ha bisogno di un terreno virtuale a una tensione diversa dal riferimento (o quando il riferimento stesso non è bassa impedenza), può essere utilizzato uno stadio amplificatore invertente. In questa topologia, l'ingresso non invertente è legato al riferimento desiderato (spesso terra), e l'ingresso invertente è collegato all'uscita attraverso una rete di resistenza al feedback. L'uscita diventa il terreno virtuale per gli stadi a valle.

Generando la tensione di riferimento

La qualità del terreno virtuale dipende interamente dalla qualità della tensione di riferimento applicata all’ingresso non invertente dell’amplificatore. La fonte di riferimento deve essere a basso rumore, temperatura-stabile e in grado di fornire la corrente di polarizzazione prelevata dall’amplificatore op e dal carico.

• Divisore di tensione resistivo:[ Il metodo più semplice utilizza due resistenze tra le rotaie di alimentazione. Pur economico, la sua impedenza di uscita è alta (pari alla combinazione parallela dei resistori), rendendola sensibile al caricamento.
• Riferimento di tensione a bassa goccia:[ IC di riferimento dedicati come i [[Analog Devices ADR4525 forniscono una precisione iniziale stellare, una deriva a bassa temperatura e un'eccellente prestazione del rumore.
• output DAC:[] Nei sistemi che già includono un convertitore digitale-analogico, l'uscita DAC può servire come riferimento. Questo consente la tensione di terra virtuale regolabile dal software, utile per la regolazione dell'offset o per l'adattamento a diverse condizioni di elettrodo.

Considerazioni di progettazione per l'Instrumentazione Biomedicale

L'implementazione di un terreno virtuale in una catena di segnale biomedicale comporta più di una semplice selezione di un buffer e un riferimento.

Riesaminazione del rumore e del rumore

Il nodo virtuale del terreno è un punto comune per gli ingressi del segnale e le reti di feedback. Qualsiasi rumore sulle coppie virtuali del terreno direttamente nel percorso del segnale. Pertanto, la fonte di riferimento e l'amplificatore op devono avere un alto potere-fornitura rifiuto (PSRR).

Input Bias Corrente e Tensione di Offset

Gli amplificatori Op a bassa corrente di ingresso (ad esempio, CMOS o JFET) sono preferiti quando il terreno virtuale viene utilizzato con elettrodi ad alta impedenza. La corrente di Bias che scorre attraverso la rete di riferimento può creare una tensione di offset che sposta il terreno virtuale.

Capacità di trasmissione di uscita

Il terreno virtuale deve fornire la corrente di polarizzazione per tutti gli amplificatori op e altri circuiti che lo fanno riferimento. In un sistema biomedico multicanale, questa corrente può raggiungere diversi freni. Il buffer op amp deve essere in grado di sorgente e affondare questa corrente mantenendo la sua tensione di uscita.

Stabilità e Margine di Fase

Un generatore di terra virtuale è intrinsecamente un sistema di feedback unit‐gain. Il caricamento capacitivo all'uscita (come cavi lunghi o reti di feedback multiple) può ridurre il margine di fase e causare oscillazione. Consultare sempre il foglio dati op amp per le specifiche di carico capacitivo.

Applicazione: Elettrocardiografia (ECG)

Gli amplificatori ECG misurano la tensione differenziale attraverso il cuore, tipicamente tra braccio destro (RA) e elettrodi braccio sinistro (LA), con un'unità di gamba destra (RLD) elettrodo per la cancellazione del movimento comune. L'estremità anteriore analogica richiede un punto di riferimento stabile per bias l'amplificatore di strumentazione (INA). In un sistema a singolo carico (ad esempio, 3.3 V per un monitor portatile Holter), un set distorsione virtuale a metà dell'alimentazione cardiaca (165 positivo).

Il design classico fa sì che l’elettrodo della gamba destra sia collegato al suolo virtuale, con un amplificatore invertente il cui ingresso non invertente è collegato al suolo virtuale.

Applicazione: Elettroencefalografica (EEG)

I segnali EEG sono un ordine di grandezza più piccolo di ECG (1–100 μV), rendendo ancora più critico la soppressione del rumore. Il terreno virtuale in un sistema EEG serve la stessa funzione di biasing come in ECG, ma fornisce inoltre un riferimento per il circuito a destra-legge che è spesso più complesso a causa del numero più alto di elettrodi. Inoltre, i sistemi EEG usano spesso elettrodi attivi – quelli che includono un amplificatore di alimentazione elettrodi.

Poiché i segnali EEG contengono informazioni utili fino a circa 100 Hz (e talvolta oltre per potenziali evocati), il percorso virtuale deve avere una larghezza di banda che non introduce il cambio di fase o l'attenuazione nella banda del segnale.

Applicazione: Misurazione di bio-impedenza

Le tecniche di bioimpedenza, come l'impedenza elettrica tomografia (EIT) o l'analisi della composizione del corpo, richiedono l'iniezione di una piccola corrente alternata a frequenze multiple nel corpo e la misura della tensione risultante.

In un tipico sistema di bioimpedenza a quattro elettrodi, due elettrodi iniettano corrente e due tensioni di senso. Il terreno virtuale può servire come riferimento per il loop di feedback corrente-source. Poiché la corrente iniettata è di solito nella gamma microampere e le frequenze variano da un paio di kilohertz a diverse centinaia di kilohertz, il buffer di terra virtuale deve avere una velocità di slitta e larghezza di banda sufficiente per monitorare il segnale ACbanda senza distorsione.

Vantaggi e limitazioni dei circuiti virtuali terrestri

L'adozione di tecniche virtuali di terra nella strumentazione biomedica offre diversi vantaggi chiari:

• Funzionamento aerodinamico:[ Abilita dispositivi a batteria e portatili eliminando la necessità di una rotaia negativa.
• Rifiuto di commutazione comune migliorato:[ Con un riferimento stabile, il circuito può meglio rifiutare le interferenze dalle linee di alimentazione e da altre fonti di movimento comuni.
• Ridimensionamento della tensione flessibile:[ La tensione di terra virtuale può essere impostata a qualsiasi livello conveniente, non necessariamente metà dell'alimentazione, per ottimizzare la testata delle fasi successive.
• Isolazione galvanica:[ Nei sistemi isolati otticamente, il terreno virtuale può essere generato sul lato isolato, rimuovendo il rischio di loop di terra attraverso la connessione del paziente.

Tuttavia, esistono limitazioni. Il terreno virtuale non è un vero terreno; non può affondare o sorgente corrente illimitata. Se la corrente di carico supera la capacità di azionamento dell'amplificatore, la tensione sagrà, introducendo distorsioni. Inoltre, qualsiasi ondulazione di AC sul circuito di riferimento o alimentazione apparirà sul terreno virtuale a meno che non venga filtrato con attenzione. Infine, il terreno virtuale presenta un rischio di guasto a un punto singolo: se il buffer op amp riesce, l'intera catena di segnale può diventare non sicura può diventare pericolosa.

Conclusioni

I circuiti virtuali a terra costruiti con amplificatori operativi sono uno strumento indispensabile nel repertorio del progettista di strumentazione biomedica, che fornisce un riferimento stabile e a bassa impedenza che consente un funzionamento a singolo rifornimento, riduce la suscettibilità del rumore e migliora la precisione di misura.