Внедрение виртуальных наземных схем с помощью Op Amps для биомедицинского приборостроения

Введение в виртуальные наземные схемы в биомедицинском оборудовании

Современные биомедицинские приборы требуют исключительной точности, низкого шума и надежной стабильности для захвата мельчайших электрических сигналов, генерируемых человеческим телом. Электрокардиограммы (ЭКГ), электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и анализаторы биоимпеданса полагаются на аналоговые передние концы, которые должны отклонять помехи в общем режиме, переносить высокие напряжения смещения электродов и работать от ограниченных источников питания. Одной из основополагающих технологий, которая решает эти проблемы, является использование виртуальных наземных схем , реализованных с операционными усилителями (op amps). Создавая стабильную опорную точку низкого давления внутри системы, инженеры могут проектировать однопользовательские схемы, которые ведут себя как системы двойного питания, улучшать отказ в общем режиме и уменьшать эффекты наземных циклов. В этой статье исследуется теория виртуальных оснований, основных схем реализации и практических соображений проектирования для биомедицинских применений.

Принцип виртуальной земли

Виртуальная земля — это цепной узел, который вынужден к определенному напряжению — обычно средней рельсовой дороги или любой другой удобной ссылке — посредством действия обратной связи операционного усилителя. В отличие от физической земной земли, которая является прямым соединением с проводящей массой планеты, виртуальная земля — это искусственно созданная ссылка, которая не требует прямого пути к земле. Ключевое свойство виртуальной земли — это ее низкое импеданс к опорному напряжению; она может поглощать или испускать ток при сохранении почти постоянного потенциала. Это свойство достигается с помощью высокого усиления открытого цикла и отрицательной обратной связи усилителя оптики для приведения узла к желаемому напряжению.

В биомедицинских сигнальных цепях виртуальные основания выполняют две основные функции. Во-первых, они позволяют аналоговым схемам, предназначенным для двойных источников (±V), работать от одного источника (например, +5 В), путем смещения сигнала при половине напряжения питания. Во-вторых, они обеспечивают чистую, бесшумную ссылку для дифференциальных измерений, которая имеет решающее значение, когда интересующий сигнал находится в диапазоне микровольт-милливольт и легко повреждается шумом линии электропередач или пульсацией регулятора переключения.

Оперативные усилители как виртуальные наземные генераторы

Операционные усилители являются естественными строительными блоками для генерации виртуальных оснований из-за их высокого входного импеданса, низкого выходного импеданса и огромного усиления с открытым контуром. При настройке с отрицательной обратной связью усилитель операции вынуждает напряжение на своем инвертируемом входе равняться напряжению на его неинвертируемом входе (в то время как неинвертирующий вход приводится в действие ссылкой). Выход затем приводит в действие виртуальный наземный узел для поддержания этого баланса. Две классические конфигурации являются последователем напряжения (буфер) и инвертирующим усилителем со ссылкой.

Конфигурация Voltage Follower

Простейший генератор виртуального грунта — это последователь напряжения с единым коэффициентом усиления. Неинвертирующий вход подключен к стабильному опорному напряжению (например, +2,5 В от делителя или точного эталона). Выходной и инвертирующий вход связаны друг с другом. Выходной выход усилителя оптики затем удерживает узел точно на опорном напряжении, обеспечивая источник низкого давления, который может подавать или поглощать умеренные токи. Эта конфигурация широко рекомендуется для смещения среднего предложения в одноопорных схемах усилителя опоры. Критерии выбора компонентов включают выбор усилителя опции с низким офсетным напряжением (чтобы избежать смещения виртуального поля) и адекватная выходная токная способность для нагрузки. Устройства, такие как TLV9001 или OPA333, популярны для биомедицинских применений из-за их выхода рельса к рельсам и низкого энергопотребления.

Инвертирующая конфигурация усилителя для виртуальной земли

Когда системе требуется виртуальный заземление при напряжении, отличном от эталонного (или когда сама эталонная не имеет низкого импеданса), может использоваться инвертирующий усилитель стадии. В этой топологии неинвертирующий вход привязан к нужному эталонному (часто заземленному), а инвертирующий вход подключен к выходу через сеть резисторов обратной связи. Выход становится виртуальным заземлением для нижестоящих стадий. Эта конфигурация обеспечивает большую гибкость в настройке виртуального заземления напряжения и также может обеспечить усиление или фильтрацию. Однако для точной биомедицинской работы обычно указываются резисторы металлопленки с допуском 0,1%.

Генерация эталонного напряжения

Качество виртуального заземления полностью зависит от качества опорного напряжения, приложенного к неинвертирующим входам операционного усилителя. Источник отсчета должен быть низким шумом, температуроустойчивым и способным доставлять ток смещения, нарисованный операционным усилителем и нагрузкой. Существует несколько подходов:

Резистивный делитель напряжения: Самый простой метод использует два резистора между рельсами питания. При низкой цене его выходное сопротивление высокое (равное параллельной комбинации резисторов), что делает его чувствительным к нагрузке. Почти всегда требуется усилитель буферной операции. Кроме того, резисторы вводят шум источника питания в исходную точку, если источник питания не является исключительно чистым.

Отсылка низкого напряжения выпадения: Выделенные эталонные ИС, такие как Аналоговые устройства ADR4525, обеспечивают звездную начальную точность, низкотемпературный дрейф и отличную шумопроизводительность. Они идеальны, когда виртуальная земля должна оставаться стабильной в широком температурном диапазоне, как в носимых медицинских устройствах.

Выход DAC: В системах, которые уже включают в себя цифровой аналоговый преобразователь, выход DAC может служить в качестве эталона. Это позволяет программно-регулируемое виртуальное напряжение на земле, полезное для снятия смещения или адаптации к различным условиям электрода. Необходимо соблюдать осторожность для фильтрации шума квантования DAC с помощью низкочастотного RC или активного фильтра.

Проектирование Рассмотрение биомедицинского приборостроения

Внедрение виртуального заземления в биомедицинскую сигнальную цепь включает в себя нечто большее, чем просто выбор буфера и справочника. Для обеспечения соответствия цепи строгим требованиям медицинских приложений необходимо учитывать несколько практических факторов.

Шум и Ripple отрицание

Виртуальный наземный узел является общей точкой для входов сигналов и сетей обратной связи. Любой шум на виртуальной земле соединяется непосредственно с сигнальным путем. Поэтому исходный источник и усилитель оптического сигнала должны иметь высокий отказ от подачи мощности (PSRR). Отсоединение виртуальной земли с большим конденсатором (10 мкФ - 100 мкФ) к фактической земле является стандартной практикой. Кроме того, рядная ферритовая шарика или небольшой резистор (10 Ω) могут изолировать виртуальную землю от емкостных нагрузок, которые могут вызвать колебания.

Вводное биасовое ток и выключенное напряжение

Оп-амперы с чрезвычайно низким входным током смещения (например, CMOS или JFET-типы) предпочтительны, когда виртуальный грунт используется с электродами высокого давления. Биасовый ток, протекающий через эталонную сеть, может создавать офсетное напряжение, которое сдвигает виртуальный грунт. Аналогично, входное офсетное напряжение op amp добавляет непосредственно к виртуальному наземному напряжению. Для передних концов ЭКГ или ЭЭГ, где амплитуда сигнала находится на порядка 1 мВ, офсет всего нескольких милливольт может насыщать последующие стадии усиления. Выбор оп-ампера с V_OS < 100 мкВ и I_B < 1 pA целесообразный.

Способность к выходу

Виртуальная земля должна обеспечивать ток смещения для всех операционных усилителей и других схем, которые ссылаются на него. В многоканальной биомедицинской системе этот ток может достигать нескольких миллиампер. Буферный усилитель оптического действия должен быть способен испускать и поглощать этот ток при сохранении его выходного напряжения. Буфер с выходной стадией класса AB или выделенный буфер мощности может быть необходим для систем со многими каналами.

Стабильность и фазовая маржа

Виртуальный наземный генератор по своей сути является системой обратной связи с усилением единства. Емкостная нагрузка на выходе (например, длинные кабели или несколько сетей обратной связи) может уменьшить фазовый запас и вызвать колебания. Всегда консультируйтесь с таблицей данных op amp для спецификаций накопителя емкостной нагрузки. Добавление небольшого резистора (20-50 Ω) последовательно с выходом может улучшить стабильность за счет слегка увеличенного импеданса вывода.

Применение: Электрокардиография (ЭКГ)

Усилители ЭКГ измеряют дифференциальное напряжение по всему сердцу, обычно между электродами правой руки (RA) и левой руки (LA), с электродом привода правой ноги (RLD) для отмены общего режима. Аналоговые передние концы требуют стабильной точки отсчета для смещения усилителя приборов (INA). В системе с одним источником питания (например, 3,3 В для портативного монитора Holter) виртуальный заземление, установленное на половину питания (1,65 В), позволяет INA обрабатывать как положительные, так и отрицательные сердечные сигналы без искажений.

Виртуальная земля также используется для смещения цепи RLD. Классическая конструкция приводит в движение электрод правой ноги через инвертирующий усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к виртуальной земле. Эта компоновка активно отменяет помехи 50/60 Гц, суммируя напряжение общего режима и возвращая обратно инвертированный сигнал пациенту. Успех этой техники зависит от того, что виртуальная земля чрезвычайно чистая - любой шум здесь будет применяться непосредственно к пациенту. Поэтому дизайнеры часто добавляют многоотзывной фильтр нижних частот между эталоном и буфером усилителя для ослабления высокочастотного шума. Прикладная записка Texas Instruments на однопоставочной конструкции ЭКГ предоставляет подробные примеры схем с использованием виртуальной земли.

Применение: Электроэнцефалография (ЭЭГ)

Сигналы ЭЭГ на порядок меньше ЭКГ (1-100 мкВ), что делает подавление шума еще более критичным. Виртуальная земля в системе ЭЭГ выполняет ту же функцию смещения, что и в ЭКГ, но дополнительно обеспечивает ссылку на приводную правую ногу цепи, которая часто более сложна из-за большего количества электродов. Кроме того, системы ЭЭГ часто используют активные электроды - те, которые включают буферный усилитель внутри корпуса электрода. Эти активные электроды также требуют стабильного напряжения смещения, которое подается виртуальной наземной шиной.

Поскольку сигналы ЭЭГ содержат полезную информацию до примерно 100 Гц (а иногда и за пределами вызванных потенциалов), виртуальный наземный путь должен иметь полосу пропускания, которая не вводит фазовый сдвиг или затухание в полосе сигнала. Использование усилителя оптики с продуктом с полосой усиления (GBW) не менее 1 МГц гарантирует, что буфер с усилением единства поддерживает адекватный запас фаз до 100 кГц, далеко за пределами полосы ЭЭГ. Емкостная связь между виртуальной наземной линией и источниками питания должна быть сведена к минимуму; рекомендуется расположение звездного поля на печатной плате для предотвращения загрязнения эталона цифровым шумом переключения.

Применение: измерение биоимпеданса

Методы биоимпеданса, такие как электроимпедансная томография (EIT) или анализ состава тела, требуют введения небольшого тока переменного тока на нескольких частотах в тело и измерения полученного напряжения. Высокоточный источник тока часто строится вокруг усилителя с виртуальной схемой смещения земли. Виртуальная земля обеспечивает путь с низким сопротивлением для обратного тока, гарантируя, что измерение остается независимым от электродного контактного импеданса.

В типичной четырехэлектродной системе биоимпеданса два электрода вводят ток и два напряжения чувств. Виртуальная земля может служить в качестве эталона для петли обратной связи источника тока. Поскольку вводимый ток обычно находится в диапазоне микроампера и частоты варьируются от нескольких килогерц до нескольких сотен килогерц, виртуальный буфер земли должен иметь достаточную скорость разряда и полосу пропускания для отслеживания сигнала переменного тока без искажений. Может использоваться широкополосный усилитель, такой как AD8065, с тщательной компоновкой ПХБ, чтобы избежать паразитической индуктивности в виртуальном пути грунта.

Преимущества и ограничения виртуальных наземных схем

Использование виртуальных наземных технологий в биомедицинских приборах дает несколько очевидных преимуществ:

Работа с одним источником питания: Включает устройства с питанием от батареи и портативные устройства, устраняя необходимость в отрицательной рельсе.

Улучшенный отказ от обычного режима: Предоставляя стабильную ссылку, схема может лучше отклонять помехи от линий электропередач и других источников общего режима.

Гибкое масштабирование напряжения: Виртуальное напряжение на земле может быть установлено на любой удобный уровень, не обязательно половину подачи, для оптимизации зала заседаний последующих стадий.

Гальваническая изоляция: В оптически изолированных системах виртуальная земля может быть создана на изолированной стороне, устраняя риск заземления петлей через соединение с пациентом.

Однако существуют ограничения. Виртуальная земля не является истинной землей; она не может потопить или получить неограниченный ток. Если ток нагрузки превышает способность привода усилителя, напряжение будет провисать, внося искажения. Кроме того, любая рябь переменного тока на эталоне или источнике питания появится на виртуальной земле, если тщательно не отфильтровать. Наконец, виртуальная земля представляет собой риск отказа одной точки: если буферный усилитель неисправен, вся цепь сигналов может стать непригодной. Излишние виртуальные наземные цепи или отказобезопасное обнаружение иногда используются в жизненно важных системах.

Заключение

Виртуальные наземные схемы, построенные с помощью операционных усилителей, являются незаменимым инструментом в репертуаре разработчика биомедицинских приборов. Они обеспечивают стабильную, низкоимпедансную опорную базу, которая позволяет работать с одним источником питания, снижает чувствительность к шуму и повышает точность измерений. Понимая теорию - от конфигурации буфера до генерации эталона и обработки нагрузки - инженеры могут проектировать надежные аналоговые передние концы для ЭКГ, ЭЭГ, биоимпеданса и других медицинских устройств. Тщательное внимание к выбору усилителя оптики, разъединению и компоновке печатной платы обеспечит, чтобы виртуальная земля оставалась тихой, надежной основой для захвата тонких электрических сигналов тела.