Matei Mihai Florin Electronica Aplicata

` ` ` `

Semnale electrofiziologice Introducere Amplificatoare diferentiale Amplificator de instrumentatie flotant Amplificator de izolatieAmplificator de izolatie cu cuplaj opticServoamplificator de izolatie cu cuplaj optic Amplificator de izola ie de tip diferen ial cu cuplaj opticAmplificatoare specializate pentru bioinstrumenta ie

Introducere`

Semnalul fiziologic este generat permanent sau cvasiperiodic, nso ind un proces fiziologic autonom sau episodic, ca urmare a unei ac iuni voluntare, fie n impuls, reflectnd r spunsul involuntar la un stimul. Semnalul fiziologic este disponibil fie direct ca varia ie electric detectabil cu electrozi, fie sub forma varia iei altei m rimi neelectrice, transformat n semnal electric cu ajutorul unui traductor.

Sistem de instrumenta ie biomedical

n Tabelul 6.1 sunt sintetizate o serie dintre caracteristicile semnalelor electrofiziologice prelevate des la intrarea sistemului instrumenta iei biomedicale

Configura ia tipic de culegere a semnalelor electrofiziologice

e semnific tensiunea vrf-la-vrf a unui generator sinusoidal cu frecven a de c iva Hz, care modeleaz semnalul util, bioelectric; E semnific tensiunea vrf-la-vrf a unui generator sinusoidal cu frecven a de 50 de Hz, modelnd semnalul interferent ce apare datorit vecin t ii re elei de alimentare n curent alternativ; Zin este impedan a de intrare a amplificatorului la 50 Hz; Z1 i Z2 sunt impedan ele electrozilor.

n aceast configura ie amplificatorul diferen ial trebuie s amplifice semnalul bioelectric i s atenueze (sau s rejecteze) semnalul interferent; tratarea diferit a celor dou semnale este posibil datorit faptului c , prin natura sa, semnalul util este generat ntre electrozii cupla i la intrarea amplificatorului - deci ca semnal diferen ial n timp ce semnalul interferent, reflectnd o influen relativ uniform a re elei de curent alternativ asupra structurii investigate, este practic acela i la ambii electrozi - deci se prezint ca semnal comun.Semnalul diferen ial este, a adar,

iar semnalul de mod comun se define te prin

unde V+ i V- sunt tensiunile (fa de mas ) la intr rile amplificatorului diferen ial. n literatura de specialitate acest tip de amplificator se ntlne te sub denumirea de amplificator de instrumenta ie.

n mod ideal, amplificatorul de instrumenta ie r spunde numai la diferen a ntre cele dou semnale de intrare i manifest impedan e extrem de ridicate ntre cele dou borne de intrare i ntre fiecare dintre acestea i mas . Tensiunea de ie ire este furnizat n mod asimetric fa de mas i este egal cu produsul dintre c tigul amplificatorului G i diferen a dintre cele dou tensiuni de intrare, (e2 - e1). Simbolul unui amplificator instrumenta ie ideal este prezentat n figura:

Simbolul unui amplificator de instrumenta ie ideal

`

` ` ` ` ` ` ` `

C tigul amplificatorului, G, este n mod normal fixat din exterior de c tre utilizator cu ajutorul unei singure rezisten e. Propriet ile acestui model pot fi enun ate n mod sintetic astfel: - impedan de intrare infinit ; - impedan de ie ire nul ; - tensiune de ie ire propor ional numai cu diferen a de tensiune e2 - e1; - c tig controlat i cunoscut cu precizie (f r neliniarit i); - band de trecere infinit ; - rejec ie total a componentelor comune ambelor intr ri; - nu prezint tensiuni de decalaj; - nu prezint deriv de tensiune.

odel al circuitului cu electrozi - amplificator de instrumenta ie real

Rejec ia modului comun Reprezint capacitatea unui amplificator diferen ial de a trata diferit semnalul diferen ial fa de semnalul de mod comun. n aplica iile biomedicale acest factor de merit al circuitului este vizat n principal i este caracterizat numeric prin raportul de rejec ie a modului comun (CMRR):

Impedan a de intrare

Schema echivalent a intr rii unui amplificator diferen ial arat ca n figura de mai jos

Schema echivalent a etajului de intrare

Pentru caracterizarea amplificatorului de instrumenta ie real, privind impedan a de intrare a acestuia, se definesc: rezisten a de intrare diferen ial (Rin, dif) este rezisten a v zut la un terminal de intrare cu al doilea pus la mas ; rezisten a de intrare de mod comun (Rin, mc) este rezisten a v zut la terminalele

de intrare unite.innd cont c n mod curent Rc>>Rd,rezult Rin,dif = Rd i Rin,mc = Rc. Asem n tor pot fi tratate capacit ile de intrare diferen ial i de mod comun. Impedan a de intrare evocat n figura reprezint , n esen , dublul rezisten ei de mod comun definit ca mai sus. Prin urmare, o rejec ie bun a brumului n m sur rile bioelectrice implic o valoare mare pentru Rin, mc, peste 10M i preferabil peste 100M.

Multe amplificatoare diferen iale monolitice au etajul de intrare echipat cu tranzistoare cu efect de cmp (FET), cu gril -jonc iune (J-FET) sau cu gril izolat (MOS-FET), caracterizate printr-o rezisten extrem de mare (>1000M), care practic poate fi considerat infinit . De i FET-urile nu pot realiza, n condi ii comparabile, acela i CMRR ca tranzistoarele bipolare, rezisten a de intrare infinit permite utilizatorului s - i construiasc o configura ie de intrare bine controlat folosind rezistoare convenabile, conectate ntre terminalele de intrare i mas . In figura de mai jos sunt propuse cteva configura ii de intrare realizabile pe aceast cale .

Etaje de intrare, n tehnologie monolitic , realizate cu FET

n figura este exemplificat o intrare asimetric ntr-un etaj cu FET lucrnd ca repetor pe surs . Impedan a de intrare este n esen compus din R n paralel cu C, capacitatea fa de ecran.

Etaje de intrare cu FET

n cazul configura iei (a) valoarea redus a rezisten ei echivalente de intrare ce ncarc generatorul de semnal se datoreaz efectului de untare a impedan ei propriu-zise a FET-ului, Zin,FET , de c tre rezisten a de polarizare R i de c tre reactan a implicat n circuit de capacitatea distribuit a liniei de transmisie a semnalului. n acest caz,

Diminuarea semnificativ a acestui efect de untare, n regim dinamic, se realizeaz uzual printr-o conexiune de tip boostrap. n esen aceasta urm re te aplicarea aceluia i poten ial, aproximativ, la ambele terminale ale impedan ei R||XC. Astfel, n cazul configura iei (b), c derea de tensiune de semnal pe R||XC va fi Vg A*Vg. Cum etajul lucreaz ca repetor pe surs , factorul de amplificare n tensiune este aproximativ unitar (tipic A=0,99) i prin urmare aceast c dere de tensiune de semnal este foarte mic , ceea ce echivaleaz cu o valoare foarte mare a impedan ei, respectiv

n culegerile bioelectrice, semnalele cvasicontinue de mod comun pot evolua cu amplitudini de ordinul zecilor de mV, n timp ce semnalul alternativ de 50Hz, de mod comun, poate atinge u or c iva vol i n nc peri neecranate. n consecin , pentru a se asigura o rejec ie de calitate a brumului, artefactul major, configura ia de intrare trebuie s determine o valoare deosebit de mare nu att pentru Rin. mc ct pentru Zin, mc. O solu ie n acest sens o constituie conexiunea boostrap n c.a. ilustrat n figura.

Conexiune bootstrap n curent alternativ n c.a. un repetor de tensiune aduce att ecranul ct i capetele reci ale rezistoarelor de 10 M la un poten ial alternativ foarte apropiat de cel prezent pe terminalele de intrare. Conexiunea boostrap reduce curentul absorbit de la sursa de semnal prin limitarea diferen ei de poten ial ntre capetele impedan ei de intrare.

Tensiunea i curentul de decalaj. Curen i de polarizareA a cum se vede din configura ia de intrare, rezisten ele de intrare n amplificatorul diferen ial nu specific complet schimbul de curen i ntre sursa de semnal i acesta. Chiar la tensiuni de intrare nule exist un curent Ipo n terminalul de intrare care, n cazul FET, este de ordinul 100 pA. Pentru multe amplificatoare diferen iale, pentru ace ti curen i independen i de tensiunea de intrare este valabil inegalitatea

justificat prin faptul c , n general, curen ii au acela i sens i valori relativ apropiate. Curentul de polarizare la intrare, a a cum este prezentat de cataloage, se define te ca media curen ilor n cele dou terminale puse la mas ,

iar decalajul de curent la intrare prin

Caracteristica de transfer Fa de cazul ideal, amplificatoarele de instrumenta ie utilizate n practic prezint o caracteristic de transfer, Vo / Vi, nelinear . n figura este prezentat func ia de transfer a unui dispozitiv cu o nelinearitate exagerat .

Caracteristic de transfer neliniar

Eroarea de nelinearitate se define te printr-o rela ie de forma:

Cea mai bun aproxima ie linear - figura(a) - caz n care caracteristica ideal determin egalitatea valorilor maxime ale devia iilor pozitive i negative. Aceast metod determin cea mai bun specificare dar este dificil de implementat deoarece necesit ca utilizatorul s examineze ntreaga gam a semnalului de ie ire pentru a determina valorile extreme ale devia iilor; Metoda punctelor de cap t - figura(b) - caz n care este asigurat coinciden a valorilor furnizate de caracteristica ideal i cea real la extremit ile gamei. Aceast metod este mult mai u or de implementat dar poate furniza erori de nelinearitate aproape duble dect cele atinse cu metoda precedent . Cazul cel mai defavorabil va apare atunci cnd func ia de transfer este "nclinat " doar ntr-o singur direc ie.

Realiz ri practice de amplificatoare de instrumenta ie Realizarea amplificatoarelor de instrumenta ie se bazeaz pe ntrebuin area amplificatoarelor opera ionale (AO). Pentru analiza (de regim sta ionar) a AO vom folosi n cele ce urmeaz un model idealizat, caracterizat de urm toarele propriet i: Impedan de ie ire nul : RO = 0 Poten ialele bornelor de intrare egale: V+ = VCuren i de intrare (polarizare) nuli: Iin+ = Iin- = 0 C tig infinit n bucl deschis : G0 =inf. De asemenea, se consider c func ionarea AO este descris (n regim sta ionar) de o caracteristic static perfect linear . Modelul linear permite simplificarea semnificativ a analizei diferitelor configura ii, prin utilizarea teoremei suprapunerii efectelor. Aceste idealiz ri asigur o bun modelare a AO. Erorile care apar se datoreaz practic abaterii caracteristicilor reale fa de cele ale modelului ideal i se pot studia cu relativ u urin (dup determinarea caracteristicilor ideale). Folosind AO se pot realiza trei configura ii de circuite amplificatoare. Vom analiza n continuare aceste configura ii, folosind propriet ile enun ate mai sus.

Amplificator inversor Schema electric a amplificatorului inversor:

Amplificator neinversor

Amplificator diferen ial

Amplificator opera ional diferen ial Modelul amplificatorului opera ional fiind linear, folosim pentru analiz teorema suprapunerii efectelor. Mai nti consider m activ intrarea inversoare i pasivizat intrarea neinversoare. Pentru pasivizare se ntrerupe circuitul pe ramura intr rii neinversoare dup generatoarele de tensiune i se leag la mas cap tul din stnga al rezisten ei R2. Apare o grupare paralel a rezisten elor R2 i R4, cu un cap t legat la mas i cel lalt la intrarea neinversoare (+) a opera ionalului. Conform modelului ideal utilizat pentru opera ional, Ib+ = 0, deci c derea de tensiune pe grupul paralel este 0 i se ob ine schema din figura.

Se observ c s-a ob inut configura ia inversoare, pentru care putem exprima direct tensiunea de ie ire, voi, innd seama c tensiunea supus amplific rii, vi-, este egal cu suma tensiunilor de semnal v1 i de mod comun vic. Se ob ine expresia:

Amplificatorul de instrumenta ie flotant Adjectivul flotant este folosit pentru circuitele separate de masa sistemului de m sur printr-o impedan mare de izola ie. n c.c. acest lucru nseamn o rezisten de izola ie de ordinul a miilor de Mohmi, n timp ce n joas frecven impedan a de izola ie este combina ia paralel a rezisten ei de izola ie de mai sus cu o capacitate de c iva pF. n anumite mprejur ri considerentele de electrosecuritate cer ca subiectul de la care se culeg poten ialele bioelectrice s fie izolat n raport cu masa sistemului de nregistrare sau vizualizare. S examin m c ile n care putem s realiz m acest deziderat. O prim cale ar fi desfiin area electrodului de mas , electrodul 3 al culegerii diferen iale, deci utilizarea unui amplificator diferen ial cu intr ri flotante. Electrofiziologii tiu c , n cazul amplificatoarelor alimentate de la re eaua de c.a., acest lucru nu este fezabil: brumul ar acoperi catastrofal orice informa ie. Pe de lat parte nu ne putem permite nici introducerea unei rezisten e mari n serie cu electrodul de mas deoarece tim c tehnica de culegere d o aten ie special tocmai asigur rii unui ct mai bun contact la electrodul de mas , o condi ie necesar pentru a ob ine un traseu f r brum. Experien a demonstreaz deci c n absen a unei leg turi de joas impedan la p mnt, brumul apare ca semnal de mod comun de un nivel inacceptabil la intr rile unui amplificator diferen ial alimentat de la re eaua de c.a.

Dac amplificatorul diferen ial este alimentat de la o baterie iar masa (referin a) sa nu este legat la p mnt, experien a arat c desfiin area electrodului 3 produce, nc , o anumit cre tere a interferen ei, ceea ce arat fie c o parte a brumului rejectat n mod obi nuit ca semnal de mod comun apare, n absen a electrodului de referin , diferen ial, fie semnal comun sporit. Configura ia cu trei electrozi la subiect (doi calzi + referin ) este deci aproape imperativ cnd este vorba de orice culegere diferen ial , iar pentru culegerea conven ional cu amplificator diferen ial alimentat de la re eaua de c.a. formula doi electrozi calzi + referin = p mnt, este obligatorie. Se dispune totu i de un mijloc care permite men inerea electrodului 3 legat de masa de referin a amplificatorului, izolat totu i de masa sistemului global de m sur , pus la p mnt. Solu ia const n utilizarea, cu trei electrozi, a unui preamplificator diferen ial (PAD) izolat n raport cu restul sistemului de m sur alimentat la re eaua de c.a. i legat la p mnt, ansamblul fiind ntlnit n literatura de specialitate sub denumirea de :

Amplificator de izola ie (AI )Prin acest artificiu subiectul este izolat de masa general a sistemului de m sur , ceea ce spore te securitatea electric , dar pentru PAD-ul izolat a c rui referin (mas flotant ) r mne legat la electrodul 3, brumul apare, n propor ie dominant , ca semnal de mod comun i este astfel rejectat.

Se prezint o configura ie cu PAD flotant. Transmisia informa iei se face pe cale termic , prin transformator de izolare (cuplaj magnetic), prin cuplaj optic sau prin radiotelemetrie.

Structura unui amplificator de izola ie

Un amplificator de izola ie (cu separare galvanic ) este un circuit a c rui prim func ie este de a asigura izolarea ohmic (ntreruperea continuit ii ohmice) ntre semnalele i circuitele de intrare i cele de ie ire. Se prezint schema - bloc tipic a unui amplificator de izola ie. Pentru acest amplificator, expresia tensiunii de ie ire Vout este dat de rela ia

Schema-bloc tipic a unui amplificator de izola ie

Amplificatoare de izola ie cu cuplaj optic n aplica iile electronice biomedicale de izola ie cu cuplaj optic se utilizeaz optocuploare integrate de construc ie special . Acestea con in o diod electroluminescent , un fotodetector i un amplificator cu performan e de vitez i liniaritate superioare fototranzistoarelor conven ionale. n aceste aplica ii nu este recomandabil s se utilizeze fototranzistoare ntruct, la aceste dispozitive, fotodetectorul este jonc iunea baz -colector, astfel nct capacitatea de barier stric timpul de ridicare din colector (prin efect Miller). De asemenea, fotocurentul ce apare este amplificat prin efect de tranzistor, curent care circul prin jonc iunea baz colector (fotosensibil ), modulnd r spunsul i determinnd astfel neliniarit i nsemnate. n cele ce urmeaz se prezint cteva variante de amplificatoare izola ie cu cuplaj optic dezvoltate pe baza unor optocuploare ale firmei Hewlett-Packard. Astfel, circuitele HCPL 2530, HCPL 2531 sunt recomandate pentru proiectarea amplificatoarelor cu canale duale n curent continuu, iar 6 N 135, 6 N136 sunt utile pentru un singur canal analogic.

Optocuplorul dintr-un AI Dac tranzistorul este polarizat n regiunea activ , rela ia curentului de transfer poate fi scris sub forma:

unde: Ic - curentul de colector IF - curentul de intrare (n dioda electroluminescent ) I'F - curentul de intrare la care se m soar K K - curentul de colector n condi ii de test (IF = I'F) n - panta caracteristicii Ic(IF) n coordonate logaritmice.

Servoamplificator de izola ie cu cuplaj optic Circuitul de amplificare cu servo-liniarizare for eaz curentul de intrare al unui optocuplor s urm reasc curentul de intrare al celui de-al doilea optocuplor prin servo-ac iune. Astfel, dac n domeniul excursiei de semnal n1=n2, neliniarit ile se anuleaz , iar caracteristica de transfer global va fi liniar .

Servoamplificator avnd cuplaj optic

Amplificatorul opera ional U2 compar ie irile fiec rui optocuplor i for eaz ca IF2 prin D2 s fie egal cu IF1 prin D1. Sursele de curent constant fixeaz fiecare curent direct prin LED-uri la 3 mA valoare de punct static. Rezisten a R1 a fost aleas astfel nct la o varia ie a tensiunii de intrare VIN n domeniul 5 V la +5 V, s corespund o varia ie a curentului IF1 de la 2 mA la 4 mA. Prin intermediul rezisten ei R1 se face adaptarea amplificatorului la orice domeniu de varia ie a tensiunii de intrare. Rezisten ele R2 i R3 (incluznd p r i din poten iometrul P1) sunt prev zute pentru reglarea nulului amplificatorului. Astfel, pentru VIN = 0 se ac ioneaz poten iometrul P1 astfel nct VOUT = 0. Dup reglajul de nul, cu VIN la o anumit valoare, se regleaz valoarea rezisten ei R4 (ac ionnd poten iometrul P2) pentru c tig unitar (reg sim la ie ire valoarea de la intrare).

Amplificator de izola ie de tip diferen ial cu cuplaj optic O alt posibilitate de a liniariza caracteristica static folose te principiul diferen ial. n acest caz semnalul de intrare provoac cre terea curentului de intrare ntr-un optocuplor cu aceea i cantitate cu care scade curentul de intrare n cel de-al doilea optocuplor. Dac n1 = n2 = 2, cre terea c tigului primului optocuplor va fi compensat de sc derea c tigului n cel de-al doilea, iar caracteristica de static global va fi liniar .

Sursa de curent constant realizeaz pentru punctul static de func ionare al amplificatorului IF1 = IF2 = 3 mA. Valorile rezisten elor R1 i R2 au fost alese astfel nct pentru o varia ie a tensiunii de intrare VIN n domeniul 5 V ... +5 V s corespund varia ii ale curen ilor direc i prin LED-uri IF de la 2 mA la 4 mA. Prin intermediul rezisten elor R1 i R2 se realizeaz adaptarea amplificatorului la gama dinamic a semnalului de intrare. Rezisten ele R3, R4 i R5 au fost dimensionate pentru a asigura c tig unitar amplificatorului n cele mai nefavorabile situa ii de desperechere a factorilor de transfer n curent a optocuploarelor. Poten iometrul P1 asigur reglarea nulului, iar P2 a c tigului (unitar). Pentru a determina expresia caracteristicii statice a amplificatorului diferen ial analiz m circuitele de intrare i de ie ire.

Amplificatoare specializate pentru bioinstrumenta ie Un prim exemplu este amplificatorul multicanal pentru nregistr ri ECG din figura Circuitul este prev zut cu o reac ie negativ pentru comanda electrodului RL (Right Leg), sc znd astfel la aproape zero tensiunea de mod comun la intrare (amplificarea AO de comand a RL este foarte mare). Montajul folose te un amplificator de izola ie (284J, Analog Devices), avnd performan e remarcabile: nelinearitate 0,05% (ie ire 10 Vvv), coeficientul de temperatur al amplific rii 0,001% / oC, CMRR = 110 dB, zgomot la intrare 8 Vvv.

Monitorizarea pulsului fetal poate fi realizat folosind circuitul din figura, de i amplitudinea acestui impuls este de 20 de ori mai mic dect a semnalului ECG matern. Rejectarea semnalului matern are loc datorit rejec iei mari de mod comun ntre electrozii de intrare (78 dB). CMRR de 110 dB asigur o protec ie remarcabil la interferen ele externe, de 50 Hz sau RF.

` Va

multumesc!