¿Qué hace este circuito de op-amp? (parte de un ECG)

Question

Me gustaría crear un circuito de ECG basado en este esquema (de la hoja de datos del AD620AN):

No conozco esta parte del circuito ni su funcionamiento. Sé que esto se llama circuito impulsado por la pierna derecha lo que reduce el efecto del ruido. Pero no sé exactamente cómo funciona la retroalimentación negativa en este caso. ¿Puede alguien ayudarme?

Answer 1

El conductor de la pierna derecha intenta conducir la tensión media del cuerpo para anular el ruido. Se elige la pierna derecha porque está lejos del corazón, por lo que cualquier señal inyectada en ella será de modo común a dos electrodos cercanos al corazón.

El impulso de la pierna derecha está mucho más acoplado al cuerpo que el ruido ambiental que recoge del acoplamiento capacitivo a cosas como la corriente alterna en la habitación.

La red en la ruta de retroalimentación del amplificador de potencia de la pierna derecha proporciona un filtrado de paso bajo de la señal.

Answer 2

Este circuito, y su necesidad, tienen mucho más sentido si se tienen en cuenta algunas cosas que no son representado. En primer lugar, recuerde que es necesario establecer algún tipo de tensión de referencia en el cuerpo, para que la tensión en los electrodos de medición tenga alguna referencia con respecto al circuito.

Imagínese que esta referencia se establece mediante un electrodo de la pierna derecha conectado directamente a la tierra del circuito. Si se pudiera hacer una conexión de impedancia cero con el cuerpo así, habríamos terminado, y no habría necesidad de una conexión de pierna conducida.

De hecho, la conexión entre el electrodo de referencia y el circuito puede ser de kiloohmios, o de decenas de kiloohmios. Ahora bien, debido a las tensiones en modo común que se montan en el cuerpo, y al hecho de que el electrodo de referencia está conectado a tierra a través de altas impedancias, hay corrientes parásitas. (Esto es menos problemático en los electrodos de señal, que van a impedancias de entrada muy altas, en contraposición a tierra).

Lo que hace el circuito de la pata accionada es utilizar técnicas de retroalimentación para medir la tensión de modo común, y retroalimentarla a través del electrodo de referencia. Esto reduce efectivamente la impedancia de la conexión en el electrodo de referencia por un factor de la ganancia de la retroalimentación.

Adjunto la figura 1 de Winter, Bruce B., y John G. Webster. "Diseño de circuito de pierna derecha impulsada". IEEE Transactions on Biomedical Engineering 1 (1983): 62-66., que muestran las impedancias de los electrodos dibujadas, pero recomiendo encarecidamente la lectura del documento si se puede conseguir, ya que muestra una derivación muy clara de la reducción efectiva de la impedancia.

Answer 3

EDITAR: Hace un año vi por primera vez esta extraña solución de circuito y me llamó inmediatamente la atención. Entonces conseguí desvelar y describir a grandes rasgos la idea que hay detrás del circuito. Ahora quiero ampliar estas explicaciones con algunas nuevas ideas. Aquí hay otro diagrama de circuito más detallado - Fig. 1:

Fig. 1. Circuito detallado de accionamiento de la pata derecha ( chegg.com )

Obviamente, hubo alguna idea inteligente para suprimir las señales de modo común. ¿Cómo era?

Básicamente, la siguiente etapa de amplificación con entrada diferencial suprime la tensión de entrada en modo común. Sin embargo, como los amplificadores de ECG funcionan con tensiones de entrada extremadamente bajas, es deseable que no haya ninguna señal de modo común (sólo la señal diferencial).

Para captar la idea fundamental, primero eliminé todos los detalles menores que dificultaban la comprensión -Fig. 2- y empecé a tratar de ver los bloques y principios de construcción del circuito que me eran familiares. Simplifiqué y esbocé el diagrama del circuito y me centré en la parte con el op-amp AD705:

Fig. 2. Esquema simplificado del circuito accionado por la pata derecha

Estructura. Primero vi dos tensiones de entrada de un solo extremo (VIN- y VIN+) entre los electrodos de señal y el electrodo de referencia. Sorprendentemente sus "fuentes" de entrada (el cuerpo humano) no estaban conectadas a tierra, sino a la salida del amplificador óptico. ¿Qué demonios era eso? Aha... estaban conectados a una tierra "móvil", que probablemente permitía suprimir sus variaciones simultáneas (en modo común).

Las tensiones de entrada se amortiguaban mediante etapas de amplificación (A1 y A2) con alta impedancia de entrada. Normalmente, se implementaron como dos amplificadores no inversores emparejados (Fig. 1) pero, con respecto a las señales en modo común, actuaron como seguidores de tensión . Por eso no dibujé la red de tres resistencias entre las salidas de los amplificadores de entrada (la parte de entrada un amplificador de instrumentación clásico) porque era importante sólo para el modo diferencial.

Pero, ¿para qué servía el circuito de 2 resistencias entre las salidas del seguidor? Me di cuenta de que un op-amp inversor verano fue construido con la ayuda de Rf y A3 con el propósito de producir el voltaje de modo común.

Operación. Imagina que inicialmente ambas tensiones de entrada son cero. Así que la tensión de salida del amplificador VREF (de la pata derecha) también es cero.

Si ambas tensiones de entrada intentan aumentar (debido a alguna tensión de ruido en modo común por encima de la tierra real "inamovible"), el amplificador óptico detecta este cambio en su entrada inversora y comienza a disminuir su tensión de salida por debajo de cero hasta hacer su valor igual a la tensión de ruido en modo común. Y como las "fuentes" de tensión de entrada no están conectadas a la tierra real sino a la "móvil", sus tensiones bajan con la tensión de ruido. Hablando en sentido figurado, la salida del amplificador óptico "baja" las tensiones de entrada con la magnitud de la tensión en modo común (la salida del amplificador óptico resta una tensión equivalente a la tensión en modo común). Como resultado, con respecto a la tierra real, la señal de modo común será (casi) cero incluso cuando las tensiones de entrada cambien de forma diferencial.

Por lo tanto, con respecto al modo común, el extraño circuito RDL puede ser pensado como un op-amp inversor de verano con fuentes de entrada "conectadas a tierra" a su salida en lugar de la verdadera tierra . Gracias a esta "tierra móvil", se suprimen las señales en modo común.

Si combinamos ambas tensiones de entrada y las resistencias en una sola, podemos pensar en esta disposición como un amplificador inversor con una ganancia de 200, cuya salida se retroalimenta con VIN - Fig. 3:

Fig. 3. Circuito DRL presentado como un amplificador inversor

Podemos ver aquí dos retroalimentaciones negativas - local (implementado por Rf, R1 y R2) que se utiliza para hacer el verano del op-amp y global (por VCM) que compensa la tensión en modo común. Esta última tiene otra función importante: compensar la caída de tensión a través de la resistencia de contacto entre el cuerpo humano y el electrodo de referencia. ¿Cómo funciona esta magia?

Esta resistencia no deseada se introduce en el bucle de retroalimentación negativa y el amplificador óptico observa la tensión después de esta perturbación (en su entrada inversora)... y la mantiene casi a cero. Para ello, baja aún más su tensión de salida compensando así la resistencia de contacto no deseada... como en cualquier circuito de op-amp con resistencia negativa de tipo tensión.

He adjuntado diagramas de circuitos esbozados con lápiz y goma para ilustrar de forma más realista el curso de mis pensamientos que me han llevado a esta explicación. Por supuesto, podría esquematizarlos maravillosamente... pero así serán menos informativos...