Co robi ten obwód wzmacniacza operacyjnego? (część EKG)

Chciałbym utworzyć obwód EKG na podstawie tego schematu (z arkusza danych AD620AN):

Nie znam tej części obwodu i jak to działa. Wiem, że nazywa się to obwodem napędzanym prawą nogą, który zmniejsza efekt hałasu. Ale nie wiem dokładnie, jak działa negatywna informacja zwrotna w tym przypadku. Czy ktoś może mi pomóc?

Kierowca prawej nogi próbuje wysterować średnie napięcie ciała, aby wyeliminować hałas. Wybrano prawą nogę, ponieważ znajduje się ona daleko od serca, więc każdy wstrzyknięty tam sygnał będzie wspólny dla dwóch elektrod w pobliżu serca.

Napęd prawej nogi jest znacznie ściślej sprzężony z ciałem niż hałas otoczenia, który odbiera od sprzężenia pojemnościowego do rzeczy takich jak prąd przemienny w pomieszczeniu.

Sieć na ścieżce sprzężenia zwrotnego sterownika opampu prawej nogi zapewnia pewne filtrowanie dolnoprzepustowe sygnału.

Ten obwód i jego potrzeba mają o wiele większy sens, gdy weźmie się pod uwagę niektóre rzeczy, które nie zostały przedstawione. Po pierwsze, pamiętaj, że konieczne jest ustalenie pewnego rodzaju napięcia odniesienia na ciele, aby napięcie na elektrodach pomiarowych miało pewne odniesienie w stosunku do obwodu.

Wyobraź sobie, że to odniesienie jest tworzone przez elektrodę z prawą nogą, bezpośrednio podłączoną do masy obwodu. Gdyby takie połączenie z ciałem o zerowej impedancji mogło być wykonane w ten sposób, zrobilibyśmy to i nie byłoby potrzeby połączenia napędzanej nogi.

W rzeczywistości połączenie między elektrodą odniesienia a obwodem może wynosić kiloomy lub dziesiątki kiloomów. Teraz, z powodu napięć w trybie wspólnym na ciele i faktu, że elektroda odniesienia jest połączona za pomocą wysokich impedancji z ziemią, występują prądy błądzące. (Jest to mniejszy problem dla elektrod sygnałowych, które przechodzą w bardzo wysokie impedancje wejściowe, w przeciwieństwie do uziemienia).

Obwód napędzanej nogi wykorzystuje techniki sprzężenia zwrotnego do pomiaru napięcia w trybie wspólnym i przekazuje je z powrotem przez elektrodę odniesienia. Skutecznie zmniejsza to impedancję połączenia na elektrodzie odniesienia o współczynnik wzmocnienia sprzężenia zwrotnego.

Załączam Ryc. 1 z Winter, Bruce B. i John G. Webster. „Konstrukcja obwodu napędzana prawa noga”. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 1 (1983): 62-66., Które pokazują pobrane impedancje elektrod, ale bardzo polecam przeczytanie artykułu, jeśli można go uzyskać, ponieważ pokazuje on bardzo wyraźne wyprowadzenie skutecznej redukcji impedancji.

Wczoraj po raz pierwszy zobaczyłem to dziwne rozwiązanie obwodu i natychmiast przykuło moją uwagę. Oczywiście istniał sprytny pomysł tłumienia sygnałów w trybie wspólnym. Jak było?

Aby zrozumieć podstawową ideę, najpierw usunąłem wszystkie drobne szczegóły, które utrudniały zrozumienie, i zacząłem próbować zobaczyć znane bloki konstrukcyjne i zasady. Uprościłem i naszkicowałem schemat obwodu i skupiłem się na części za pomocą wzmacniacza operacyjnego AD705 (A3):

Struktura. Widziałem dwa jednoczęściowe napięcia wejściowe (VIN- i VIN +) między elektrodami sygnałowymi a elektrodą odniesienia. Co zaskakujące, ich „źródła” wejściowe nie były uziemione ... ale podłączone do wyjścia wzmacniacza operacyjnego. Co to było do cholery?!? Aha ... byli połączeni z „ruchomym” gruntem, co prawdopodobnie pozwoliło na stłumienie ich jednoczesnych wariacji (trybu wspólnego).

Napięcia wejściowe były buforowane przez stopnie wzmacniające (A1 i A2) o wysokiej impedancji wejściowej. W odniesieniu do sygnałów w trybie wspólnym, stopnie te działały jako popychacze napięcia . Dlatego nie narysowałem sieci trzech rezystorów między wyjściami wzmacniaczy wejściowych, ponieważ było to ważne tylko dla trybu różnicowego.

Ale na czym służył obwód 2-rezystorowy między wyjściami popychacza? Uświadomiłem sobie, że odwrócone lato wzmacniacza operacyjnego zbudowano przy pomocy Rf i A3.

Operacja. Wyobraź sobie, że początkowo oba napięcia wejściowe wynoszą zero. Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego VREF (prawej nogi) również wynosi zero.

Jeżeli oba napięcia wejściowe próbują wzrosnąć (z powodu pewnego napięcia szumu w trybie wspólnym powyżej rzeczywistego „nieruchomego” uziemienia), napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego zmniejsza się (w przybliżeniu) wraz z napięciem szumu poniżej rzeczywistej ziemi. A ponieważ „źródła” napięcia wejściowego są podłączone nie do rzeczywistej, lecz do „ruchomej” masy, ich napięcia zmniejszają się wraz z napięciem szumowym. Mówiąc obrazowo, wyjście wzmacniacza operacyjnego „obniża” napięcia wejściowe o wielkość napięcia w trybie wspólnym (wyjście wzmacniacza operacyjnego odejmuje równoważne napięcie od napięcia w trybie wspólnym). W rezultacie, w odniesieniu do rzeczywistej masy, sygnał trybu wspólnego będzie (prawie) zero.

Tak więc, w odniesieniu do trybu wspólnego, dziwny obwód RDL można uznać za lato odwracające wzmacniacz operacyjny ze źródłami wejściowymi „uziemionymi” na wyjściu zamiast prawdziwego uziemienia . Z powodu tego „ruchomego gruntu” sygnały trybu wspólnego są tłumione.

Jeśli połączymy oba napięcia wejściowe i rezystory w jednym, możemy pomyśleć o tym układzie jako wzmacniacz odwracający o wzmocnieniu 200, którego moc wyjściowa jest zwracana przez VIN ... tzn. Istnieją dwa ujemne sprzężenia zwrotne - lokalne (realizowane przez Rf, R1 i R2) i globalne (według VCM).

Wczoraj dołączyłem oryginalne schematy obwodów naszkicowane ołówkiem i gumą, aby bardziej realistycznie zilustrować przebieg moich myśli, które doprowadziły mnie do tego wyjaśnienia. Oczywiście mogę je pięknie zarysować ... ale dzięki temu staną się mniej pouczające ...