这个运算放大器电路有什么作用?(心电图的一部分)

电器工程 运算放大器 生物电势 心电图
2022-02-01 16:05:07

我想根据这个原理图(来自 AD620AN 数据表)创建一个心电图电路:

心电图电路

我不知道电路的这一部分以及它是如何工作的。我知道这被称为右腿驱动电路,它可以减少噪声的影响。但我不知道在这种情况下负面反馈是如何工作的。有人能帮我吗?

右腿驱动

3个回答

右腿驱动器试图驱动身体的平均电压以消除噪音。选择右腿是因为它离心脏很远,所以任何注入到那里的信号都会共模到靠近心脏的两个电极上。

右腿驱动与身体的耦合比它从电容耦合到房间内交流电源等事物的环境噪声更紧密地耦合。

右腿驱动器运算放大器反馈路径中的网络提供了一些信号的低通滤波。

当您考虑一些未描述的事情时,这个电路以及对它的需求会更有意义。首先,请记住,有必要在身体上建立某种参考电压,以便测量电极上的电压相对于电路有一些参考。

想象一下这个参考是由直接连接到电路接地的右腿电极建立的。如果可以像这样与身体建立零阻抗连接,我们就完成了,并且不需要驱动腿连接。

实际上,参考电极与电路之间的连接可以是千欧,也可以是几十千欧。现在,由于人体上的共模电压,以及参考电极通过高阻抗接地的事实,存在杂散电流。(这对信号电极来说不是什么问题,它进入非常高的输入阻抗,而不是接地)。

Driven Leg 电路所做的是使用反馈技术来测量共模电压,并通过参考电极将其反馈回来。这有效地将参考电极处的连接阻抗降低了反馈增益的一个因子。在此处输入图像描述

我附上了 Winter、Bruce B. 和 John G. Webster 的图 1。“驱动右腿电路设计。” IEEE Transactions on Biomedical Engineering 1 (1983): 62-66.,其中显示了电极阻抗,但我强烈建议您阅读该论文,因为它显示了有效降低阻抗的非常清晰的推导。

编辑:一年前我第一次看到这个奇怪的电路解决方案,它立即引起了我的注意。然后我设法揭示并大致描述了电路背后的想法。现在我想用一些新的见解来扩展这些解释。这是另一个更详细的电路图 - 图 1:

详细的右腿驱动电路

图 1. 详细的右腿驱动电路 ( chegg.com )

显然,有一些抑制共模信号的巧妙想法。那是什么感觉?

基本上,具有差分输入的下一个放大器级会抑制共模输入电压。然而,由于 ECG 放大器在极低的输入电压下工作,因此希望根本没有共模信号(只有差分信号)。

为了掌握基本思想,我首先删除了所有妨碍理解的小细节 - 图 2,并开始尝试查看熟悉的电路构建模块和原理。我简化并绘制了电路图,并专注于使用 AD705 运算放大器的部分:

DRL 电路 - 想法

图 2 右腿驱动电路的简化电路图

结构。首先,我看到信号电极和参考电极之间有两个单端输入电压(VIN- 和 VIN+)。令人惊讶的是,他们的输入“来源”(人体)没有接地;相反,它们连接到运算放大器输出。这是什么东西?!?啊哈......它们连接到一个“移动”的地面,这可能允许它们同时(共模)变化被抑制。

输入电压通过具有高输入阻抗的放大级(A1 和 A2)进行缓冲。通常,它们被实现为两个成对的非反相放大器(图 1),但就共模信号而言,它们充当电压跟随器这就是为什么我没有在输入放大器的输出之间画出三个电阻网络(输入部分是一个经典的仪表放大器),因为它只对差模很重要。

但是跟随器输出之间的 2 电阻电路有什么作用呢?我意识到运算放大器反相加法器是在 Rf 和 A​​3 的帮助下构建的,目的是产生共模电压。

手术。想象一下,最初两个输入电压都为零。所以运算放大器的输出电压 VREF(右腿)也为零。

如果两个输入电压都试图增加(由于一些共模噪声电压高于真正的“不动”地),运算放大器会在其反相输入端感应到这种变化,并开始将其输出电压降低到零以下,直到其值等于共模噪声电压。而且由于输入电压“源”不是连接到实际而是连接到“可移动”地,因此它们的电压会随着噪声电压而下降。形象地说,运放输出以共模电压的幅度“拉低”输入电压(运放输出从共模电压中减去等效电压)。结果,相对于实际接地,即使输入电压以差分方式变化,共模信号也将(几乎)为零。

因此,就共模而言,奇怪的 RDL 电路可以被认为是一个运算放大器的反相加法器,其输入源“接地”到其输出而不是真正的接地由于这种“可动接地”,共模信号被抑制。

如果我们将输入电压和电阻器合二为一,我们可以将这种布置视为增益为 200 的反相放大器,其输出由 VIN 反馈 - 图 3:

DRL电路作为反相放大器

图 3. DRL 电路呈现为反相放大器

我们可以在这里看到两个负反馈 -本地(由 Rf、R1 和 R2 实现)用于使运算放大器加法器和全局(由 VCM)补偿共模电压。后者还有另一个重要功能——补偿人体与参考电极之间的接触电阻上的电压降。这个魔法是如何工作的?

这个不需要的电阻被放入负反馈环路,运算放大器在这种干扰之后(在其反相输入端)观察电压......并将其保持在几乎为零。为此,它会进一步降低其输出电压,从而补偿不希望的接触电阻......就像在任何具有电压型负电阻的运算放大器电路中一样。

我附上了用铅笔和橡皮画出的电路图,以更真实地说明导致我做出这种解释的想法过程。当然,我可以漂亮地勾勒出它们的轮廓……但是它们的信息量会变得更少……