Electromedicina e Instrumentación Biomédica

Unidad 3.

Bioamplificadores y Procesamiento de Señales

Contenido3.1 Componentes electrónicas y Análisis

de Circuitos.

3.2 Amplificadores

3.3 Filtros

3.4 Conversión Análogo-Digital y Digital-Analógica.

3.5 Procesamiento Digital de Señales

Objetivos

• Describir los principales circuitos que se emplean en los equipos médicos.

• Seleccionar los amplificadores y filtros apropiados para un tipo de aplicación.

• Definir los conceptos relacionados con los procesos de conversión AD y DA

• Explicar los procedimientos comunes para el Procesamiento de Señales en Biomedicina.

Métodos para mejorar la relación señal / ruido

• Amplificadores operacionales:– características específicas del amplificador, – impedancia de entrada y salida, – análisis circuital de configuraciones simples más

comunes, – cálculo de la ganancia.

• Conexión a transductores • Amplificadores operacionales y amplificadores

de instrumentación: características de estos últimos.

• Ejemplos de su utilización conectándolos a puentes de Wheatstone.

Circuito equivalente del Amplificador Operacional

Las entradas son 1 y 2. El voltaje diferencial entre ellas provoca un flujo de corriente a través de la resistencia diferencial Rd. El voltaje diferencial se multiplica por A, la ganancia del amplificador operacional para generar el voltaje de salida. Cualquier corriente fluyendo hacia el terminal de salida vo debe pasar a través de la resistencia de salida Ro.

Símbolo del Amplificador Operacional

El voltaje en v1, la entrada inversora, se amplifica para brindar la salida o. El voltaje en 2, la entrada no inversora, se amplifica para brindar una salida en fase en o.

Resistencia de Entrada / Salida

• Idealmente se necesita que posea una resistencia de entrada muy alta en relación a la resistencia de salida de la fuente de alimentación

• Sin embargo, la resistencia del AOP debe ser muy baja (idealmente nula)

• Por su parte, se requiere que la resistencia de salida sea la mínima. Idealmente cero.

Amplificador de Instrumentación(a) El lado derecho

muestra un operacional diferencial, pero que tiene baja impedancia de entrada. El lado izquierdo muestra como dos operacionales adicionales pueden suministrar alta impedancia y ganancia de entrada.

(b) Para el operacional actuando como diferencial, una manera simple de visualizar sus características de salida es mediante dos palancas con longitud de brazos proporcionales a los valores de las resistencias.

Amplificador diferencial

R 2

vo

R 1

R 1

R 2

A-

+-

+

R s

R s

v d / 2

v d / 2

-

+

-

+

-

+

v c

Amplificador diferencial conectado a un voltaje de modo común que contiene impedancias variables. Incluir buffers asegura que las fluctuaciones en Rs no afectan la ganancia.

Ganancia• Se requiere que la ganancia de tensión sea

la mayor posible. Idealmente debe ser Infinita

• La unidad de medida de la relación de ganancia de un amplificador se calcula como:

G = 20 * log (VO/ VI) donde G se expresa en decibeles

VI es el voltaje de entrada

y VO es el voltaje de salida

Décadas y Octavas• Décadas

f2 = 10 * f1

que se generaliza entonces como

f2 = 10n * f1

• Octavas

f2 = 2 * f1

que se generaliza entonces

f2 = 2n * f1

Relación Ganancia / Frecuencia

En la práctica, la frecuencia de la señal de entrada influye en la ganancia que se puede obtener con un AOP, dado por los elementos que integran su circuitería

Ganancia típica - operacional de lazo abierto

Gai

n

F requency (H z)

100 104102 1061

10 C ircu it ga in o f 10

C ircu it bandw id thIdealga in

Typ ica l openloop ga in

La ganancia de lazo abierto del operacional típico es mucho mayor, pero menos constante que la ganancia del circuito.Sin embargo, el lazo abierto tiene menor ancho de banda que el circuito.

Fuentes de ruido

R1

in

in +

- +

- +

-

1

n

d

o

Ad

2R2

La fuente de ruido en el voltaje vn está en serie con la entrada y no puede eliminarse. El ruido añadido por las fuentes actuales de ruido a la entrada puede minimizarse empleando resistencias externas pequeñas.

Sensibilidad a temperatura “DRIFT”

• Las variaciones térmicas pueden provocar alteraciones acentuadas en las características del AOP. Se desea que estas variaciones de corriente o de tensión sean mínimas. Idealmente cero.– La variación de corriente se representa como

I / T, y su valor se expresa en nA / °C– La de tensión por V / T, y su valor se

expresa en V / °C

Relación entre impedancias

+

-

Rdii

Ro

RL CL

ioAd

d

o

i

+

-

La impedancia de entrada del amplificador es mucho mayor que la impedancia de entrada del operacional Rd.

La impedancia de salida del amplificador es mucho menor que la impedancia de salida del operacional Ro.

Filtros

• Circuitos que permiten seleccionar el rango frecuencias que se desea amplificar en la señal.

• Existen cuatro tipos principalmente:– Pasa bajo– Pasa alto– Pasa banda– Rechazo de banda (“Notch”)

Filtro Pasa Bajo

• Permite que pasen las frecuencias por debajo de una determinada frecuencia de corte fc

T(f)

ffc

1.0

0 .1

0 .011 10010

Dos circuitos para realizar un filtrado pasa bajo pasivo:

Circuito RC Circuito RL R

vo

+-

v i C

+

-

R vov i

L

+

-

+

-

c1

1

1

1

/1

/1)(

jRCjCjR

CjT

+

+

+

RC

1c

cjLjR

RT

+

+

1

1)(

L

Rc

Filtro Pasa Alto

• Permite pasar sólo las frecuencias con valores por encima de una determinada frecuencia de corte fc

T(f)

ffc

1.0

0 .1

0 .011 10010

Dos circuitos para realizar un filtrado pasa alto pasivo:

Circuito RC Circuito RL

R vov i

C

+-

+

-

R

vov i L

+

-

+

-

c1

1)(

ωjT

+ RL

L

R circuito el para c

RCRC

circuito el para 1

c

Filtro Pasa Banda

• Permite que pasen sólo las frecuencias comprendidas en el rango entre f1 y f2

T(f)

ff2f1

1 .0

0 .1

0 .011 10010

Circuito para filtrado pasa banda

• Puede obtenerse como la combinación de un filtrado pasa bajo para la frecuencia de corte máxima 2 y un filtrado pasa alto para la frecuencia de corte mínima 1:

Low -pass filte rco rner frequency

2

H igh-pass filte rco rner frequency

1

Inpu t s igna l O u tpu t

Filtro “Notch”

• NO permite que pasen las frecuencias en el rango entre f1 y f2

T(f)

ff1 f2

1 .0

0 .1

0 .011 10010

Filtros activosIncluyen un AOP:

a) PasaBajo

b) PasaAlto

c) PasaBanda+

-i o

Ci

+

-Rii o

+

-Ri

Rf

Cf

i

o

Rf

Cf

RfCi Ri

Algunos AOP comerciales• Alta ganancia:

741 ( ó 351, ó 3140, ó...), 121, 321, etc.

• 4 en pastilla (Cúadruples): 124, 324, 2902, etc.