UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
UNIDAD DE POST GRADO
INSTRUMENTACION BIOMEDICA
SAD y AI
AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACION
Teófilo M. Huablocho Pérez AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO
[email protected] [email protected]
Instrumentación Electrónica Parte de la Electrónica que tiene como objetivo la observación y medida del universo físico (sea de tipo eléctrico o no) empleando herramientas (instrumentos y equipos) electrónicos.
Medida Proceso empírico y objetivo de asignación de números números a las propiedades de los objetos o acontecimientos del mundo real, de forma que sirva para describirlos.
Empírico
Está basado en la experimentación
Objetivo
No depende observador
del
Sistema de Medida Un sistema es un conjunto de elementos o partes simples relacionadas entre sí con una función o acción determinadas. En el caso de los sistemas de medida esta función es medir.
DIAGRAMA DE BLOQUES GENERAL DE UN SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS SEÑAL DIGITALIZADA
SEÑAL ACTUADORA
FENOMENO FISICO TRANS DUC TOR
SAMPLE
AMP
FILTRO
MUX
AMP
& HOLD
A/D
Uc
D/A
SEÑAL A ADQUIRIR SEÑAL ANALOGICA
SEÑAL PROCESADA
SISTEMA HOMBRE - INSTRUMENTO REALIMENTACION DE CONTROL
ESTIMULO
TRANSDUCTOR
TRANSDUCTOR
EQUIPO DE TRATAMIENTO DE SEÑALES
PRESENTACION
TRANSDUCTOR
REGISTRO, PROCESO Y TRANSMISION DE DATOS
EJEMPLOS DE SAD EN INSTRUMENTACION BIOMEDICA
www.ecri.org
Captación de señales EEG mediante Electrodos
www.ecri.org
MONITOR MULTIPARAMETROS
CONFIGURACIONES TIPICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ( OP – AMP)
i
i
Ri
Rf
-
A v
v
o
+
i
a
AMPLIFICADOR NO INVERSOR: Depende de relacion de 2 Resistencias.
Ejemplo: Para obtener una Ganancia de +4, en la configuracion, en el diseño se asigna los valores Rf = 3K, Ri = 1K, siendo la señal de la fuente de entrada Vs = 1V y su resistencia de trabajo Rs=150 . Influira Rs en la ganancia ?
Rf
Ri
-
A
Rs v i v s= 1 V
+
v
o
La Ganancia del amplificador No-inversor en condiciones ideales estara dada por la ecuacion:
Vo/ Vi = Ad = ( 1 + Rf/Ri ), Reemplazando los valores de 3k y 1k en la ecuacion la ganancia ideal seria Ad = 4.
CONCLUSION: La Resistencia de trabajo de la fuente Rs esta conectada a V+, donde NO INFLUYE en el calculo de la ganancia de + 4 del Op-Amp No inversor.
Rf
i i v
-
i
A
Ri
v
o
+
Ley de Ohm:
AMPLIFICADOR INVERSOR : La ganancia del circuito depende de la relacion de 2 resistencias.
Ejemplo: Si necesitamos un amplificador con ganancia - 4, se propone un Op-Amp que invierte con Rf = 4k, Ri = 1K, teniendo una señal de entrada Vi=1V. La Resistencia de trabajo de la fuente de señal R s = 150 . influira en la ganancia?
Rf
Rs
v i -
A
Ri v s= 1 V
+
v
o
La Ganancia del amplificador inversor en condiciones ideales estará dada por la ecuación:
Vo / Vi = Ad = - (Rf /Ri), Reemplazando los valores de 4k y 1k en la ecuación la ganancia ideal seria
Ad = - 4.
Sin embargo la Resistencia de trabajo de la fuente Rs esta en serie con Ri, la ecuación cambiaria y seria la siguiente:
Vo / Vi
=
Ad = - (Rf / Ri + Rs).
Ejemplo: Si necesitamos un amplificador con ganancia - 4, se propone un Op-Amp que invierte con Rf = 4k, Ri = 1K, teniendo una señal de entrada Vi=1V. La Resistencia de trabajo de la fuente de señal R s = 150 . influira en la ganancia?
Rf
Rs
v i -
A
Ri v s= 1 V
+
v
o
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
R1
R2
v
1
v
-
3
R1 v
A
v
3
v
o
+
2
R2
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL: Usando 2 entradas activas y una coneccion comun.
R4 = 1 k
I
R5 =1.5 k
4 V v
-
3
R1 = 1 k
3
8 V R2 = 500
A
v
+
R3 = 1 k
Ejemplo de un Amplificador Diferencial
v
o
_
+
v c
+
+
A
+ _ _
R 2
R s
v /2 d
v /2 d
R 1
-
+
R 1
R s
+ R 2
Se agrega 2 Op-Amp Buffer para que Rs de la fuente de señal no afecte a la ganancia del amplificador diferencial
v o
APLICACIÓN PRACTICA DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Señales de entrada
Vd
Vc
ECG
. RUIDO 60 Hz
Ejemplo:
Señal ECG
V1 V1
V2
Vo = Ad {(0.5Vd + Vc) – (-O.5Vd + Vc)}
Vo = Ad*Vd
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION DE 3 OP AMP
Características: - Amplificador diferencial de alta precisión - Impedancia de entrada (Zi), - Ganancia de tensión (Av) y - Relación de rechazo en modo común (CMRR) altas. Se utiliza para amplificar señales de diferencia pequeña, producidas por transductores, en los que puede haber una señal de modo común o nivel DC grande.
V2
+ -
A
R3
A2
R4
R2
-
R1
I
+
R2
V1
+
R3 A1 B
R4'
A3
Vo
FORMULAS DE GANANCIA DIFERENCIAL Y DE MODO COMUN DEL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION
1.- Segunda etapa diferencial la ganancia esta dada por la relación: R 4/R 3 2.- Primera etapa del circuito sigue la relación de resistencias: 1 + 2R2/R1 3.- En cascada Ad = A1*A2 La ganancia diferencial total queda como:
Ad = R 4/R 3 ( 1 + 2R 2/R 1)
Calcular Ganancia Diferencial del A.I. de 3 OP AMP
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION INTEGRADO
Estos dispositivos integrados eliminan los desbalances propios de las Resistencias que forman parte del circuito amplif amplificado icadorr. La Ganancia de cada AI es propio del Dispositivo y esta especificado en su Hoja de Datos.
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION INA 114
PROBLEMA :A una señal biológica iónica un transductor la transforma a un nivel nominal de 0.03 voltios, para poder usar esta señal necesita ser amplificada hasta 1 voltio, utilizando el amplificador de instrumentación INA114 diseñe el circuito que cumpla estos requisitos.
RESPUESTA: Para poder amplificar hasta 1 voltio la señal de entrada debe ser multiplicada por la ganancia del circuito: G = 1/0.03 = 33.34 Formula de Ganancia del INA: 33.34 = 1 + (50,000/Rg)
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION INA 3264
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION AD620
AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACION AISLADOS
Amplificador de instrumentación de aislamiento Definición: Son amplificadores de instrumentación que proporcionan un elevado aislamiento entre la entrada , salida y tierra (masa). El aislamiento puede ser :magnético u óptico.
V1 Etapa de salida
Etapa de entrada Etapa de alimentación
V2 Vref Aplicación: - Campo industrial. - Instrumentación de precisión. - Instrumentación Biomédica.
-
Vcc+ Vcc
Vo
Aislamiento por Transformador
Tiene una etapa moduladora, el Transformador que realiza el aislamiento galvánico entre la entrada y la salida y la etapa demoduladora para recuperar la señal en la etapa posterior.
DIAGRAMA ESQUEMATICO DE AMPLIFICADORES DE SEÑALES BIOMEDICAS y FUENTES DE RUIDO
Barea U. Alcalá
Cualquier sistema de acondicionamiento de biopotenciales se va a ajustar a un mismo diagrama de bloques, como el mostrado en la figura siguiente:
Acople Capacitivo con Paciente
www.ti.com
Acoplamiento capacitivo con el paciente Produce el efecto más importante de todos los ruidos y condiciona totalmente el diseño del amplificador. Se forman de esta manera dos condensadores cuyas armaduras son el sujeto y los conductores vivos y de tierra respectivamente, asumiendo el aire el papel de dieléctrico. En este modelo se ha despreciado la impedancia del cuerpo humano por que la resistencia que presentan los tejidos internos es muy baja.
Los condensadores formados no son en absoluto despreciables, dependiendo de la situación del paciente. 1.-Para un paciente bien aislado, echado en una cama con toma de tierra, se podrían aceptar los siguientes valores (mediciones estimadas):
Cr = 2 pF. / Cm = 520 pF. 2.-Para el caso de un paciente echado en una cama sin toma de tierra y tocando la barandilla, estos valores se elevan a (mediciones estimadas para diseño):
Cr = 200 pF. / Cm = 3300 pF.
Se forma un divisor de tensión que hace que el paciente se encuentre a una tensión con respecto a tierra de un valor aproximado de:
Las medidas del EkG y EEG sobre la piel son aproximadamente de 1 mV y 10 V , queda claro la importancia de esta señal de interferencia. Es el ruido que más enmascara la señal y condiciona el diseño de los amplificadores Bioeléctricos.
ACOPLE CAPACITIVO EN ADQUISICION DE EKG USANDO AI
Solución al acople capacitivo a través de los cables y del cuerpo. Obtener la tensión de modo común y aplicarla a través de un Buffer a la Pantalla.
i d
3
+
R a
R a
+
R f
4
cm
RL
op amp R RL
R o
Auxiliary +
El circuito del electrodo de la pierna-derecha es para minimizar la interferencia del modo común. Este circuito deriva el voltaje de modo-común obtenido de las resistencias conectadas a V3 y V4. La pierna derecha no se conecta con tierra, se conecta a la salida amplificada del Op Amp auxiliar
