Electromedicina e Instrumentación Biomédica Unidad 3. Bioamplificadores y Procesamiento de Señales

Contenido 3.1 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 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. 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 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 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 u1 - + un in - Aud uo ud - + in + R2 u2 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 - Ro uo ii Rd ud + Aud io ui - + RL CL 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

Dos circuitos para realizar un filtrado pasa bajo pasivo: Circuito RC Circuito RL

Filtro Pasa Alto Permite pasar sólo las frecuencias con valores por encima de una determinada frecuencia de corte fc

Dos circuitos para realizar un filtrado pasa alto pasivo: Circuito RC Circuito RL

Filtro Pasa Banda Permite que pasen sólo las frecuencias comprendidas en el rango entre f1 y f2

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:

Filtro “Notch” NO permite que pasen las frecuencias en el rango entre f1 y f2

Filtros activos Incluyen un AOP: PasaBajo PasaAlto PasaBanda Cf Rf Ri ui - uo + Ci Rf Ri - ui uo + Cf Ci Rf Ri - ui uo +

Algunos AOP comerciales Alta ganancia: 741 ( ó 351, ó 3140, ó...), 121, 321, etc. 4 en pastilla (Cúadruples): 124, 324, 2902, etc.