Cosa fa questo circuito op-amp? (parte di un elettrocardiogramma)

Vorrei creare un circuito ECG basato su questo schema (dal foglio dati AD620AN):

Non conosco questa parte del circuito e come funziona. So che questo è chiamato un circuito guidato dalla gamba destra che sta riducendo l'effetto del rumore. Ma non so esattamente come funziona il feedback negativo in questo caso. Qualcuno può aiutarmi?

Il driver della gamba destra tenta di pilotare la tensione media del corpo per eliminare il rumore. La gamba destra viene scelta perché è lontana dal cuore, quindi qualsiasi segnale iniettato lì sarà la modalità comune a due elettrodi vicino al cuore.

L'azionamento della gamba destra è molto più strettamente accoppiato al corpo del rumore ambientale che raccoglie dall'accoppiamento capacitivo a cose come l'alimentazione CA nella stanza.

La rete nel percorso di feedback dell'opamp del driver della gamba destra fornisce un filtro passa-basso del segnale.

Questo circuito, e la sua necessità, ha molto più senso se si considerano alcune cose che non sono rappresentate. Innanzitutto, ricorda che è necessario stabilire una sorta di tensione di riferimento sul corpo, in modo che la tensione sugli elettrodi di misura abbia un riferimento rispetto al circuito.

Immagina che questo riferimento sia stabilito da un elettrodo della gamba destra collegato direttamente alla terra del circuito. Se una connessione a impedenza zero al corpo potesse essere realizzata in questo modo, avremmo fatto e non ci sarebbe bisogno di una connessione della gamba guidata.

In effetti, la connessione tra l'elettrodo di riferimento e il circuito può essere kiloohms o decine di chiloohms. Ora, a causa delle tensioni di modo comune che corrono sul corpo e del fatto che l'elettrodo di riferimento è collegato a terra con impedenze elevate, ci sono correnti vaganti. (Questo è meno un problema per gli elettrodi di segnale, che vanno a impedenze di ingresso molto elevate, rispetto alla terra).

Quello che fa il circuito Driven Leg è usare tecniche di feedback per misurare la tensione di modo comune e reinserirla attraverso l'elettrodo di riferimento. Ciò riduce efficacemente l'impedenza della connessione sull'elettrodo di riferimento di un fattore del guadagno del feedback.

Allego Fig 1 di Winter, Bruce B. e John G. Webster. "Design del circuito della gamba destra guidata." Transazioni IEEE su Biomedical Engineering 1 (1983): 62-66., Che mostrano le impedenze degli elettrodi assorbite, ma consiglio vivamente di leggere il documento se è possibile ottenerlo, poiché mostra una chiara derivazione della riduzione effettiva dell'impedenza.

Ho visto questa strana soluzione di circuito per la prima volta ieri e ha immediatamente attirato la mia attenzione. Ovviamente c'era qualche idea intelligente di sopprimere i segnali in modalità comune. Com'era?

Per afferrare l'idea fondamentale, ho prima rimosso tutti i dettagli minori che ostacolavano la comprensione e ho iniziato a provare a vedere i circuiti e i principi familiari. Ho semplificato e delineato lo schema circuitale e mi sono concentrato sulla parte con l'amplificatore operazionale AD705 (А3):

Struttura. Ho visto due tensioni di ingresso single-ended (VIN- e VIN +) tra gli elettrodi di segnale e l'elettrodo di riferimento. Sorprendentemente le loro "fonti" di input non erano messe a terra ... ma collegate all'uscita dell'amplificatore operazionale. Che diavolo era quello?!? Aha ... erano collegati a una terra "in movimento", che probabilmente ha permesso di sopprimere le loro variazioni simultanee (modalità comune).

Le tensioni di ingresso sono state bufferizzate da stadi di amplificazione (A1 e A2) con elevata impedenza di ingresso. Per quanto riguarda i segnali di modo comune, questi stadi hanno agito da follower di tensione . Ecco perché non ho disegnato la rete di tre resistori tra le uscite degli amplificatori di ingresso perché era importante solo per la modalità differenziale.

Ma a cosa serviva il circuito a 2 resistori tra le uscite follower? Mi sono reso conto che un'estate di inversione dell'amplificatore operazionale è stata costruita con l'aiuto di Rf e A3.

Operazione. Immagina che inizialmente entrambe le tensioni di ingresso siano zero. Quindi anche la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale VREF (della gamba destra) è zero.

Se entrambe le tensioni di ingresso tentano di aumentare (a causa di una tensione di rumore di modo comune sopra la terra reale "immobile"), la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale diminuisce (approssimativamente) con la tensione di rumore sotto la terra reale. E poiché le "fonti" di tensione di ingresso sono collegate non alla terra reale ma a quella "mobile", le loro tensioni si abbassano con la tensione di rumore. In senso figurato, l'uscita dell'amplificatore operazionale "abbassa" le tensioni di ingresso con l'ampiezza della tensione di modo comune (l'uscita dell'amplificatore operazionale sottrae la tensione equivalente dalla tensione di modo comune). Di conseguenza, rispetto al terreno reale, il segnale in modalità comune sarà (quasi) zero.

Quindi, rispetto alla modalità comune, si può pensare allo strano circuito RDL come a un'estate di inversione dell'amplificatore operazionale con sorgenti di ingresso "messe a terra" sulla sua uscita invece della vera terra . A causa di questa "terra mobile", i segnali di modo comune vengono soppressi.

Se combiniamo entrambe le tensioni di ingresso e le resistenze in una, possiamo pensare a questa disposizione come a un amplificatore invertente con guadagno di 200, la cui uscita è retrocessa da VIN ... cioè, ci sono due feedback negativi - local (implementato da Rf, R1 e R2) e globale (di VCM).

Ieri ho allegato gli schemi elettrici originali disegnati con matita e gomma per illustrare più realisticamente il corso dei miei pensieri che mi ha portato a questa spiegazione. Certo, posso delinearli magnificamente ... ma così diventeranno meno istruttivi ...