Electromedicina e Instrumentaci

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Electromedicina e Instrumentación Biomédica

• Unidad 3.
• Bioamplificadores y Procesamiento de Señales

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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

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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.

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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.

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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.
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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.
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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.

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Amplificador de Instrumentación

1. 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.
2. 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.

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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.
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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

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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

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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

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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.
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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.
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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

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Relación entre impedancias
-
Ro
uo
Rd
ud
ii

io
Aud
-
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.

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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)

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Filtro Pasa Bajo

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

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Dos circuitos para realizar un filtrado pasa bajo
pasivo

• Circuito RC Circuito RL

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Filtro Pasa Alto

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

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Dos circuitos para realizar un filtrado pasa alto
pasivo

• Circuito RC Circuito RL

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Filtro Pasa Banda

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

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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

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Filtro Notch

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

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Filtros activos

• Incluyen un AOP
• PasaBajo
• PasaAlto
• PasaBanda

Cf
Rf
Ri
-
ui
uo

Rf
Ci
Ri
-
ui
uo

Cf
Rf
Ci
Ri
-
ui
uo

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Algunos AOP comerciales

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