Was macht diese Operationsverstärkerschaltung? (Teil eines EKG)

Ich möchte eine EKG-Schaltung basierend auf diesem Schema erstellen (aus dem AD620AN-Datenblatt):

Ich kenne diesen Teil der Strecke nicht und weiß nicht, wie es funktioniert. Ich weiß, dass dies eine rechtsbeingetriebene Schaltung genannt wird, die den Effekt des Rauschens verringert. Aber ich weiß nicht genau, wie negatives Feedback in diesem Fall funktioniert. Kann mir jemand helfen?

Der Fahrer des rechten Beins versucht, die durchschnittliche Körperspannung anzutreiben, um Geräusche zu unterdrücken. Das rechte Bein wird gewählt, weil es weit vom Herzen entfernt ist, sodass jedes dort eingespeiste Signal zwei Elektroden in der Nähe des Herzens im Gleichtakt zugeführt wird.

Der Antrieb des rechten Beins ist viel enger an den Körper gekoppelt als Umgebungsgeräusche, die von der kapazitiven Kopplung an Dinge wie die Wechselstromversorgung im Raum aufgenommen werden.

Das Netzwerk im Rückkopplungspfad des Opamp des rechten Beintreibers bietet eine gewisse Tiefpassfilterung des Signals.

Diese Schaltung und die Notwendigkeit dafür sind viel sinnvoller, wenn Sie einige Dinge betrachten, die nicht dargestellt sind. Denken Sie zunächst daran, dass es notwendig ist, eine Referenzspannung am Körper herzustellen, damit die Spannung an den Messelektroden einen Bezug zur Schaltung hat.

Stellen Sie sich vor, diese Referenz wird durch eine Elektrode am rechten Bein hergestellt, die direkt mit der Schaltungsmasse verbunden ist. Wenn eine Nullimpedanzverbindung zum Körper auf diese Weise hergestellt werden könnte, wären wir fertig, und es wäre keine angetriebene Beinverbindung erforderlich.

Tatsächlich kann die Verbindung zwischen der Referenzelektrode und der Schaltung Kiloohm oder einige zehn Kiloohm betragen. Aufgrund der am Körper anliegenden Gleichtaktspannungen und der Tatsache, dass die Referenzelektrode über hohe Impedanzen mit Masse verbunden ist, treten Streuströme auf. (Dies ist bei den Signalelektroden, die im Gegensatz zu Masse sehr hohe Eingangsimpedanzen aufweisen, weniger problematisch.)

Die Driven Leg-Schaltung verwendet Rückkopplungstechniken, um die Gleichtaktspannung zu messen und über die Referenzelektrode zurückzuführen. Dies reduziert effektiv die Impedanz der Verbindung an der Referenzelektrode um einen Faktor der Verstärkung der Rückkopplung.

Ich füge Abb. 1 von Winter, Bruce B. und John G. Webster bei. "Driven-Right-Leg-Schaltungsdesign." IEEE Transactions on Biomedical Engineering 1 (1983): 62-66., Die eingezogene Elektrodenimpedanzen zeigen, aber ich empfehle dringend, das Papier zu lesen, wenn Sie es bekommen können, da es eine sehr klare Ableitung der effektiven Impedanzreduzierung zeigt.

Ich habe diese seltsame Schaltungslösung gestern zum ersten Mal gesehen und sie hat sofort meine Aufmerksamkeit erregt. Offensichtlich gab es eine clevere Idee, Gleichtaktsignale zu unterdrücken. Wie war es?

Um die Grundidee zu verstehen, entfernte ich zunächst alle kleinen Details, die das Verständnis behinderten, und versuchte, vertraute Schaltungsbausteine ​​und -prinzipien zu erkennen. Ich habe den Schaltplan vereinfacht und skizziert und mich mit dem Operationsverstärker AD705 (А3) auf das Teil konzentriert:

Struktur. Ich habe zwei Single-Ended-Eingangsspannungen (VIN- und VIN +) zwischen den Signalelektroden und der Referenzelektrode gesehen. Überraschenderweise waren ihre Eingangs- "Quellen" nicht geerdet ... sondern mit dem Operationsverstärkerausgang verbunden. Was zur Hölle war das?!? Aha ... sie waren mit einem "sich bewegenden" Boden verbunden, wodurch wahrscheinlich ihre gleichzeitigen (Gleichtakt-) Variationen unterdrückt werden konnten.

Die Eingangsspannungen wurden durch Verstärkungsstufen (A1 und A2) mit hoher Eingangsimpedanz gepuffert. In Bezug auf die Gleichtaktsignale fungierten diese Stufen als Spannungsfolger . Deshalb habe ich das Netzwerk von drei Widerständen nicht zwischen die Ausgänge der Eingangsverstärker gezogen, weil es nur für den Differenzmodus wichtig war.

Aber wozu diente die 2-Widerstands-Schaltung zwischen den Folgerausgängen? Ich erkannte, dass mit Hilfe von Rf und A3 ein Sommer mit invertierendem Operationsverstärker gebaut wurde.

Operation. Stellen Sie sich vor, dass anfangs beide Eingangsspannungen Null sind. Die Ausgangsspannung VREF des Operationsverstärkers (des rechten Beins) ist also ebenfalls Null.

Wenn beide Eingangsspannungen zu erhöhen versuchen (aufgrund einer Gleichtakt-Rauschspannung über der realen "unbeweglichen" Masse), nimmt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (ungefähr) mit der Rauschspannung unter der realen Masse ab. Und da die Eingangsspannungsquellen nicht mit realer, sondern mit "beweglicher" Masse verbunden sind, bewegen sich ihre Spannungen mit der Rauschspannung nach unten. Im übertragenen Sinne "zieht" der Operationsverstärkerausgang die Eingangsspannungen mit der Größe der Gleichtaktspannung herunter (der Operationsverstärkerausgang subtrahiert die äquivalente Spannung von der Gleichtaktspannung). Infolgedessen ist das Gleichtaktsignal in Bezug auf die reale Masse (fast) Null.

In Bezug auf den Gleichtakt kann die seltsame RDL-Schaltung als ein invertierender Sommer eines Operationsverstärkers betrachtet werden, dessen Eingangsquellen an ihrem Ausgang "geerdet" sind, anstatt an der wahren Masse . Aufgrund dieser "beweglichen Masse" werden die Gleichtaktsignale unterdrückt.

Wenn wir sowohl Eingangsspannungen als auch Widerstände in einem kombinieren, können wir uns diese Anordnung als einen invertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von 200 vorstellen , dessen Ausgang von VIN zurückgemeldet wird ... dh es gibt zwei negative Rückkopplungen - lokal (implementiert von Rf, R1 und R2) und global (per VCM).

Ich habe gestern die mit Bleistift und Gummi skizzierten Originalschaltpläne beigefügt, um den Verlauf meiner Gedanken, die mich zu dieser Erklärung geführt haben, realistischer darzustellen. Natürlich kann ich sie wunderschön skizzieren ... aber so werden sie weniger informativ ...