Apa yang dilakukan rangkaian op-amp ini? (bagian dari EKG)

Saya ingin membuat sirkuit ECG berdasarkan skema ini (dari datasheet AD620AN):

Saya tidak tahu bagian sirkuit ini dan cara kerjanya. Saya tahu ini disebut sirkuit yang digerakkan kaki kanan yang mengurangi efek kebisingan. Tetapi saya tidak tahu persis bagaimana umpan balik negatif bekerja dalam kasus ini. Adakah yang bisa membantu saya?

Pengemudi kaki kanan mencoba untuk menggerakkan tegangan rata-rata tubuh untuk membatalkan kebisingan. Kaki kanan dipilih karena jauh dari jantung, sehingga setiap sinyal yang disuntikkan akan ada mode umum untuk dua elektroda di dekat jantung.

Penggerak kaki kanan jauh lebih erat dengan bodi daripada kebisingan sekitar yang diambilnya dari kopling kapasitif hingga hal-hal seperti daya AC di ruangan.

Jaringan di jalur umpan balik dari opamp driver kaki kanan memberikan beberapa penyaringan low pass dari sinyal.

Sirkuit ini, dan kebutuhan untuk itu, jauh lebih masuk akal ketika Anda mempertimbangkan beberapa hal yang tidak digambarkan. Pertama, ingatlah bahwa perlu untuk membuat semacam tegangan referensi pada tubuh, sehingga tegangan pada elektroda pengukuran memiliki beberapa referensi sehubungan dengan rangkaian.

Bayangkan referensi ini dibuat oleh elektroda Kaki Kanan yang terhubung langsung ke sirkuit ground. Jika koneksi zero-impedance ke bodi dapat dibuat seperti ini, kita akan selesai, dan tidak perlu koneksi leg yang digerakkan.

Bahkan, hubungan antara elektroda referensi dan rangkaian dapat berupa kiloohm, atau puluhan kiloohm. Sekarang, karena voltase mode-umum mengendarai bodi, dan fakta bahwa elektroda referensi terhubung melalui impedansi highish ke ground, ada arus yang menyimpang. (Ini kurang masalah pada elektroda sinyal, yang masuk ke impedansi input yang sangat tinggi, sebagai lawan ke ground).

Apa yang dilakukan sirkuit Driven Leg adalah menggunakan teknik umpan balik untuk mengukur tegangan mode umum, dan memasukkannya kembali melalui elektroda referensi. Ini secara efektif mengurangi impedansi sambungan pada elektroda referensi dengan faktor perolehan umpan balik.

Saya melampirkan Gambar 1 dari Winter, Bruce B., dan John G. Webster. "Desain sirkuit berpenggerak kaki kanan." Transaksi IEEE pada Biomedical Engineering 1 (1983): 62-66., Yang menunjukkan impedans elektroda yang ditarik, tetapi saya sangat merekomendasikan membaca makalah jika Anda bisa mendapatkannya, karena ini menunjukkan derivasi yang sangat jelas dari pengurangan efektif impedansi.

Saya melihat solusi sirkuit aneh ini untuk pertama kalinya kemarin dan segera menarik perhatian saya. Jelas ada beberapa ide pintar untuk menekan sinyal mode umum. Apa rasanya?

Untuk memahami ide fundamental, saya pertama-tama menghapus semua detail kecil yang menghambat pemahaman dan mulai mencoba melihat blok dan prinsip-prinsip pembangun sirkuit yang akrab. Saya menyederhanakan dan membuat sketsa diagram sirkuit dan fokus di sekitar bagian dengan AD705 op-amp (А3):

Struktur. Saya melihat dua tegangan input ujung tunggal (VIN- dan VIN +) antara elektroda sinyal dan elektroda referensi. Anehnya input "sumber" mereka tidak di-ground ... tetapi terhubung ke output op-amp. Apa itu tadi?!? Ya ... mereka terhubung ke tanah "bergerak", yang mungkin memungkinkan variasi simultan (mode umum) untuk ditekan.

Tegangan input disangga oleh tahap penguatan (A1 dan A2) dengan impedansi input tinggi. Sehubungan dengan sinyal mode-umum, tahapan ini bertindak sebagai pengikut tegangan . Itu sebabnya saya tidak menggambar jaringan tiga resistor antara output dari amplifier input karena itu penting hanya untuk mode diferensial.

Tapi apa yang melayani rangkaian 2-resistor antara output pengikut? Saya menyadari bahwa musim panas pembalik op-amp dibangun dengan bantuan Rf dan A3.

Operasi. Bayangkan bahwa pada awalnya kedua tegangan input adalah nol. Jadi tegangan keluaran op-amp VREF (dari kaki kanan) juga nol.

Jika kedua voltase input mencoba untuk meningkat (karena beberapa tegangan noise mode-umum di atas ground nyata "tidak bergerak"), tegangan output op-amp berkurang (kurang-lebih) dengan voltase noise di bawah ground sebenarnya. Dan karena "sumber" tegangan input terhubung bukan ke tanah nyata tetapi ke tanah "bergerak", tegangannya turun dengan tegangan derau. Secara kiasan, keluaran op-amp "menarik turun" tegangan input dengan besarnya tegangan mode-biasa (output op-amp mengurangi tegangan setara dari tegangan mode-biasa). Akibatnya, sehubungan dengan ground nyata, sinyal mode umum akan (hampir) nol.

Jadi, berkenaan dengan mode umum, rangkaian RDL yang aneh dapat dianggap sebagai musim panas op-amp pembalikan dengan sumber input "membumikan" ke outputnya alih-alih ground yang benar . Karena "tanah yang dapat dipindahkan" ini, sinyal mode umum ditekan.

Jika kita menggabungkan voltase input dan resistor dalam satu, kita dapat menganggap pengaturan ini sebagai penguat pembalik dengan gain 200, yang outputnya diumpankan oleh VIN ... yaitu, ada dua umpan balik negatif - lokal (diterapkan oleh Rf, R1 dan R2) dan global (oleh VCM).

Saya telah melampirkan diagram rangkaian asli yang dibuat sketsa dengan pensil dan karet kemarin untuk mengilustrasikan arah pemikiran saya yang lebih realistis yang mengarahkan saya pada penjelasan ini. Tentu saja, saya dapat menguraikannya dengan indah ... tetapi agar mereka menjadi kurang informatif ...