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 in in + – + – + – u1 un ud uo Aud u2 R2 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 + – Rd ii Ro RL CL io Aud ud uo
ui + – 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 + –
ui uo Ci + – Ri ui uo + – Ri Rf Cf ui uo Rf Cf Rf Ci Ri
Algunos AOP comerciales Alta ganancia: 741 ( ó 351,
ó 3140, ó…), 121, 321, etc. 4 en pastilla
(Cúadruples): 124, 324, 2902, etc.