ECG 신호 필터링 앞에 입력 증폭기를 배치하는 이유는 무엇입니까?


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기사 에서는 eetimes.com의 ECG 측정을위한 신호 체인을 보여줍니다.

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

ECG의 미가공 신호는 실제 신호보다 적어도 크기가 큰 잡음 및 오프셋을 포함한다. (몇몇 mV ECG, 전력선 노이즈 및 전극 오프셋으로부터 수십 mV, 유방의 움직임으로 인해 최대 수백 mV 기준선이 방황합니다.)

이것은 원하지 않는 신호 성분의 증폭을 피하기 위해 증폭기 앞에서 신호의 필터링을 직관적으로 수행하게합니다 . 그러나이 기사에서는 입력 증폭기 이후 의 신호 필터링 , 두 번째 증폭기 이후에도 고주파 노이즈 제거를 수행합니다.

나는 그들이 왜 이런 일을하는지 생각할 수 없다. 유일하게 염두에 두어야 할 것은 신호 소스의 매우 높은 임피던스이지만, 주파수 범위는 분명히 통과 대역에 있기 때문에 필터링은 신호 소스에 영향을 미치지 않습니다.

신호 컨디셔닝을이 순서대로 수행해야하는 중요한 이유가 누락 되었습니까?


꽤 좋은 기사입니다.
Scott Seidman 19 :

답변:


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신호 컨디셔닝을이 순서대로 수행해야하는 중요한 이유가 누락 되었습니까?

네 당신은 ...

프런트 엔드 디퍼렌셜 앰프는 수십 dB의 공통 모드 제거 레벨을 갖도록, 아마도 80dB의 영역에서 선택됩니다.

이 diff amp는 차동 신호를 단일 종단 신호로 변환하며 모든 공통 모드 간섭은 크게 무시됩니다.

diff amp의 양쪽 레그에 필터를 설치하는 경우, 밸런스 불일치를 방지하려면 최소한 -80dB의 동등한 레벨에 일치하는 구성 요소 (콘덴서 및 저항)를 선택해야합니다.

1 % 커패시터는 잠재적으로 2 %의 값 차이가있는 것으로 간주 할 수 있으며 dB 단위로 -20 log (50) = -34dB로 간주 될 수 있습니다. 다시 말해, diff-amplifier 이전의 각 레그에서 필터를 사용하여 적절한 차동 공통 모드 성능을 얻을 수는 없습니다.


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CMRR의 감소에도 불구하고 차동 잡음이 증폭기 전에 필터링을 보장 할만큼 충분히 클 수 있습니까?
DavidG25

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일어날 수는 있지만 수백 mV보다 훨씬 큰 DM 구성 요소가 필요합니다 (100mV는 해당 앰프의 출력에서 ​​불과 반 볼트를 제공합니다). 일찍 증폭해야하는 또 다른 이유는 프런트 엔드에서 14dB의 게인을 적용하여 나머지 시스템 노이즈를 문제가 덜 발생시키기 때문입니다. 실제로는 현실이 지저분하고 diff amp 앞에 필터가있을 수 있지만 일반적으로 관심 범위를 벗어나 작은 공차로 인해 효과가 최소화됩니다. 이것들은 전자 장치에서 무선 전송과 같은 것들을 유지하기 위해 존재합니다.
Dan Mills

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@ DanMills : 마지막 포인트 +1이지만 앰프의 두 입력 사이의 캡이 차동 노이즈를 생성하지 않고 저역 통과 필터링을 제공하지만 일반적으로 A로 표시되지는 않음을 관찰하면 더 확장 될 수 있습니다 "다이어그램"은 블록 다이어그램에서 말합니다.
supercat

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@supercat 사실, 한 걸음 더 나아가 캡을 두 개로 나눈 다음 정션에서 섀시 접지까지 작은 값을 배치 할 수 있습니다. RF에서 큰 직렬 캡은 무시할 수있는 임피던스이고 RF- 접지 캡은 RF 전류를 분로하는 반면, 관심있는 대역에서 CM 전압의 대부분이 작은 캡에서 접지로 떨어지기 때문에 두 개의 더 큰 직렬 캡의 불일치가 완화됩니다.
Dan Mills

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Andy와 Nick은 큰 대답을했습니다. 조금만 강화시켜 보도록하겠습니다.

먼저 수학은 증폭 후 필터링은 필터링 후 증폭과 동일하다고 말합니다. 물론 이것은 이상적인 상황에 적용되므로 비 이상적인 내용에 대해 논의하겠습니다.

여기서 가장 큰 것은 IMO입니다. 잡음이 너무 커서 앰프가 포화되면 모든 베팅이 해제됩니다. 신호가 없어집니다. 이것은 우리를 여기에 귀찮게합니까? 실제로는 아닙니다. 일반적으로 100mV 정도의 DC 전극 오프셋을 처리 할 수있을 정도로 InAmp 스테이지의 게인을 낮게 유지하므로 게인이 크지 않고 포화되지 않습니다.

이미 언급했듯이 비 이상적인 문제와 관련된 다음 관심사는 공통 모드 노이즈 및 CMRR입니다. 통과 대역의 CMRR이 우수하기를 원합니다. 통과 대역에서 CMRR을 손상 시키면 SNR이 감소합니다. 전 kHz 범위의 프리 필터링에서 Nick을 사용하지는 않지만 일반적으로 RF 필터링에 대한 제조업체 지침을 따르며 권장 사항보다 10 년이 더 낮은 주파수 일 수도 있습니다. 이 필터를 만들 때 종종 X2Y 캡 을 사용 하여 캡을 잘 일치시킵니다.

마지막으로 신체의 신호까지의 신호 경로를 생각해 봅시다. 전극 / 피부 인터페이스의 임피던스는 항상모든 디자인은이를 고려해야합니다. 오늘날의 InAmps의 엄청난 입력 임피던스로 인해 이것은 이전과 크게 다르지 않습니다. 실제로, NFPA99 병원 안전 표준을 충족하기 위해 (검사를 위해 임상 공학을 통해 장치를 가져와야한다는 것을 알고있을 때) 레일 전압의 실패로 인해 규정 준수 (<10 마이크로 암페어)를 보장하기 위해 각 전극 리드에 큰 호킹 저항을 사용하는 경우가 종종 있습니다 앰프 입력에서. 나는 그 저항을 잘 일치 시키지만, 아마도 전극과의 불일치로 인해 생각했던 것만 큼 큰 차이를 만들지 않을 것입니다. 그래서 어느 정도까지, 우리는 모든 전극 리드의 신호 경로가 잘 일치하는 앰프 앞에 필터를 넣지 마십시오.. 그러나 여기의 변형은 여기에 약간의 필터를 넣기로 선택한 필터의 차단 주파수를 고정시킬 수 있습니다.

Driven-Leg를 믹스에 넣으면 약 20dB 더 좋아질 것입니다. InAmps는 John Webster 의 시대가 아닙니다 . 우리는 그가 꿈꾸는 임피던스를 가진 저렴한 장치를 가지고 있습니다.

이러한 문제에 접근하는 방법은 가능한 한 빨리 차동 신호를 싱글 엔드로 변환하여 계측 게인이 완만 한 게인으로 올바로 벗어날 수 있도록 생강처럼 처리하는 것입니다. 내가 원하는. 우수한 부품 선택을 통해 밀리 볼트 레벨 신호로 마이크로 볼트 레벨 노이즈를 얻을 수 있습니다.

마지막으로 ESD 보호에 대한 Nick의 관점은 좋은 것입니다. 내 물건에 대해서는 특별히 신경 쓰지 않지만 환자가 제세동 될 때 임상 ECG 장치가 어떻게 터지는 지 궁금한 적이 있습니까? 수천 개의 볼트가 입력에 제공되었으며, 잘 설계된 장치가 웃으면 서 사업에 나섰습니다.


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두 번째 @ Andy 's answer 을 추가하고 한 가지를 추가하고 싶습니다.

전극과 InAmp 사이의 수동 저역 통과 필터가 필요합니다. 컷오프 주파수를 kHz 영역 어딘가에 넣었습니다.

전극과 계측 증폭기 사이에 저역 통과 필터가있는 블록 다이어그램

InAmp는 저주파수에서 큰 CMRR을 갖지만 CMRR은 고주파에서 (칩에 따라 3kHz-10kHz 이상) 저하됩니다. 고주파 정류는 InAmp의 또 다른 관심사입니다. 고주파 신호는 InAmp의 입력 스테이지에 의해 정류 된 후 DC 오프셋으로 나타날 수 있습니다.
(이 앱 노트에서 더 많은 것 : Analog Devices MT-070. 앰프 내 입력 RFI 보호 .)

EKG 신호가 낮기 때문에 약간 불일치하는 수동 부품으로도 고주파를 걸러 낼 수 있습니다.


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고주파수는 앰프 후에 저역 통과로 필터링 될 수 있기 때문에 공통 모드로 필터링 할 필요가 없습니다. 소 신호 시스템의 증폭기 앞에서 수동 소자를 원하지 않고, 특히 ECG에서는 모든 측정 전극을 신체를 통해 전류를 통과 할 수없는 "무한"입력 임피던스 FET 단계에 연결하기를 원합니다. RL 드라이브는 천천히 회로 접지와 신체 접지를 균등화합니다. RL 드라이브에서 측정 채널로 흐르는 전류로 회로를 형성하고 싶지 않습니다.
벤 보이트

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@Ben 고주파 공통 모드는 InAmp 전에 필터링해야합니다 . InAmp는 저주파수에서 공통 모드를 잘 제거합니다. 불행히도 InAmps는 고주파수 공통 모드 (10kHz 이상)에 문제가 있습니다 (InAmp 모델에 따라 다르지만 10kHz 이상). CMRR은 주파수에 따라 다르며 더 높은 주파수에서 다운됩니다. [그 주제를 지키기 만하면됩니다. 나는 이것을 주로 InAmp를 EMI로부터 보호하는 문제로 본다. 환자의 안전 측면을 고려하고 싶다면 기꺼이 그렇게하겠습니다.]
Nick Alexeev

신호 대역보다 높은 주파수에서는 CMRR이 필요하지 않습니다. 이들이 인-앰프를 통과하면 다음 대역 통과로 걸러 내기 때문에 중요하지 않습니다. 원하지 않는 것은 첫 번째 앰프보다 먼저 노이즈 소스입니다.
벤 Voigt

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@Ben 고주파수에서 CMRR을 감소시키는 것 외에도, InAmps는 고주파수에서 정류를 겪습니다. 고주파 신호는 InAmp의 입력 스테이지에 의해 정류 된 다음 출력에서 ​​DC 오프셋으로 나타날 수 있습니다. 이 앱 노트에서 더 많은 것 : Analog Devices MT-070. 인 앰프 입력 RFI 보호 .
Nick Alexeev

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첫 번째 앰프 이전에 수행 한 유일한 필터링은 안테나 / 도파관 모양과 관련이 있습니다. 그리고 그것은 마이크로파와 더 높은 주파수에만 적용됩니다.

기존 패시브 필터는 노이즈를 추가합니다. 추가 된 노이즈와 비교하여 신호가 최대한 커지길 바랍니다. 간섭 신호를 증폭하고 있음을 의미하더라도 대역 내 간섭 신호에 대한 신호의 비율을 변경하지 않으므로 증폭 후 이전과 마찬가지로 효과적으로 간섭을 필터링 할 수 있습니다. 그러나 필터 노이즈에 이미 혼합되어 있기 때문에 필터링 후 효과적으로 증폭 할 수 없습니다.

그런 다음 전체 동적 범위를 관심 주파수에 적용 할 수 있으므로 필터링 후 자주 다시 증폭 됩니다 . 그러나 이것은 사전 증폭에 추가되는 것이 아니라 대신에 증폭입니다.

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