O que esse circuito op-amp faz? (parte de um ECG)

Gostaria de criar um circuito de ECG com base neste esquema (da folha de dados AD620AN):

Não conheço esta parte do circuito e como funciona. Eu sei que isso é chamado de circuito acionado pela perna direita, o que reduz o efeito do ruído. Mas não sei exatamente como o feedback negativo funciona nesse caso. Alguém pode me ajudar?

O motorista da perna direita tenta acionar a tensão média do corpo para cancelar o ruído. A perna direita é escolhida porque está longe do coração, portanto, qualquer sinal injetado lá será modo comum para dois eletrodos próximos ao coração.

O acionamento da perna direita é muito mais acoplado ao corpo do que o ruído ambiente que ele capta do acoplamento capacitivo a coisas como a energia CA na sala.

A rede no caminho de feedback do opamp do driver da perna direita fornece alguma filtragem passa-baixa do sinal.

Esse circuito e a necessidade dele fazem muito mais sentido quando você considera algumas coisas que não são representadas. Primeiro, lembre-se de que é necessário estabelecer algum tipo de tensão de referência no corpo, para que a tensão nos eletrodos de medição tenha alguma referência em relação ao circuito.

Imagine esta referência sendo estabelecida por um eletrodo da perna direita diretamente conectado ao terra do circuito. Se uma conexão de impedância zero ao corpo pudesse ser feita assim, estaríamos prontos e não haveria necessidade de uma conexão de perna acionada.

De fato, a conexão entre o eletrodo de referência e o circuito pode ser quiloohms ou dezenas de quiloohms. Agora, devido às tensões de modo comum que circulam no corpo e ao fato de o eletrodo de referência estar conectado através de impedâncias elevadas ao terra, existem correntes dispersas. (Isso é menos problemático nos eletrodos de sinal, que apresentam impedâncias de entrada muito altas, em oposição ao terra).

O que o circuito Driven Leg faz é usar técnicas de feedback para medir a tensão do modo comum e alimentá-la através do eletrodo de referência. Isso reduz efetivamente a impedância da conexão no eletrodo de referência por um fator do ganho do feedback.

Estou anexando a Figura 1 de Winter, Bruce B. e John G. Webster. "Projeto do circuito da perna direita acionada". IEEE Transactions on Biomedical Engineering 1 (1983): 62-66., Que mostra impedâncias de eletrodo extraídas, mas eu recomendo a leitura do artigo, se você puder obtê-lo, pois mostra uma derivação muito clara da redução efetiva da impedância.

Vi esta solução de circuito estranha pela primeira vez ontem e imediatamente chamou minha atenção. Obviamente, havia alguma idéia inteligente de suprimir sinais em modo comum. Como foi?

Para entender a idéia fundamental, primeiro removi todos os detalhes menores que dificultavam o entendimento e comecei a tentar ver os princípios e os componentes básicos do circuito. Simplifiquei e desenhei o diagrama do circuito e foquei na peça com o amplificador operacional AD705 (А3):

Estrutura. Vi duas tensões de entrada de extremidade única (VIN- e VIN +) entre os eletrodos de sinal e o eletrodo de referência. Surpreendentemente, suas "fontes" de entrada não foram aterradas ... mas conectadas à saída do amplificador operacional. Que raio foi aquilo?!? Aha ... eles estavam conectados a um terreno "móvel", o que provavelmente permitia que suas variações simultâneas (modo comum) fossem suprimidas.

As tensões de entrada foram armazenadas em buffer por estágios de amplificação (A1 e A2) com alta impedância de entrada. Em relação aos sinais do modo comum, esses estágios atuavam como seguidores de tensão . Por isso, não desenhei a rede de três resistores entre as saídas dos amplificadores de entrada, porque isso era importante apenas para o modo diferencial.

Mas o que serviu o circuito de 2 resistores entre as saídas do seguidor? Percebi que um verão de inversão de amplificador operacional foi construído com a ajuda de Rf e A3.

Operação. Imagine que inicialmente as duas tensões de entrada sejam zero. Portanto, a tensão de saída do op-amp VREF (da perna direita) também é zero.

Se ambas as tensões de entrada tentarem aumentar (devido a alguma tensão de ruído no modo comum acima do terra "imóvel" real), a tensão de saída do amplificador operacional diminui (aproximadamente) com a tensão de ruído abaixo do terra real. E como as "fontes" da tensão de entrada não estão conectadas ao terra real, mas ao terra "móvel", suas voltagens diminuem com a tensão do ruído. Figurativamente falando, a saída do amplificador operacional "reduz" as tensões de entrada com a magnitude da tensão do modo comum (a saída do amplificador operacional subtrai a tensão equivalente da tensão do modo comum). Como resultado, em relação ao terra real, o sinal do modo comum será (quase) zero.

Portanto, no que diz respeito ao modo comum, o estranho circuito RDL pode ser pensado como um verão de inversão de amplificador operacional com fontes de entrada "aterradas" em sua saída em vez do verdadeiro terra . Devido a esse "solo móvel", os sinais do modo comum são suprimidos.

Se combinarmos as tensões de entrada e os resistores em um, podemos pensar nesse arranjo como um amplificador inversor com ganho de 200, cuja saída é realimentada pelo VIN ... ou seja, existem dois feedbacks negativos - locais (implementados por Rf, R1 e R2) e global (por VCM).

Anexei ontem os diagramas de circuito genuínos esboçados com lápis e borracha para ilustrar mais realisticamente o curso de meus pensamentos que me levaram a essa explicação. Claro, eu posso descrevê-los lindamente ... mas eles se tornarão menos informativos ...