Projete um circuito para aquisição de sinal de ECG utilizando um amplificador de intrumentação INA129 alimentado entre 0 V e 9 V . Assuma que a tensão diferencial entre os eletrodos esteja no intervalo de -10 mV a 10 mV . Este sinal deve ser amplificado de modo que o sinal de saída tenha excursão de
dos limites de saturação do amplificador (assuma
e
). Projete também o circuito necessário para fornecer um offset no terminal de referência do amplificador de instrumentação de modo que o sinal de ECG fique centrado entre os limites de alimentação do amplificador. Não esqueça de utilizar um buffer para reduzir o efeito de carga sobre o terminal de referência do amplificador de instrumentação.
Passo 1
Vou listar claramente o que o enunciado nos dá e o que pede (tudo que vem do enunciado).
- Tensão de alimentação do amplificador de instrumentação:
e . - Tensão diferencial na entrada (entre eletrodos): varia no intervalo
a . Logo a amplitude pico a pico do sinal diferencial é . - O amplificador tem saturação próxima às rails conforme:
-
- Deseja-se que a excursão (amplitude pico a pico) do sinal de saída ocupe
da faixa entre e . - Precisa-se projetar:
- O ganho do amplificador (usando um INA129) e o resistor
correspondente. - Um circuito para gerar um offset (referência) que centre o sinal de ECG entre os limites de alimentação do amplificador.
- Um buffer para reduzir a carga sobre o terminal de referência do INA129.
- O ganho do amplificador (usando um INA129) e o resistor
O que o enunciado pede explicitamente como entregáveis num projeto: valores numéricos do ganho e de
, valor do offset e como fazer o buffer (tipo de configuração e valores da rede geradora do offset), e verificar que o sinal de saída ficará dentro dos limites sem saturar.
Passo 2
Calcular os limites de saída e a excursão disponível total.
- Primeiro calculemos numericamente
e :
- A faixa total disponível entre saturações é:
- Desejamos usar
dessa faixa para a excursão pico a pico da saída:
- A entrada pico a pico disponível é:
Esses números vão nos permitir calcular o ganho necessário.
Passo 3
Calcular o ganho necessário do INA129.
- Relação básica que usamos: para um amplificador que multiplica o diferencial,
- Substituindo os valores que encontramos:
Portanto o ganho desejado é
.
Passo 4
Determinar o resistor
do INA129 usando a fórmula do fabricante e explicar essa fórmula (aula curta).
- O INA129 utiliza um resistor externo
para ajustar o ganho segundo a relação (fórmula típica do INA129):
em que
está em ohms e o termo
é a resistência interna típica usada na fórmula do datasheet (50 k\Omega).
-
Explicando:
é o ganho diferencial (sem unidade). A fórmula mostra que reduzindo o ganho aumenta; dá . -
Invertendo para achar
:
- Substituindo
:
- Comentário prático: como
não é um valor comercial exato em todas as séries, recomenda-se: - usar um resistor padrão próximo (por exemplo
se disponível) ou - usar um potenciômetro ajustável (ex.: um potenciômetro de
em série com um fixo) para ajustar finamente o ganho até a excursão desejada na bancada. - Se preferir um valor comercial comum (E12),
pode ser usado; isso dá um ganho um pouco menor:
- usar um resistor padrão próximo (por exemplo
o que resulta numa excursão um pouco menor que os
desejados (ainda seguro quanto à saturação).
Passo 5
Calcular o comportamento de saída esperado com o ganho projetado e mostrar que está seguro em relação às saturações (aula: como o terminal de referência desloca o ponto médio).
- A saída do INA129 segue a equação (modelo conceitual):
-
Aqui
é a tensão aplicada ao pino de referência do INA129 (offset DC), que desloca todo o sinal de saída. -
é o pequeno sinal diferencial do ECG. -
Se escolhermos
igual ao ponto médio das rails (centro), então o sinal diferencial ficará centrado em torno desse . Calculamos as amplitudes com :
Amplitude máxima (quando
):
Amplitude mínima (quando
):
- Se escolhermos o ponto médio
, então:
- Verificação com os limites de saturação:
Logo o sinal projetado fica bem dentro da faixa útil, com margem suficiente para evitar saturação.
Passo 6
Projeto do circuito de offset (gerador de
) e do buffer — passo a passo prático e didático.
- Objetivo: gerar
com baixa impedância de saída (para não carregar o pino REF do INA129) e com filtragem decente para reduzir ruído de 50/60 Hz e ruído da rede de alimentação.
- Gerador de meio-rail com divisor resistivo:
Tomando
resulta em
.
- Recomendações práticas de valores: escolher
(boa combinação entre baixo consumo e ruído). Poderiam ser também se desejar menor impedância, mas é suficiente quando se usa um buffer em seguida.
- Filtragem local para estabilidade e ruído:
- Colocar um capacitor
do ponto médio para o terra para formar um filtro RC. Um valor típico: eletrolítico em paralelo com cerâmico (para atenuar ruído de alta frequência). - O filtro tem constante de tempo
, onde . Com , tem-se . Com :
o que é suficiente para filtrar flutuações lentas e diminuir ruído de linha; se precisar de resposta mais rápida ao ajuste, reduzir
ou
.
- Buffer (seguidor de tensão):
- Conectar um amplificador operacional configurado como seguidor (entrada não inversora no ponto médio, saída ligada ao negativo do op-amp e também ao pino REF do INA129). Esta configuração garante baixa impedância e isolamento entre o divisor e a entrada REF.
- Requisitos do op-amp: deve suportar alimentação simples
– e operar corretamente com a entrada/saída em torno de . Não é necessário que seja rail-to-rail porque o buffer opera em torno do meio da alimentação. Um exemplo comum e barato: o (duplo op-amp) funciona com single-supply e consegue fornecer sem problemas. Se quiser maior precisão e menor ruído escolha um op-amp de baixo offset e baixo ruído comum com mesma capacidade de alimentação. - Ligar decoupling na alimentação do op-amp:
entre e próximo ao CI.
- Conexões finais:
- Divisor
- entre e fornece no nó. - Capacitor
// do nó ao terra. - Buffer em seguidor (op-amp): entrada + no nó, saída vai ao pino REF do INA129, entrada - ligada na saída (unity).
- Assim o pino REF vê uma fonte de
de baixa impedância.
Passo 7
Extras práticos de proteção e ajuste (boas práticas para montagem e prova).
- Recomenda-se série de proteção nas entradas do INA129: colocar resistores de
em série com cada eletrodo para limitar correntes se houver diferença de potencial no corpo ou descargas. - Adicionar diodos de proteção (por exemplo diodos Schottky ou diodos para as rails) se houver risco de grandes tensões de eletrodo vindas do paciente ou defibrilação — isso depende do nível de projeto (aplicações médicas requerem isolamento e certificação).
- Bypass das alimentações do INA129:
perto dos pinos de alimentação. - Use um potenciômetro em lugar de
(ex.: potenciômetro com ajuste fino) para calibrar o ganho experimentalmente até obter exatamente a excursão desejada na bancada com sinais reais.
Passo 8
Resumo numérico final e verificação (tudo checado).
- Ganho calculado:
. - Resistor de ganho calculado:
. Recomendações práticas: usar se disponível ou um potenciômetro de para ajuste fino; alternativa econômica (o ganho ficará ). - Tensão de referência:
(divisor ). - Filtragem do nó REF: capacitor
em paralelo com ao terra. - Buffer: amplificador operacional em seguidor (por ex.
alimentado entre e ); saída do seguidor ao pino REF do INA129. - Saída esperada com entrada
:
logo pico a pico
(que é
da faixa entre saturações
e
).
Resposta
Ganho desejado:
.
Resistor de ganho do INA129: (usar
se disponível ou um potenciômetro de
para ajuste fino; alternativa prática
).
Tensão de referência: (divisor
).
Filtro no nó REF: //
ao terra.
Buffer: seguidor de tensão com op-amp alimentado –
(ex.: LM358) cuja saída vai ao pino REF do INA129.
Saída esperada para entrada :
e
(Vpp
, que é
da faixa entre
e
).
Resistor de ganho do INA129:
Tensão de referência:
Filtro no nó REF:
Buffer: seguidor de tensão com op-amp alimentado
Saída esperada para entrada