Los amplificadores de bajo ruido de WPI superan a las imitaciones baratas

Un amplificador, en términos simples, es un dispositivo electrónico que magnifica una señal de entrada. Sin embargo, la forma en que un amplificador está diseñado para manejar el ruido y las limitaciones de ancho de banda afecta en gran medida la calidad y sostenibilidad de la señal de salida final.

Definición de términos

Para hablar con conocimiento sobre amplificadores, definamos algunos términos.

• Ganancia – La ganancia es el multiplicador que define cuánto se incrementa la amplitud de una señal de entrada. Una señal con ganancia X1 no se amplifica. Una ganancia X10 produce una señal de salida diez veces mayor que la señal de entrada.
• Ruido – Cualquier fluctuación no deseada de la señal se llama ruido. Aunque el ruido también puede provenir de fuentes externas, para el propósito de esta discusión, nos centramos principalmente en el ruido resultante del funcionamiento interno del dispositivo electrónico, nuestro amplificador. Este ruido intrínseco se llama ruido de disparo (o ruido schott).
• Relación señal a ruido (SNR) – La relación entre la señal de salida y el ruido del amplificador se llama relación señal a ruido. Cuanto menor sea la señal de ruido de disparo en un amplificador en comparación con la señal de salida, más fácil es discriminar la señal deseada. Al diseñar un amplificador, la SNR puede mejorarse aumentando la ganancia de la primera etapa para obtener una señal de salida mayor o usando componentes de calidad para minimizar el nivel de ruido de disparo del amplificador.
• Rango de salida – El rango de salida determina la señal máxima de salida que puede generar el amplificador. Está determinado por el voltaje máximo de la fuente de alimentación. Si la amplitud de la señal de salida es demasiado grande para el rango de salida, parte de la señal se recorta (clipping).
• Rail – El límite superior o inferior del rango del amplificador se llama rail. Las señales que exceden el rail no pueden reproducirse fielmente.
• Desplazamiento de CC – Los desplazamientos de CC pueden aparecer en preparaciones biológicas. Este desplazamiento es la cantidad en que la señal de salida se desplaza desde un punto de referencia cero, y generalmente es resultado de la diferencia de potencial en la punta del electrodo.

¿Cómo funciona un amplificador?

Las fuentes de alimentación limitan el rango

En un mundo perfecto, una señal de entrada puede multiplicarse infinitamente por el factor de ganancia para determinar la señal de salida. Por ejemplo:

Sin embargo, en el mundo real, los límites de la fuente de alimentación restringen el rango de salida posible del amplificador. Por ejemplo, un bioamplificador podría tener un rango de ±5.0V. Para que la señal de salida se reproduzca fielmente, la señal de entrada multiplicada por el factor de ganancia debe estar dentro de la ventana de voltaje establecida por los límites de la fuente. De lo contrario, la señal de salida se saturará y la señal de entrada no se reproducirá fielmente. Esto se llama “alcanzar el límite.” 

En nuestro ejemplo, una señal de entrada de 1.0μV con un X10⁶ la ganancia generaría una señal de salida de 1.0V. Dado que la fuente de alimentación está clasificada hasta +5.0V, esta señal de salida es claramente visible. Si la señal de entrada en este ejemplo es mayor que 5.0μV, la señal de salida sería mayor que +5.0V. Como 5.0V es el límite superior que la fuente de alimentación puede producir, la señal de salida alcanza el límite superior y se recorta. Este amplificador dará una señal de salida de +5.0VDC para todas las señales de entrada mayores o iguales a 5.0μV. En este caso, se debería usar un factor de ganancia menor para que la señal de salida vuelva al rango dinámico de salida del amplificador.

El ruido limita la usabilidad del amplificador

Todos los dispositivos electrónicos producen su propio ruido electrónico interno, una señal inevitable que puede enmascarar la señal de salida. Por ejemplo, si la señal de entrada es de 2mV y el ruido es de 1mV, la relación señal-ruido es de dos a uno (2:1), y la señal de salida sería indetectable. En este caso, es casi imposible distinguir qué parte de la salida es generada por el ruido y cuál es la señal deseada. (Fig. 1)

Fig. 1–Cuanto mayor es la relación señal-ruido, más discernible es la señal deseada.

Idealmente, la relación señal-ruido debería ser al menos de 50 a 1 para producir una señal de salida de calidad. Una buena relación señal-ruido se puede lograr de dos maneras:

• Aumentar la señal de salida incrementando la ganancia.
• Reducir el ruido.

Aunque aumentar la ganancia es la solución más sencilla, demasiada ganancia puede imponer una limitación en el rango dinámico del amplificador. Reducir el ruido es una solución más complicada, pero ofrece un rango mayor y más estabilidad al final.

Amplificadores de dos etapas

Los bioamplificadores usualmente involucran múltiples etapas de amplificación.

1. Etapa Uno – La señal sin adulterar que entra al amplificador no se ve afectada por el ruido intrínseco del amplificador. Luego, pasa por la crítica primera etapa de amplificación donde la señal se incrementa por el factor de ganancia principal para producir una señal de salida con la relación señal-ruido deseada. El ruido intrínseco no se amplifica en la primera etapa. Factores de ganancia más altos usados en la primera etapa de amplificación pueden limitar seriamente el rango dinámico disponible en la etapa de salida. Grandes ganancias en la primera etapa también limitan el factor de ganancia disponible en la segunda etapa de amplificación.
2. Etapa 2 – La señal de salida de la primera etapa entra en la segunda etapa de amplificación donde tanto la señal como el ruido de la primera etapa se amplifican juntos por el factor de ganancia de la segunda etapa, de modo que la señal sea lo suficientemente grande para ser vista en un registrador de gráficos o sistema de adquisición de datos. La amplificación de la segunda etapa es la ganancia que controla el usuario. No cambia la relación señal-ruido.

En lugar de usar altas ganancias en la primera etapa de amplificación, un bioamplificador bien construido que utiliza componentes de alta calidad, como los amplificadores de la serie DAM de WPI, minimiza el ruido en la primera etapa de amplificación para que el rango dinámico se mantenga durante todo el proceso de amplificación. Un amplificador mal diseñado simplemente aumentará la ganancia de la primera etapa hasta alcanzar la relación señal-ruido deseada.

¿Por qué no aumentar los rieles de alimentación?

Teóricamente, aumentar los rieles de voltaje que alimentan el amplificador incrementará el rango dinámico de salida disponible. Parecería natural aumentar los rieles de la fuente de alimentación que entran al amplificador para proporcionar la capacidad de mayores ganancias en la primera etapa. Sin embargo, la mayoría de los sistemas de adquisición de datos están limitados a una señal de entrada máxima que oscila entre ±10.0V. Por lo tanto, no es práctico aumentar los rieles de alimentación del bioamplificador más allá de ±10.0V. Dado que el estándar de la industria nos limita a rieles de alimentación de ±10.0V, la única forma de mejorar la relación señal-ruido es minimizar el ruido de disparo en la primera etapa de amplificación. Por eso es imprescindible usar componentes de amplificador de alta calidad.

¿Por qué mi señal se queda en línea plana?

Independientemente del amplificador utilizado, los potenciales biológicos a menudo van acompañados de un offset de CC, porque los electrodos se polarizan con el tiempo. El offset de CC aumenta naturalmente con el tiempo. Dado que el amplificador mal construido que utiliza mayor ganancia en la primera etapa ha restringido su rango dinámico, tiene una capacidad limitada para manejar este offset. A medida que el offset continúa aumentando, la señal de salida puede eventualmente ser forzada por el offset hacia el riel causando la línea plana (recorte de la señal). (Ver Fig. 2.)

 Fig. 2–A medida que el offset aumenta naturalmente con el tiempo, un amplificador mal construido no podrá reproducir fielmente la señal. Este offset también puede ser resultado de la deriva de ganancia que puede ocurrir al aumentar la temperatura.

El amplificador que minimiza el ruido en la amplificación de la primera etapa ofrece un rango dinámico de salida mayor y maneja un valor de offset mucho mayor.

Amplificadores de WPI

La compra de un amplificador de bajo ruido rinde frutos al final. Los amplificadores de WPI fueron diseñados para el investigador biomédico. Mientras que 20-30μV de ruido es común en bioamplificadores, los amplificadores de la serie DAM de WPI generan 0.4μV RMS (raíz cuadrada media) a 0.1-100Hz. (Eso equivale a aproximadamente 2μV pico a pico.) El gráfico a continuación compara los bioamplificadores de WPI.

* 1-8 unidades ISODAM8A o BRIDGE8 pueden combinarse como canales separados en un solo ISDB.

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