Gli amplificatori a basso rumore di WPI superano le imitazioni economiche

In parole semplici, un amplificatore è un dispositivo elettronico che amplifica un segnale d’ingresso. Tuttavia, il modo in cui è progettato per gestire il rumore e i limiti di banda influisce notevolmente sulla qualità e sulla stabilità del segnale d’uscita finale.

Definizione dei termini

Per parlare con cognizione di causa degli amplificatori, definiamo alcuni termini.

• Guadagno – Il guadagno è il fattore che determina di quanto aumenta l’ampiezza di un segnale d’ingresso. Un guadagno X1 non amplifica il segnale. Un guadagno X10 produce un segnale d’uscita dieci volte più grande del segnale d’ingresso.
• Rumore – Qualsiasi fluttuazione indesiderata del segnale è detta rumore. Sebbene il rumore possa anche derivare da fonti esterne, in questa trattazione ci interessa soprattutto quello prodotto dal funzionamento interno del dispositivo elettronico, ovvero il nostro amplificatore. Questo rumore intrinseco è detto rumore shot (o rumore di Schottky).
• Rapporto segnale/rumore (SNR) – Il rapporto tra il segnale d’uscita e il rumore dell’amplificatore è detto rapporto segnale/rumore. Più il rumore shot dell’amplificatore è ridotto rispetto al segnale d’uscita, più è facile distinguere il segnale desiderato. Nella progettazione di un amplificatore, l’SNR può essere migliorato aumentando il guadagno del primo stadio per ottenere un segnale d’uscita più ampio, oppure utilizzando componenti di qualità per ridurre al minimo il livello di rumore shot dell’amplificatore.
• Intervallo di uscita – L’intervallo di uscita determina il segnale massimo che l’amplificatore può generare. È determinato dalla tensione massima dell’alimentazione. Se l’ampiezza del segnale d’uscita supera l’intervallo di uscita, una parte del segnale viene tagliata (clipping).
• Rail – Il limite superiore o inferiore dell’intervallo dell’amplificatore è detto rail. I segnali che superano questo limite non possono essere riprodotti fedelmente.
• Offset DC – Gli offset DC possono comparire nei preparati biologici. Questo offset è l’entità dello spostamento del segnale d’uscita rispetto al punto di riferimento zero ed è solitamente dovuto alla differenza di potenziale sulla punta dell’elettrodo.

Come funziona un amplificatore?

I limiti dell’alimentazione

In un mondo perfetto, un segnale d’ingresso può essere moltiplicato all’infinito per il fattore di guadagno, così da determinare il segnale d’uscita. Per esempio:

Nel mondo reale, tuttavia, le tensioni di alimentazione limitano la gamma di uscita possibile dell'amplificatore. Per esempio, un bioamplificatore potrebbe avere una gamma di ±5.0V. Affinché il segnale in uscita venga riprodotto fedelmente, il segnale in ingresso moltiplicato per il fattore di guadagno deve rientrare nella finestra di tensione definita dai rail di alimentazione. In caso contrario, il segnale in uscita esce dalla scala e il segnale in ingresso non viene riprodotto fedelmente. Questo fenomeno è detto «raggiungere il rail». 

Nel nostro esempio, un segnale in ingresso di 1.0μV con un guadagno X10⁶ un guadagno produrrebbe un segnale in uscita di 1.0V. Poiché l'alimentatore è tarato per arrivare fino a +5.0V, questo segnale in uscita è chiaramente visibile. Se, in questo esempio, il segnale in ingresso è superiore a 5.0μV, il segnale in uscita sarebbe superiore a +5.0V. Poiché 5.0V è il limite superiore dell'intervallo che l'alimentatore è in grado di produrre, il segnale in uscita raggiunge il rail superiore e viene tagliato. Questo amplificatore fornirà un segnale in uscita di +5.0VDC per tutti i segnali in ingresso maggiori o uguali a 5.0μV. In questo caso, occorre usare un fattore di guadagno più basso per riportare il segnale in uscita entro la gamma dinamica dell'amplificatore.

Il rumore limita l'utilità dell'amplificatore

Tutti i dispositivi elettronici producono rumore elettronico interno, un segnale inevitabile che può mascherare il segnale in uscita. Per esempio, se il segnale in ingresso è di 2mV e il rumore è di 1mV, il rapporto segnale/rumore è di due a uno (2:1) e il segnale in uscita sarebbe impercettibile. In questo caso, è quasi impossibile distinguere quale parte del segnale in uscita sia generata dal rumore e quale sia il segnale desiderato. (Fig. 1)

Fig. 1–Più alto è il rapporto segnale/rumore, più il segnale desiderato è distinguibile.

Idealmente, il rapporto segnale/rumore dovrebbe essere di almeno 50 a 1 per ottenere un segnale in uscita di qualità. È possibile ottenere un buon rapporto segnale/rumore in due modi:

• Amplificare il segnale in uscita aumentando il guadagno.
• Ridurre il rumore.

Anche se aumentare il guadagno è la soluzione più semplice, un guadagno eccessivo può limitare la gamma dinamica dell'amplificatore. Ridurre il rumore è una soluzione più complessa, ma alla fine offre una gamma più ampia e una maggiore stabilità.

Amplificatori a due stadi

I bioamplificatori in genere prevedono più stadi di amplificazione.

1. Primo stadio – Il segnale in ingresso all’amplificatore, non alterato, non è influenzato dal rumore intrinseco dell’amplificatore. Successivamente attraversa il primo stadio critico di amplificazione, dove il segnale viene amplificato in base al fattore di guadagno primario per produrre un segnale in uscita con il rapporto segnale/rumore desiderato. Il rumore intrinseco non viene amplificato nel primo stadio. Fattori di guadagno più elevati nel primo stadio di amplificazione possono limitare notevolmente la gamma dinamica disponibile in uscita. Guadagni elevati nel primo stadio limitano anche il fattore di guadagno disponibile nel secondo stadio di amplificazione.
2. Stadio 2 – Il segnale in uscita dal primo stadio entra nel secondo stadio di amplificazione, dove sia il segnale sia il rumore proveniente dal primo stadio vengono amplificati insieme in base al fattore di guadagno del secondo stadio, in modo che il segnale sia sufficientemente grande da poter essere visualizzato su un registratore grafico o un sistema di acquisizione dati. Il guadagno del secondo stadio è quello controllato dall’utente. Non modifica il rapporto segnale/rumore.

Invece di usare guadagni elevati nel primo stadio di amplificazione, un bioamplificatore ben progettato, che utilizza componenti di alta qualità come gli amplificatori della serie DAM di WPI, riduce al minimo il rumore nel primo stadio, preservando così la gamma dinamica durante tutto il processo di amplificazione. Un amplificatore progettato male si limiterà ad aumentare il guadagno del primo stadio finché non si raggiunge il rapporto segnale/rumore desiderato.

Perché non aumentare le tensioni di alimentazione?

In teoria, aumentando le tensioni di alimentazione dell’amplificatore si aumenta la gamma dinamica disponibile in uscita. Sembrerebbe naturale aumentare le tensioni di alimentazione che arrivano all’amplificatore per consentire guadagni maggiori nel primo stadio. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi di acquisizione dati è limitata a un segnale d’ingresso massimo compreso tra ±10.0V. Pertanto, non è pratico aumentare le tensioni di alimentazione di un bioamplificatore oltre ±10.0V. Poiché gli standard del settore ci limitano a tensioni di alimentazione di ±10.0V, l’unico modo per migliorare il rapporto segnale/rumore è ridurre al minimo il rumore di shot nel primo stadio di amplificazione. Ecco perché è indispensabile utilizzare componenti di alta qualità negli amplificatori.

Perché il mio segnale si appiattisce?

Indipendentemente dall'amplificatore utilizzato, i potenziali biologici sono spesso accompagnati da un offset CC, perché gli elettrodi si polarizzano nel tempo. L'offset CC aumenta naturalmente nel tempo. Poiché l'amplificatore di scarsa qualità, che utilizza un guadagno maggiore nel primo stadio, ha una gamma dinamica limitata, la sua capacità di gestire questo offset è ridotta. Man mano che l'offset continua ad aumentare, può infine spingere il segnale in uscita fino al rail, causando una linea piatta (clipping del segnale). (Vedere la Fig. 2.)

 Fig. 2–Con il naturale aumento dell'offset nel tempo, un amplificatore di scarsa qualità non sarà in grado di riprodurre fedelmente il segnale. Questo offset può anche essere causato dalla deriva del guadagno, che può verificarsi con l'aumento della temperatura.

Un amplificatore che riduce al minimo il rumore nel primo stadio di amplificazione offre una maggiore gamma dinamica in uscita e gestisce valori di offset molto più elevati.

Gli amplificatori WPI

L'acquisto di un amplificatore a basso rumore ripaga nel tempo. Gli amplificatori WPI sono stati progettati per chi svolge ricerca biomedica. Mentre negli amplificatori biologici sono comuni livelli di rumore di 20-30 μV, gli amplificatori della serie DAM di WPI generano 0,4 μV RMS (valore quadratico medio) a 0,1-100 Hz (pari a circa 2 μV picco-picco). La tabella seguente confronta i bioamplificatori WPI.

* È possibile combinare da 1 a 8 unità ISODAM8A o BRIDGE8 come canali separati in un unico ISDB.

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