elettrodo di riferimentooo

[giulia87]

Buonasera a DarwinNE, a belva87, e a tutti quelli interessati al mio topic

Ho avuto finalmente tempo per dedicarmi solo a questo progettino, che è parte della mia tesi. Ricordo, molto brevemente, che si tratta di realizzare un front-end per amplificare e filtrare segnali elettrici da cellule coltivate in laboratorio, rilevati con dei microelettrodi. I canali sono 60, ma questo progetto verte sulla progettazione e definizione delle specifiche per un singolo canale, con l'idea poi di replicare il tutto modularmente.

I segnali di interesse hanno ampiezza che va da una decina di uV a massimo 500 uV, e frequenze nella banda 300Hz-3kHz. Sono segnali molto piccoli, quindi necessitano di amplificazione per sfruttare la dinamica dell'ADC a valle (la cui progettazione non rientra nel mio progetto).Lo schema FIDOCAD è qui sotto riportato.

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Il primo stadio è quello che amplifica di più, in modo da sentire meno l'influenza del rumore negli stadi successivi. Tuttavia, con l'obbiettivo di non peggiorare troppo il SNR del segnale di ingresso (che presenta un rumore biologico di fondo di pochi uV e un rumore termico dell'elettrodo con ampiezza di circa 5-8 uV), ho pensato di realizzare un primo stadio pre-amplificatore non invertente con guadagno non troppo elevato. La limitazione del guadagno del primo stadio è anche dovuta alla presenza di offset dovuto all'elettrodo, che, dalla letteratura, si presenta come una componente in DC o a frequenza inferiore a 1Hz, con ampiezza variabile da sito a sito, da pochi microvolt a un centinaio di mV! Dato che non posso prevedere con precisione questo valore senza fare misure, ho deciso di alimentare il primo stadio a +/-5V, per non far saturare la sua uscita nel caso di offset elevato. Se poi da misure sul primo prototipo mi accorgo che i miei elettrodi hanno offset minore potrò diminuire l'alimentazione dello stadio. Quindi per adesso ho progettato un pre-amplificatore non-invertente con guadagno pari a 21 (a differenza della mia versione iniziale dove guadagnavo più di 150 nel primo stadio).
NOTA: Non ho scelto di mettere un RC passa alto prima del non invertente per problemi di spazio e perché avrei dovuto scegliere una R mooolto grossa per non perdere segnale. L'offset dell'elettrodo è eliminato dal secondo stadio (passa alto)

La scelta di un non-invertente è dettata dalla necessità di avere un'alta impedenza di ingresso. L'impedenza del microelettrodo è massimo 50 kohm a 1kHz. In presenza di cellule, cioè in presenza di sorgente, l'impedenza della sorgente aumenta. In letteratura si riportano valori anche di qualche MOhm.
Per questo motivo ho scelto un Opamp con bassa corrente di bias.

Riguardo all'elettrodo di riferimento, nella matrice di elettrodi è presente un elettrodo molto più grosso che funge da riferimento appunto. Questo viene messo al ground del sistema, in modo da avere un punto della coltura cellulare al quale riferirsi (e che serve anche per raccogliere anche le correnti di bias in uscita al morsetto positivo ? )


Per quanto riguarda il filtraggio del segnale ho scelto di utilizzare un passa alto del 2 ordine con taglio a 300 Hz, realizzato con topologia Sallen-key e di tipo Butterworth, seguito da un filtro passa basso del 3 ordine, dello stesso tipo e con in più un polo introdotto da circuito RC, con taglio a 3kHz. Non mi interessa una ulteriore selettività. Basta che la 50 Hz sia attenuata molto meno de segnale di interesse. Si dovrà pensare ad una frequenza di campionamento piuttosto elevata. La fase complessiva è risulta abbastanza lineare in banda passante. Entrambi i filtri guadagnano 3 (da suggerimenti ricevuti in questo forum non è bene far guadagnare oltre un Sallen-key), in modo che il guadagno totale sia 21*3*3, cioè circa 190.
Inizialmente ero partita con un guadagno molto più alto, di circa 1000 (così come fanno sistemi commerciali e qualcuno in letteratura). Ma poi, anche prendendo spunto da un articolo, ho deciso di usare un guadagno più basso: 1) per poter alimentare a meno lo stadio di filtraggio (il sistema è portatile e alimentato a batteria); 2)ho visto che esistono degli ADC con range di input minimo anche di +/- 100mV e buona risoluzione. Quindi, perché dover per forza guadagnare così tanto ?

un'altra specifica importante è la dimensione del tutto, che deve essere la più piccola possibile. Per questo ho deciso di realizzare il filtraggio con soli due Opamp in tutto. E anche per questo ho scelto di non aggiungere un ulteriore stadio di guadagno dopo il filtraggio. Quando monterò questo prototipo farò delle misure non solo per la storia dell'offset dell'elettrodo, ma anche per vedere se con guadagno di 190 le cose vanno bene. Al massimo posso pensare di aggiungere un ulteriore stadio di guadagno su un'altra scheda che conterrà anche l'ADC, da posizionare magari in pila al front-end ?

Il pre-amplificatore è posizionato fisicamente su una scheda diversa, nelle immediate vicinanze delle cellule. I segnali sono portati allo stadio di filtraggio tramite dei connettori (in totale stimo una distanza massima di 7 cm).

Ho fatto delle simulazioni del circuito con LTspice. Non riesco cavolo a inserire le immagini direttamente qui. Quindi le zippo e le metto tutte, denominandole in modo comprensibile.
- la simulazione transient mi conferma di non avere saturazioni e di avere un'uscita centrata sullo 0V, cioè di eliminare le componenti in DC (a meno dell'offset dell'ultimo Opamp)
Mi ha permesso anche di valutare la potenza istantanea, che volevo essere inferiore al valore massimo riportato nel datasheet dei componenti (scelto pari a 62,5 mW) (tra parentesi, i componenti passivi sono tutti SMD, con tolleranze 0.1%).
- la simulazione AC (con sinusoide in input ampia 1 V) mi mostra la risposta in frequenza, passa-banda, prevista. La fase è più o meno lineare nella banda passante.
- la simulazione NOISE mi riporta lo spettro in uscita del rumore elettronico (in V/rad(Hz)), che, come previsto, è filtrato fuori dalla banda di interesse. Integrandolo con l'apposita funzione, nella banda di interesse (corretta per i fattori che tengono conto della non idealità del filtro passa alto e passa basso) ottengo un valore di circa 85uV rms, corrispondente a un ampiezza di circa 254 uV (ipotesi rumore gaussiano), contro i quasi 200 mV del segnale amplificato (nel caso sia ampio 100 uV in ingresso). Il valore rms in ingresso lo ottengo dividendo per il G in banda passante e viene circa 440 nV rms, corrispondente a circa 1.4 uV di ampiezza del rumore in ingresso, inferiore al rumore termico del microelettrodo.

COSE DA FARE e DUBBi:
- intendo simulare in ingresso un segnale reale, che non è sinusoidale. Posso caricarlo in LTSpice? altrimenti uso Simulink di matlab.
- nella simulazione, ho visto che si può mettere un valore di resistenza e capacità parassita del generatore di tensione in input. per ora non ho messo niente..dovrei mettere qualcosa, tenendo conto dell'impedenza dell'elettrodo?
-esistono altre analisi o qualcosa di importantissimo che ho tralasciato? dubbi, commenti?
- dopo queste simulazioni, procederò alla realizzazione del circuito su bread-board e misure

....
qualsiasi commento è ben accetto. Ho evidenziato in grassetto i punti sui quali vorrei conferme/delucidazioni/critiche.

Grazie!!!

[belva87]

Mi sembra un po' piccola la 100 ohm del primo stadio... per avere ancora 21 io metterei quella di retroazione a 20k (come le altre daltronde) e quella verso massa da 1k... Mi ripeto sul 4 operazionale (che davvero porta via poco spazio nella PCB e il consumo è irrisorio dato che ne hai già 3...) da impiegare, fossi in te è ovvio, come ultimo stadio per non caricare il filtro RC e magari per avere un ulteriore guadagno (che non guasta dato che 100mv da far andare in giro non è proprio un segnalone tantomeno se lo devi convertire poi...) e perché no un trimmerino per tarare la faccenda non guasterebbe, oltre che se vuoi puoi usare un pack con 4 operazionali...
Non so io la vedo così, poi alimenterei tutto a 5v per evitare le saturazioni, e batterie o non batterie, metterei i 100nf (che nello schema non ci sono) sui pin degli op.amp.
Per ora penso che può andare, ci risentiamo appena ho modo

[giulia87]

Mi sembra un po' piccola la 100 ohm del primo stadio... per avere ancora 21 io metterei quella di retroazione a 20k (come le altre daltronde) e quella verso massa da 1k

mi puoi dire lo svantaggio di avere R piccola?

Mi ripeto sul 4 operazionale (che davvero porta via poco spazio nella PCB e il consumo è irrisorio dato che ne hai già 3...) da impiegare,

questo devo ancora valutarlo bene..però come ho detto avevo trovato in un articolo che usavano ADC con input +/-100 mV..e poi se metto un altro non invertente in cascata a tutto, in uscita ho i suoi contributi di rumore anche fuori dalla banda passante, perché non sono filtrati, no?

grazie

[DirtyDeeds]

e quella verso massa da 1k...

Una resistenza da 1 kohm genera un rumore di 4 nV/sqrt(Hz) che è dalle parti di quello dell'operazionale. Anche se è quasi trascurabile, in un circuito a basso rumore meno se ne mette, meglio è.

un trimmerino per tarare la faccenda non guasterebbe

I trimmer nei circuiti di misura fanno più danno che bene: introducono instabilità. Se c'è bisogno di un guadagno accurato e stabile si scelgono i componenti adeguati e, se necessario, le correzioni fini si fanno via software.

Poi, giulia87, occhio alla scelta dei condensatori per i filtri, molti condensatori ceramici sono piezoelettrici e possono generare rumore: qui, a fine messaggio, avevo messo qualche riferimento.

[DirtyDeeds]

L'impedenza del microelettrodo è massimo 50 kohm a 1kHz. In presenza di cellule, cioè in presenza di sorgente, l'impedenza della sorgente aumenta. In letteratura si riportano valori anche di qualche MOhm.

Con un'impedenza di sorgente così alta è indispensabile mettere sul circuito stampato un anello di guardia all'ingresso del primo opamp. Nella realizzazione del circuito stampato, occhio anche alle capacità parassite tra l'uscita dell'opamp e il suo ingresso non invertente: con un'alta resistenza di sorgente, si può avere instabilità.

[giulia87]

Con un'impedenza di sorgente così alta è indispensabile mettere sul circuito stampato un anello di guardia all'ingresso del primo opamp.

Cosa intendi precisamente?

Nella realizzazione del circuito stampato, occhio anche alle capacità parassite tra l'uscita dell'opamp e il suo ingresso non invertente: con un'alta resistenza di sorgente, si può avere instabilità.

io in realtà ho già progettato il circuito stampato per il primo stadio a 60 canali (per uno studio di fattibilità) e fra poco lo mando a stampare e saldare. Ho dovuto compattare molto perché la scheda che contiene il primo stadio deve stare all'interno di una camera, insomma deve essere piccola.

Ora realizzerò il circuito per il singolo canale, quello che ho messo sopra in fidocad, anche se nela versione futura a 60 canali il primo stadio sarà fisicamente su un'altra scheda, che ho già progettato appunto..

[DarwinNE]

belva87, io in passato ho sconsigliato di utilizzare resistenze di piccolo valore perché non volevo caricare troppo l'uscita dell'operazionale. In casi come questo, utilizzando un operazionale un po' recente, il carico dalle parti di non dovrebbe essere un problema, ma non scenderei più in basso di questo, a meno che non sia espressamente specificato dal datasheet (a proposito, giulia87, che operazionale vuoi utilizzare?).

Come detto altrove, io recupererei due batterie da motorino da 6 V e farei lavorare tutto il circuito a 6 V+6 V. Naturalmente, come ogni circuito a batteria, i fusibili sono indispensabili.

Per quanto riguarda la storia degli anelli di guardia, si tratta di una tecnica ben nota per chi lavora con impedenze molto alte e piccole correnti. Oltre ad un certo limite, il supporto del circuito stampato (soprattutto se è umido) non è più un isolante perfetto e ci sono alcuni trucchi per evitare che perturbi troppo le misure.

http://www.keithley.com/data?asset=6169 (l'ho letta rapidamente, guarda per esempio il paragrafo "guarding")

Qui c'è un esempio di come Burr-Brown/TI suggerisce di utilizzare un anello di guardia nel classico OPA129:
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa129.pdf (paragrafo "Guarding and shielding", guarda per esempio la figura 3)

Molti amplificatori "Electrometer grade" danno qualche suggerimento su come piazzare l'anello di guardia.

[DarwinNE]

io in realtà ho già progettato il circuito stampato per il primo stadio a 60 canali (per uno studio di fattibilità) e fra poco lo mando a stampare e saldare. Ho dovuto compattare molto perché la scheda che contiene il primo stadio deve stare all'interno di una camera, insomma deve essere piccola.

E tu monti 60 canali in un colpo senza manco aver provato che un canale da solo funzioni correttamente????

[giulia87]

ok, grazie guarderò i documenti sugli anelli di guardia...

L'opamp che ho scelto è quello che avevo già indicato, non ricordo se qui o in un altro post, comunque è OPA4132

http://focus.ti.com/docs/prod/folders/p ... a4132.html

E tu monti 60 canali in un colpo senza manco aver provato che un canale da solo funzioni correttamente????

non è proprio così...;)
un ingegnere prima di me aveva disegnato la scheda che contiene 16 quadOpamp, immediatamente vicino ai neuroni. Lui però aveva pensato a dei buffer come primo stadio, senza un guadagno. E l'aveva testata connettendo la sua uscita a un filtro amplificatore commerciale (per 60 canali). Il mio progetto era inizialmente quello di fare una scheda custom al posto di questo filtro amplificatore commerciale..e ho deciso di modificare però la scheda a monte, cioè quella con solo i buffer, sostituendo i buffer con non invertenti..

[DarwinNE]

E l'aveva testata connettendo la sua uscita a un filtro amplificatore commerciale (per 60 canali).

Allora se poi ti funziona al primo colpo, forse ti perdono

Ne concludo che l'impedenza di questi neuroni forse non è poi così alta, però in futuro fatti un canale completo, con tanto di acquisizione. Dopodiché passi al sistema con i canali che desideri: ci sarà di sicuro una fase di messa a punto che può essere disastrosa se parti subito con il numero di canali definitivo.