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(野村さんへのメモ)
・図3-1-1と図3-1-2は私のCQ単行本の図から持ってきました
・図3-1-3はトラ技SPECIALにあった図です
・図3-1-4(JRCより)、図3-1-5(Analog Devicesより)は再トレースして下さい
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■第4部　マイコンでトライ！ 生体情報の信号処理の基礎■

第3章　生体情報の計測/信号処理のためのアナログ回路技術

3-1　生体信号処理に関するアナログ回路

●OPアンプ増幅回路

あらゆるアナログ回路、そしてマイコンシステムのアナログ周辺の主役が、トランジスタからOPアンプに代わって久しいのですが、ここ数年は「汎用OPアンプで何でもやる」から「目的に特化した高性能OPアンプを活用する」とさらに世代交代しています。ここではまず、汎用OPアンプの定番回路を整理しましょう。

図3-1-1は、代表的なOPアンプによる増幅回路のタイプを並べたもので、生体信号処理に使うOPアンプも、基本的にはここからスタートします。ただし、これらの回路はOPアンプに両極電源が供給されている、という前提ですが、最近の生体信号処理システムのほとんどが単電源のため、ちょっと工夫が必要です。

(図3-1-1　代表的なOPアンプ回路)

「反転増幅器」と「非反転増幅器」は、理想的にはゲイン(増幅度)が外付け抵抗の比で設定できる、というのが、ブラックボックスとしてのOPアンプの最大の利便性です。また、非反転増幅器の反転入力に出力から(帰還ループに抵抗を持たず)直結したアンプは「ボルテージフォロワ」と呼ばれ、あらゆるOPアンプ回路で重宝されています。ボルテージフォロワはゲイン=1の「素通し」なのですが、理想的には無限大の入力インピーダンスを持ち、出力インピーダンスがゼロになるので、上流の信号源に対して負荷とならない(影響を与えない)、また下流に対して安定に出力信号を供給する、という理想的な「バッファアンプ」です。

「差動増幅器」は「+」入力と「-」入力の「差」を増幅するのですが、ここには生体信号処理システムにおける2つの重要な効能があるので補足します。まず、本稿の筋電センサなど(心電でも脳波でも同じ)のように、微弱な生体信号を扱う場合に、周囲の電磁環境から乗ってくるノイズをキャンセルするために、初段に差動増幅タイプのOPアンプを使用します。これは、生体信号の検出のためのペア電極に対して、周囲の電磁環境から乗ってくるノイズは「コモンモードノイズ」となり、両方の信号線に同じだけ乗ってくるので、その差分を求めると、理想的にはキャンセルされるというものです。

「差動増幅器」のもう一つの使われ方は、電池駆動など単電源システムでOPアンプを使う場合の定石テクニックで、単電源の電源電圧のちょうど1/2の電圧を、安定な「基準中点電位」として設定してボルテージフォロワで配給し、これを差動増幅器の「+」入力とします。すると、差動増幅器の「-」入力をバイポーラ(交流)結合して与えれば、この基準中点電位を中心として上下に変化する信号として扱える、というものです。

●フィルタ回路

OPアンプの帰還抵抗に並列接続したコンデンサは、高域での発振防止のために有効ですが、これにより「積分回路」となって、もっとも簡単なローパスフィルタ)LPF)が構成されます。また、反転入力端子の抵抗(帰還抵抗との比でゲインを決める)に直列接続したコンデンサにより、直流入力がカットされた「微分回路」となって、もっとも簡単なハイパスフィルタ(HPF)になり、全体としてはバンドパスフィルタ(BPF)になります。図の直線的な周波数特性は理想的なもので、実際にはカットオフ周波数で-3dbほど減ったカーブとなります。

抵抗とコンデンサの積分(ローバスフィルタ)・微分(ハイパイフィルタ)の特性をOPアンプによって効果的に強調した回路として、図3-1-2のような「バターワース・フィルタ」があります。ちょうど抵抗とコンデンサが双対な関係になっていて、相互に交換するとハイパスフィルタがローパスフィルタになります。ここではQ値とカットオフ周波数から数値の求め方を示しています。似たような多段フィルタとして「チェビシェフ・フィルタ」もあります。

(図3-1-2　OPアンプによるバターワース・フィルタ)

生体信号処理においてフィルタ回路が重要となるのは、LPFであれば高域の不要ノイズをカットすること、不要な局所変動成分を平滑して滑らかな変化を抽出する場合などです。また、A/D変換するためのアンチエイリアスフィルタとして、サンプリング周波数の1/2以下だけを通過されるためにも活用されます。いっぽうHPFは、直流成分をカットしたり、不要な低周波(振動)成分、さらに電極接触不良などアーティファクトを低減/カットするためにも有効です。

多段のLPFとHPFのカットオフ周波数を近づけていけば、特定の周波数付近だけを鋭く通過させるBPF(ピークフィルタ)を実現できますが、生体信号ではこの逆特性の、図3-1-3のような「ノッタフィルタ」が重要です。これは、生体信号レベルよりもずっと大きな場合もある、電源ハムノイズの成分を集中的に低減させるために使われます。電源ハムは奇麗なサイン波でなく、ひずみによって2倍・3倍・・・という成分も乗っていることが多いのですが、これを除こうとあまり多段に重ねると、肝心の生体信号のそれらの周波数成分も低減させてしまうので、注意が必要です。

(図3-1-3　OPアンプによるノッタフィルタの例)

●全波整流回路

「半波整流+平滑」回路については、ゲルマラジオの回路図のように単純で、ダイオード1個とコンデンサと抵抗で出来るので省略して、ここではOPアンプによる「全波整流回路」について紹介します。図3-1-4は、いろいろな文献にある、OPアンプによる全波整流+平滑回路の「定番」と言われるものです。この回路図は、汎用OPアンプで有名なJRCの資料にあったものですが、抵抗値については正確にRと2Rとの比を確保する事が重要です。

これに対して図3-1-5は、高性能OPアンプで有名なAnalog Devicesの資料にあった、ダイオードを使わない全波整流回路で、普通のOPアンプでなく、回路図のAD8277というOPアンプなら出来る、というもののようです。

(図3-1-4 OPアンプによる全波整流+平滑回路)

(図3-1-5　ダイオードを使わない全波整流回路)