EMG amplifiersEMG amplifiers

EMG Amplifier – Basics and Design• EMG stands for electromyogramEMG stands for electromyogram• It is measurement of electrical potentials created by the contraction of 

muscles. • Muscles generate voltages around 100 mV when they contract. These 

lt tl tt t d b i t l ti d th ki d thvoltages are greatly attenuated by internal tissue and the skin, and they are weak but measurable at the surface of the skin. 

• Typical surface EMG signals for large muscles, such as the bicep, are around 1‐2 mV in amplitude. 

• EMG signals contain frequencies ranging from 10 Hz or lower up to 1 kHz or higher. 

• To observe an EMG signal, we need to build a differential amplifier with high common‐mode rejectionhigh common‐mode rejection

• The dominant common mode voltage signals on our bodies is usually a 60‐Hz sine wave that is capacitively coupled to us from the 120‐VAC wiring in the walls. 

• We reject this signal by looking at the difference in voltage between two nearby points on the skin over the muscle of interest.

• We will also want to use a circuit the draws nearly zero current from the input leads, since dc current passed through EMG electrodes can lead to p , p glarge dc offsets and degrade the long‐term usefulness of the electrodes.

• We can build an EMG circuit using an instrumentation amplifier with opamps such as LM741 and LM324(BJT devices input currents of 100‐500 nA) or TL084 device with JFETs –input currents <0.2 nA or devices with MOSFETS (lower input currents, but they generally exhibit higher levels of noise) TL084 is identical to that of the LM324 in the pin diagramexhibit higher levels of noise). TL084 is identical to that of the LM324 in the pin diagram

• For safety the best method is to connect two 9V batteries for power supply

• You can design the instrumentation amplifier (3 opamp one) we discussed in class. For example you can set a gain of 201 Gain is (1 + 2R /R )(R /R )example you can set a gain of 201. Gain is

• We can use values like 10KΩ for all resistors except R2 and 1MΩ for R2 to get an overall gain of 201. You can measure the overall gain of your circuit by applying a small amplitude 1KHz sine wave from a function generator.  You can essentially plot gain over frequency for 

(1 + 2R2/R1)(R4/R3)

varying I/P frequency.

• To observe an EMG we need EMG electrodes. We can stick two of these electrodes on the muscle of interest (ex. bicep, close to each other but not overlapping). The 3rd electrode 

b t k t th b i lb f th d th t i t d t d ican be stuck to the bone in your elbow of the same arm and that is connected to ground inthe EMG circuit. Connect your elbow to circuit ground. This will keep your body potential near your circuit’s ground potential. Since there are no muscles at your elbow to generate electric potentials, this is a good grounding point. Connect the other two electrodes to the p , g g g pinput of the opamp and observe the response on the oscilloscope by flexing the bicep. Amplitudes visualized should be 100‐300mV. To avoid any DC offsets from the electrodes –we can add high pass filter to the instrumentation amplifier. With cutoff around 10 Hz

Envelope Detection• We would now like to add a circuit that will give us a 

“running average” of the amplitude of the EMG signal. The first step in calculating the amplitude of thi i l i t tif it l th itithis signal is to rectify it, so we only see the positive swings of the signal. You should be familiar with the use of diodes to rectify signals. However, diodes need approximately 700 mV of forward bias before they begin conducting, and our signals (after amplification) are less than this. 

• Instead, we must use a “precision rectifier” circuit, h i Fi 13 34 i S d d S ith Yas shown in Fig. 13.34 in Sedra and Smith. You can 

build this circuit using 1N4148 diodes. Connect the input of this circuit to the output of your high‐pass filter.

• Next, we need to smooth the rectified signal to generate an “envelope” of the signal, as shown below.

Precision Rectifier Circuit

i i di d d d l h i f db k l d h i lFor positive VI diode D2 conducts and closes the negative‐feedback loop around the opamp. Virtual ground therefore will appear at the inverting input terminal, and the opamp's Vo will will be clamped at one diode drop below ground. This negative voltage will keep diode D1 off, and no current will flow in the feedback resistance R2. It follows that the rectifier output voltage will be zero. A V i h l h i i i i l ill d i i hAs VI goes negative, the voltage at the inverting input terminal will tend to go negative, causing the voltage at the op amp's output terminal to go positive. This will cause D2 to be reverse‐biased and hence cut off. Diode D1, however, will conduct through R2, establishing a negative‐feedback path around the op amp and forcing a virtual ground to appear at the inverting input terminal. The current through the f db k i R i l h h h h i i R Th f l ifeedback resistance R2 is equal to the current through the input resistance R1. Thus for equal resistors output  V0=‐VI. 

Envelope Detection cont.• We will add a low‐pass filter to the rectifier, as shown in Fig. 13.35 in 

Sedra and Smith. (Note that the first op‐amp in this schematic forms the precision rectifier.) Note that this circuit can amplify as well as filter: The gain is set by –R4/R3 (the circuit is inherently inverting), and g y 4/ 3 ( y g),the cutoff frequency is set by fc = 1/(2πR4*C). Use R3 = 10 kΩ, and select component values that give you a gain between 10 and 20, and a cutoff frequency in the range of 0.5 Hz – 2 Hz. q y g

• It is interesting to measure typical voltage levels from your envelope signal for no muscle contraction, weak muscle contraction, and strong muscle contractionmuscle contraction. 

LED display of muscle contraction hstrength

• You can create a four‐LED display to act as a “muscle strength” indicator. The four gLEDs will act as a “thermometer” display – with no EMG activity, all LEDs will be dark. Then as the EMG activity increased in amplitude, more and more LEDs will plight up. To accomplish this, 2‐bit analog‐to‐digital converter is needed.

• Essentially, you create four thresholds, shown conceptually as horizontal lines inshown conceptually as horizontal lines in the example

• This will trigger a different LED when the envelope crosses each threshold point. F i t lt d• For comparing two voltages and producing a digital (“greater than” or “less than”) output, a LM339 quad comparator chip can be used.