Hoe een AC-gekoppelde transimpedantieversterker omgevingslichtruis elimineert in groen-LED hartslagsensoren

Groen-LED fotopletysmografie (PPG) sensoren zijn tegenwoordig standaard in wearables, smartphones en fitness trackers. Hun lage kosten en eenvoud maken ze aantrekkelijk, maar ze lijden onder omgevingsinterferentie die betrouwbare hartslagmeting kan beïnvloeden of zelfs onmogelijk maken.

Typische foutbronnen zijn gevoeligheid voor vingerplaatsing, variaties in LED-sensor afstand, en het meest kritisch: helder omgevingslicht dat het signaal van de fotodiodé overmacht. Om dit aan te pakken, heb ik een AC-gekoppelde transimpedantieversterker (TIA) ontworpen die de DC-component gegenereerd door omgevingsverlichting weigert, terwijl het gemoduleerde polssignaal behouden blijft.

Simulatie bevestigde dat de AC-koppeling de DC-bias van de fotodiodé blokkeert, effectief zonlicht of een 100 W gloeilamp dicht bij de sensor filterend. Het schema, getoond in Figuur 1, gebruikt een lage-ruis 2,5 V referentie voor een stabiele basislijn.

Figuur 1: AC-gekoppelde TIA met lage-ruis 2,5 V referentieniveau.

Om de simulatie te valideren, bouwde ik een prototype met een Yi T1-3/4 of 5 mm "kogel" fotodiodé en een standaard groene LED, allemaal in surface-mount behuizingen. Zelfs toen de fotodiodé op enkele inches van een 100 W lamp was, produceerde de sensor nog duidelijke pulsen vanaf een pols op maximaal zes inches afstand. Beweegegevoeligheid was ook verwaarloosbaar.

De complete TIA, geïllustreerd in Figuur 2, bevat een bandpasfilter dat de respons beperkt tot 48-390 slagen per minuut en hoge-frequente omgevingslichtfluctuaties onderdrukt. De filteruitgang, getoond in Figuur 3, toont een schone 120 bpm stimulus bij 1 nA fotodiodéstroom.

Figuur 2: Complete TIA schakeling met bandpasfilter. -3 dB respons van 48 tot 390 bpm.

Figuur 3: Filteruitgangrespons op een 1 nA fotodiodé AC-stroom bij 0,5 Hz (120 bpm).

Het ontwerp verdraagt componentvariaties: 5% weerstanden en 10% condensators bleken voldoende. De gebalanceerde AC-ingang en laagdoorlaat-trap bieden uitstekende demping van 50/60 Hz netruis, waardoor brum geëlimineerd wordt zelfs wanneer de fotodiodé de huid raakt.

Conclusie

Het gebruik van een AC-gekoppelde TIA in groen-LED PPG-sensoren verlaagt de gevoeligheid voor omgevingslicht, vingerplaatsing en bewegingsartefacten dramatisch. De bescheiden kosten van de extra componenten wegen niet op tegen de winst in ruisimmuuniteit, positionele tolerantie en meetbereik – wat deze benadering ideaal maakt voor consumentengezondheidsapparaten.

Figuur 4: Relatieve posities van LED, fotodiodé en huidoppervlak.

Referenties

• Photodiode Amplifiers: Op Amp Solutions door Jerald Graeme
• Operational Amplifiers: Design and Applications door Graeme, Tobey, Huelsman
• Applications of Operational Amplifiers: Third Generation Techniques door Graeme

— Dave Conrad is een met pensioen gegane elektronica-ingenieur met ervaring in stroomvoorziening, video, analoog, digitaal, gemengd signaal en software-ontwerp.

► Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op onze zus-site, EDN.

Gerelateerde Inhoud:

• Hoe een betere pulsoximeter te ontwerpen: Specificaties
• Manschetloos apparaat levert klinisch nauwkeurige bloeddrukmetingen
• Gespecialiseerde sensoren ondersteunen healthcare wearables
• mmWave radar gebruiken voor vitale-functies monitoring
• Sensormodule vereenvoudigt ontwerp van gezondheids- en fitness wearables

Voor meer Embedded, abonneer je op Embedded's wekelijkse e-mailnieuwsbrief.