Как AC-сопряженный трансимпедансный усилитель устраняет шум окружающего света в датчиках пульса на зеленых СИД

Как AC-сопряженный трансимпедансный усилитель устраняет шум окружающего света в датчиках пульса на зеленых СИД

Фотоплетизмографические (ФПГ) датчики на зеленых СИД стали стандартом в носимых устройствах, телефонах и фитнес-трекерах. Их низкая стоимость и простота делают их привлекательными, однако они страдают от воздействия окружающей среды, которое может ухудшить или даже сделать невозможным надежное измерение пульса.

Типичные источники ошибок включают чувствительность к положению пальца, вариации расстояния между СИД и фотодиодом, а наиболее критично — яркий окружающий свет, который перегружает сигнал фотодиода. Для решения этой проблемы я разработал AC-сопряженный трансимпедансный усилитель (ТИА), который подавляет постоянную составляющую, создаваемую окружающим освещением, сохраняя модулированный пульсовый сигнал.

Моделирование подтвердило, что AC-сопряжение блокирует постоянное смещение фотодиода, эффективно фильтруя солнечный свет или лампу накаливания 100 Вт, помещенную близко к датчику. Схема, показанная на Рисунке 1, использует малошумный опорный источник 2,5 В для поддержания стабильной базовой линии.

Рисунок 1: AC-сопряженный ТИА с малошумным опорным уровнем 2,5 В.

Для проверки моделирования я собрал прототип с фотодиодом Yi T1‑3/4 или 5 мм «пуля» и стандартным зеленым СИД, все в корпусах поверхностного монтажа. Даже когда фотодиод находился в нескольких дюймах от лампы накаливания 100 Вт, датчик все равно выдавал четкие пульсации от запястья, расположенного на расстоянии до шести дюймов. Чувствительность к движению также была незначительной.

Полный ТИА, изображенный на Рисунке 2, включает полосовой фильтр, ограничивающий полосу пропускания 48–390 уд/мин и подавляющий высокочастотные колебания окружающего света. Выходной сигнал фильтра, показанный на Рисунке 3, демонстрирует чистый стимул 120 уд/мин при токе фотодиода 1 нА.

Рисунок 2: Полная схема ТИА с полосовым фильтром. Полоса пропускания -3 дБ от 48 до 390 уд/мин.

Рисунок 3: Ответ фильтра на переменный ток фотодиода 1 нА при 0,5 Гц (120 уд/мин).

Конструкция допускает разброс параметров компонентов: резисторы с точностью 5 % и конденсаторы 10 % оказались достаточными. Балансный AC-вход и низкочастотная ступень обеспечивают отличное подавление промышленных частот 50/60 Гц, устраняя гудение даже при контакте фотодиода с кожей.

Заключение

Применение AC-сопряженного ТИА в зеленых ФПГ-датчиках кардинально снижает чувствительность к окружающему свету, положению пальца и движению. Небольшая стоимость дополнительных компонентов перевешивается за счет прироста шумной устойчивости, допуска к позиционированию и диапазона измерений — что делает этот подход идеальным для потребительских медицинских устройств.

Рисунок 4: Относительное положение СИД, фотодиода и поверхности кожи.

Ссылки

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

— Дэйв Конрад, пенсионер-инженер по электронике с опытом в силовой, видео, аналоговой, цифровой, смешанной и программной разработке.

► Эта статья была впервые опубликована на нашем партнерском сайте EDN.

Связанные материалы:

• Как спроектировать лучший пульсоксиметр: спецификации
• Беспоршневое устройство обеспечивает клинически точные измерения давления
• Специализированные сенсоры для медицинских носимых устройств
• Использование ммВолнового радара для мониторинга жизненных показателей
• Сенсорный модуль упрощает проектирование носимых устройств для здоровья и фитнеса

Для получения дополнительных материалов Embedded подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded.