ZHDA128 November   2022 AFE4432 , AFE4950 , AFE4960P

 

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  2. 1应用简报

1 应用简报

应用

光学心率监测 (OHRM) 基于光电容积脉搏波 (PPG) 的原理来测定心率。对于健康的个体，心脏在每个心动周期中会将血液泵送到身体各处。这会导致动脉中的血容量具有一个脉动分量，其周期性与心率一致。通过使用发光二极管 (LED) 照亮皮肤并测量透射或反射到光电二极管 (PD) 的光量，脉动波形可以转换为信号电流。如图 1 所示，模拟前端 (AFE) 将来自 PD 的信号电流波形转换为数字化波形，该数字化波形随后可由 MCU 中的信号处理算法进行处理，从而提取心率 (HR)。

在智能手表等设备中，LED 和 PD 均朝向腕部。LED 发出的光入射到皮肤上，动脉对光的反射会产生脉动分量。通常情况下，该方法采用绿色 LED，并将来自多个空间分离的 PD 的信号组合在一起，以减轻运动等产生的影响。

HR 频率的临床范围为 0.5Hz 至 4Hz。PPG 波形以称为脉冲重复频率 (PRF) 的速率（例如 25Hz）进行采样。

为节省功耗，LED 以 PRF 速率进行脉冲驱动，即在每个 PRF 周期内仅在一个短时间窗口内亮起。LED 每次亮起都会在数字数据流中产生一个样本。

AFE4432

AFE4432 是德州仪器 (TI) 的一款高性能、低功耗 AFE，专为可穿戴设备和耳戴式设备上的 OHRM 而设计。

  • 接口：SPI™、I2C 接口：可通过引脚进行选择
  • 封装：1.9mm × 1.8mm DSBGA 封装，0.35mm 间距
  • 供电：RX：1.7V–1.9V，TX：3.0V–5.5V
  • 特性：
    • 先进先出 (FIFO)，深度为 160 个样本
    • 内部振荡器、外部时钟选项
优势
  • 信号链具有广泛的适应性（LED 电流、跨阻放大器 (TIA) 增益、偏移数模转换器 (DAC) 范围），适用于低灌注指数、高环境光干扰和运动等各种使用场景
  • 降噪滤波器可限制光噪声带宽，并提供高信噪比 (SNR)，即使在 LED 电流较低的情况下也能实现
  • 输入偏移消除 DAC 可消除环境光和 LED 产生的直流分量，并允许高 TIA 增益设置，以实现出色的噪声性能
AFE4432 在可穿戴设备上实现心率监测图 1 在可穿戴设备上实现心率监测

图 2 显示了使用 AFE4432 实现 OHRM 应用的参考原理图，表 1 显示了 OHRM 系统的规格。

AFE4432 使用 AFE4432 实现 OHRM 的参考原理图图 2 使用 AFE4432 实现 OHRM 的参考原理图
表 1 可穿戴设备上 OHRM 系统的规格
系统规格 AFE4432 注释
多传感器支持 4 个 LED、3 个 PD 将来自多个 PD 和 LED 的信号组合在一起有助于减少运动伪影
采样速率 1Hz-1kHz 在连续 HRM 中，通常采用 25Hz 至 100Hz 的采样速率
电流消耗 12μA 针对 25Hz PRF 条件下的接收器
峰值 SNR 10Hz 带宽内为 115dB 在低灌注情况下实现良好精度的重要考虑因素。
环境光抑制 在 160Hz 带宽内大于 70dB 良好的环境光抑制有助于消除由室内照明等环境光源引起的杂散信号

图 3 显示了 AFE4432 中的 PPG 信号链。

AFE4432 AFE4432 中的 PPG 信号链图 3 AFE4432 中的 PPG 信号链

LED 驱动器能够通过可编程电流驱动多达 4 个 LED。每个接收器可连接至多达 3 个 PD，并且内部集成一个 TIA、多个输入直流偏移消除 DAC（用于环境光和 LED 光）和多个具有可编程带宽的降噪滤波器。两个接收器共用一个模数转换器 (ADC)。德州仪器 (TI) 多款其他 AFE（例如 AFE4950、AFE4960P 和 AFE4500 器件）同样支持可穿戴设备上的光学心率监测 PPG 信号链。