交流耦合跨阻放大器电路设计方案

由于其简单性和低成本，绿色 LED 照明的心跳传感器现在几乎无处不在，在大多数消费者健康产品以及许多手机和手表中都可以找到。但是，尽管它们具有所有优点，但我观察到它们经常受到环境因素的影响，这些因素降低了它们的准确性，在某些情况下，它们根本无法进行测量。

这些因素包括对手指放置的敏感性、LED 光源和传感器之间的距离变化以及环境光侵入。这促使我考虑制作一个交流耦合跨阻放大器 (TIA)，它对明亮的环境光（例如阳光或靠近光电二极管传感器的 100W 白炽灯泡）的影响要小得多。

仿真表明该想法效果很好，并且光电二极管中的直流电流（建模为具有直流偏置偏置的交流电流源以模拟环境光响应）被与 TIA 输入的交流耦合拒绝。

图 1：具有低噪声 2.5V 参考电平的交流耦合 TIA。

为了验证仿真，我使用手头已有的组件制作了一个初步电路——最值得注意的是一个 Yi T1-3/4 或 5 毫米“子弹”光电二极管和一个通用的绿色 LED。这两款器件都采用表面贴装封装，在近距离也能正常工作。如果需要更远距离的脉冲感应，则可能需要使用 SMD 封装中包含透镜的部件来减小视场。

由此产生的电路在距离光电二极管/LED 设置最远 6 英寸的地方展示了良好的脉冲灵敏度，即使 100W 白炽灯泡尽可能靠近光电二极管（不会阻挡到我手腕之间的光路）光电二极管和 LED）。同样，新电路对身体运动（我的手腕）的敏感性很小。

这是模拟的完整电路，包括高通和低通滤波器，针对上述结果构建和测试：

图 2：完整的 TIA 电路包括一个带通滤波器，有助于降低其对身体运动和快速环境光变化的敏感度。如图所示，电路的响应从 48bpm 到 390bpm 为 -3dB。


图 3：在 0.5Hz 或 120bpm 激励下对 1nA 光电二极管交流电流的滤波器输出响应。

此处实现的 TIA 对组件变化相当不敏感。我使用了容差为 5% 的电阻器和容差为 10% 的电容器。平衡的交流输入和低通滤波器提供了对交流线路感应噪声的出色抑制。

结果，当我将皮肤靠近并最终接触到塑料光电二极管封装时，我在输出信号中看不到“嗡嗡声”。附近的 100 W 灯泡产生的背景光没有 120Hz 响应。在环境光抑制测试期间，该电路也没有表现出对灯泡与光电二极管的接近程度的任何 60Hz 响应。

图 4：LED、光电二极管和皮肤表面的相对位置。

结论

通过在光电检测器电路中使用交流耦合跨阻放大器，可以减少或消除与基于绿色 LED 的脉冲传感器相关的许多常见问题。对于大多数应用而言，与 TIA 组件相关的任何可能的额外成本都远远超过了在抗噪性、位置公差和感应范围方面的收益。