交流耦合跨阻放大器如何消除绿光LED心率传感器环境光噪声

绿光LED光电容积脉搏波（PPG）传感器现为可穿戴、手机、健身追踪器标配。其低成本简易性具吸引力，却受环境干扰困扰，可能降级甚至阻碍可靠心率测量。

典型误差源含手指放置敏感性、LED-传感器距离变化，最关键的是强环境光淹没光电二极管信号。为解决此问题，我设计了交流耦合跨阻放大器（TIA），拒绝环境光产生的光电二极管直流分量，同时保留调制脉冲信号。

仿真证实交流耦合阻断光电二极管直流偏置，有效滤除阳光或贴近传感器的100W白炽灯。电路如图1所示，用低噪声2.5V基准维持稳定基线。

图1：带低噪声2.5V基准电平的交流耦合TIA。

为验证仿真，我用Yi T1-3/4或5mm“子弹”型光电二极管和标准绿光LED搭建原型，均为表贴封装。即使光电二极管距100W灯泡仅几英寸，传感器仍从六英寸外手腕产生清晰脉冲。运动灵敏度也可忽略。

完整TIA如图2所示，含带通滤波器将响应限制在48-390bpm并抑制高频环境光波动。图3滤波器输出演示0.5Hz（120bpm）下1nA光电二极管交流电流的清洁响应。

图2：带带通滤波器完整TIA电路。-3dB响应48-390bpm。

图3：滤波器对0.5Hz（120bpm）1nA光电二极管交流电流的响应。

设计容忍元件变异：5%电阻和10%电容足矣。平衡交流输入和低通级提供卓越50/60Hz工频噪声抑制，即使光电二极管接触皮肤也消除嗡嗡声。

结论

在绿光LED PPG传感器采用交流耦合TIA显著降低对环境光、手指放置、运动伪影敏感性。额外元件适度成本被噪声免疫、位置容忍度、测量范围增益抵消——使此法成消费健康设备理想选择。

图4：LED、光电二极管、皮肤表面相对位置。

参考文献

—— Dave Conrad，退休电子工程师，经验跨电源、视频、模拟、数字、混合信号、软件设计。

► 本文最初发表于我们的姊妹网站EDN。

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