减轻心率监测器中明亮的环境光

使用交流耦合跨阻放大器可以大大改善绿色 LED-发光的心跳传感器对噪音和其他外来环境输入的免疫力。

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能找到。但是，尽管它们具有所有优势，但我观察到它们经常受到环境因素的影响，这些因素会降低它们的准确性，在某些情况下甚至会降低它们进行测量的能力。

这些因素包括对手指放置的敏感性、LED 光源与传感器之间距离的变化以及环境光侵入。这让我想到制造一个交流耦合跨阻放大器 (TIA)，它对明亮的环境光（例如太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。

仿真表明该想法运作良好，光电二极管中的直流电流（建模为带有直流偏置偏置的交流电流源以模拟环境光响应）被交流耦合到 TIA 输入所抑制。

图 1：具有低噪声 2.5V 参考电平的交流耦合 TIA。

为了验证模拟，我使用我手头已有的组件制作了一个初步电路——最引人注目的是一个 Yi T1-3/4 或 5 毫米“子弹”光电二极管和一个通用的绿色 LED。两种器件均采用表面贴装封装，适用于近距离。如果需要更远距离的脉冲感应，可能需要在 SMD 封装中使用包含透镜的部件以减小视野。

结果电路显示出良好的脉冲灵敏度，我的手腕距离光电二极管/LED 设置最远可达 6 英寸，即使 100W 白炽灯泡尽可能靠近光电二极管（不会阻挡我手腕之间的光路）光电二极管和 LED）。同样，新电路对身体运动（我的手腕）的敏感性也很小。

这是模拟的完整电路，包括高通和低通滤波器，针对上述结果进行构建和测试：

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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性。如图所示，电路的响应从 48bpm 到 390bpm 为 -3dB。

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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。

此处实施的 TIA 对组件变化相当不敏感。我使用了 5% 容差的电阻和 10% 容差的电容器。平衡的交流输入和低通滤波器对交流线路感应噪声有很好的抑制作用。

结果，当我将皮肤靠近并最终接触塑料光电二极管封装时，我在输出信号中看不到“嗡嗡声”。对附近 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，电路也没有表现出对灯泡与光电二极管的紧密接近的任何 60Hz 响应。

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，与 TIA 组件相关的任何可能的额外成本都远远超过抗噪性、位置容差和感应范围方面的收益。

图 4：LED、光电二极管和皮肤表面的相对位置。

参考文献：

—Dave Conrad 是一位退休的电子工程师，在电源、视频、模拟、数字、混合信号和软件设计方面拥有丰富的经验。

>> 本文最初发表在我们的姊妹网站 EDN .

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