Wie ein AC-koppelter Transimpedanzverstärker Umgebungslichtrauschen in Grün-LED-Herzfrequenzsensoren eliminiert

Wie ein AC-koppelter Transimpedanzverstärker Umgebungslichtrauschen in Grün-LED-Herzfrequenzsensoren eliminiert

Grün-LED-Photoplethysmografie (PPG) Sensoren sind jetzt Standard in Wearables, Handys und Fitness-Trackern. Ihr niedriger Kosten und Einfachheit machen sie attraktiv, doch sie leiden unter Umgebungsinterferenzen, die zuverlässige Herzfrequenzmessung degradieren oder sogar verhindern können.

Typische Fehlerquellen sind Fingerplatzierungsempfindlichkeit, LED-Sensor-Abstandsvariationen und am kritischsten helles Umgebungslicht, das das Photodiodensignal überlagert. Um dies zu adressieren, entwarf ich einen AC-koppelten Transimpedanzverstärker (TIA), der die DC-Komponente, die durch Umgebungsbeleuchtung erzeugt wird, zurückweist, während das modulierte Pulssignal erhalten bleibt.

Simulation bestätigte, dass die AC-Kopplung den DC-Bias der Photodiode blockiert und damit Sonnenlicht oder eine 100 W Glühbirne in unmittelbarer Nähe des Sensors effektiv filtert. Der Schaltkreis, gezeigt in Abbildung 1, nutzt eine rauscharme 2,5 V Referenz, um ein stabiles Baseline zu halten.

Abbildung 1: AC-koppelter TIA mit rauscharmer 2,5 V Referenzpegel.

Um die Simulation zu validieren, baute ich einen Prototyp mit einer Yi T1‑3/4 oder 5 mm „Bullet“ Photodiode und einer Standard-Grün-LED, alle in SMD-Gehäusen. Selbst wenn die Photodiode nur wenige Zentimeter von einer 100 W Birne entfernt war, produzierte der Sensor noch klare Pulse von einem Handgelenk bis zu sechs Zoll Entfernung. Bewegungsempfindlichkeit war ebenfalls vernachlässigbar.

Der vollständige TIA, illustriert in Abbildung 2, incorporiert ein Bandpassfilter, das die Antwort auf 48 bpm–390 bpm begrenzt und hochfrequente Umgebungslichtschwankungen unterdrückt. Der Filterausgang, gezeigt in Abbildung 3, demonstriert einen sauberen 120 bpm Reiz bei 1 nA Photodiodenstrom.

Abbildung 2: Vollständiger TIA-Schaltkreis mit Bandpassfilter. -3 dB Ansprechen von 48 bpm bis 390 bpm.

Abbildung 3: Filterausgangsantwort auf 1 nA Photodioden-Wechselstrom bei 0,5 Hz (120 bpm).

Das Design toleriert Komponentenvariationen: 5 % Widerstände und 10 % Kondensatoren waren ausreichend. Der balancierte AC-Eingang und die Tiefpassstufe bieten exzellente Unterdrückung von 50/60 Hz Netzbrummen, eliminieren Brummen sogar bei Hautkontakt der Photodiode.

Fazit

Der Einsatz eines AC-koppelten TIA in Grün-LED PPG-Sensoren reduziert die Anfälligkeit für Umgebungslicht, Fingerplatzierung und Bewegungsartefakte drastisch. Der moderate Kosten der zusätzlichen Komponenten wird durch Gewinne in Rausimmunität, Positionstoleranz und Messbereich überwogen – was diesen Ansatz ideal für Consumer Health Devices macht.

Abbildung 4: Relative Positionen von LED, Photodiode und Hautoberfläche.

Referenzen

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

— Dave Conrad ist ein pensionierter Elektronikingenieur mit Erfahrung in Power, Video, Analog, Digital, Mixed Signal und Software Design.

► Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EDN veröffentlicht.

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