심박수 모니터의 밝은 주변광 완화

AC 결합 트랜스임피던스 증폭기를 사용하면 녹색 LED를 크게 개선할 수 있습니다. 조명된 심장 박동 센서의 소음 및 기타 외부 환경 입력에 대한 내성.

단순함과 저렴한 비용 덕분에 녹색 LED 조명 심장 박동 센서는 이제 대부분의 소비자 건강 제품과 많은 전화 및 손목 시계에서 볼 수 있는 거의 유비쿼터스입니다. 그러나 모든 장점에도 불구하고 정확도와 경우에 따라 측정 능력을 저하시키는 환경 요인의 영향을 자주 받는 것으로 나타났습니다.

이러한 요인에는 손가락 위치에 대한 민감도, LED 소스와 센서 사이의 거리 변화, 주변광 침입이 포함됩니다. 이로 인해 태양광이나 포토다이오드 센서에 가까운 100W 백열 전구와 같은 밝은 주변광에 훨씬 덜 민감한 AC 결합 트랜스임피던스 증폭기(TIA)를 만드는 방법에 대해 생각하게 되었습니다.

시뮬레이션 결과 아이디어가 잘 작동했으며 포토다이오드의 DC 전류(주변광 응답을 시뮬레이션하기 위해 DC 오프셋 바이어스가 있는 AC 전류 소스로 모델링됨)가 TIA 입력에 대한 AC 커플링에 의해 거부되었음을 보여주었습니다.

그림 1:저잡음 2.5V 기준 레벨의 AC 결합 TIA.

시뮬레이션을 검증하기 위해 이미 가지고 있는 구성 요소, 특히 Yi T1-3/4 또는 5mm "총알" 포토다이오드와 일반 녹색 LED를 사용하여 예비 회로를 브레드보드했습니다. 두 장치 모두 가까운 거리에서도 작동하는 표면 실장 패키지에 보관되었습니다. 더 먼 거리의 펄스 감지가 필요한 경우 시야를 줄이기 위해 SMD 패키지에 렌즈가 포함된 부품을 사용해야 할 수 있습니다.

결과 회로는 100W 백열 전구가 가능한 한 포토다이오드에 가깝게 배치된 경우에도 포토다이오드/LED 설정에서 최대 6인치 거리에서 내 손목에서 우수한 펄스 감도를 보여주었습니다. 포토다이오드 및 LED). 마찬가지로, 신체 움직임(내 손목)에 대한 새로운 회로의 감도는 최소였습니다.

이것은 위의 결과에 대해 구축 및 테스트된 고역 통과 및 저역 통과 필터를 포함하여 시뮬레이션된 전체 회로입니다.

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그림 2:전체 TIA 회로에는 대역 통과 필터가 포함되어 있어 신체 움직임과 빠른 주변광 변화에 대한 민감도를 줄이는 데 도움이 됩니다. 그림과 같이 회로의 응답은 48bpm에서 390bpm까지 -3dB입니다.

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그림 3:0.5Hz 또는 120bpm 자극에서 1nA 포토다이오드 AC 전류에 대한 필터 출력 응답

여기에 구현된 TIA는 구성 요소 변동에 상당히 둔감합니다. 허용 오차가 5%인 저항과 허용 오차가 10%인 커패시터를 사용했습니다. 균형 잡힌 AC 입력과 저역 통과 필터는 AC 라인 유도 노이즈를 탁월하게 제거합니다.

결과적으로 내 피부를 플라스틱 포토다이오드 패키지에 더 가까이 가져갔을 때 출력 신호에서 "윙윙거리는 소리"가 들리지 않았습니다. 근처의 100W 전구에서 생성된 배경 조명에 대한 120Hz 응답은 없습니다. 또한 회로는 주변광 제거 테스트 중에 포토다이오드에 대한 전구의 근접성에 대해 60Hz 응답을 나타내지 않았습니다.

결론

녹색 LED 기반 펄스 센서와 관련된 많은 일반적인 문제는 광검출기 회로에서 AC 결합 트랜스임피던스 증폭기를 사용하여 줄이거나 제거할 수 있습니다. 대부분의 애플리케이션에서 TIA 구성 요소와 관련된 추가 비용은 노이즈 내성, 위치 허용 오차 및 감지 범위의 이점보다 훨씬 중요합니다.

그림 4:LED, 포토다이오드 및 피부 표면의 상대적 위치

참조:

• 광다이오드 증폭기:Jerald Graeme의 연산 증폭기 솔루션
• 연산 증폭기:Graeme, Tobey, Huelsman의 설계 및 응용
• 연산 증폭기의 응용:Graeme의 3세대 기술

—Dave Conrad는 전력, 비디오, 아날로그, 디지털, 혼합 신호 및 소프트웨어 설계 경험이 있는 은퇴한 전자 엔지니어입니다.

>> 이 기사는 원래 자매 사이트인 EDN에 게시되었습니다. .

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