AC 커플링 트랜스임피던스 증폭기로 그린 LED 심박수 센서의 주변광 노이즈 제거

AC 커플링 트랜스임피던스 증폭기로 그린 LED 심박수 센서의 주변광 노이즈 제거

그린 LED 광전맥파(PPG) 센서는 이제 웨어러블, 폰, 피트니스 트래커의 표준입니다. 저렴하고 단순하지만, 신뢰할 수 있는 심박수 측정을 저하시키거나 심지어 방해할 수 있는 환경 간섭에 취약합니다.

일반적인 오류 소스에는 손가락 위치 민감도, LED-센서 거리 변화, 그리고 가장 중요하게는 포토다이오드 신호를 압도하는 밝은 주변광이 포함됩니다. 이를 해결하기 위해 포토다이오드의 주변 조명으로 인한 DC 성분을 차단하면서 변조된 펄스 신호는 보존하는 AC 커플링 트랜스임피던스 증폭기(TIA)를 설계했습니다.

시뮬레이션 결과 AC 커플링이 포토다이오드의 DC 바이어스를 차단하여 센서 가까이 놓인 햇빛이나 100W 백열전구를 효과적으로 필터링함을 확인했습니다. 그림 1에 표시된 회로는 안정적인 기준선을 유지하기 위해 저노이즈 2.5V 레퍼런스를 사용합니다.

그림 1: 저노이즈 2.5V 레퍼런스 레벨을 가진 AC 커플링 TIA.

시뮬레이션 검증을 위해 Yi T1-3/4 또는 5mm "불렛" 포토다이오드와 표준 그린 LED를 모두 표면실장 패키지로 사용하여 프로토타입을 제작했습니다. 포토다이오드가 100W 전구에서 몇 인치 이내에 있어도, 손목을 최대 6인치 떨어진 곳에 두었을 때에도 센서는 여전히 선명한 펄스를 생성했습니다. 모션 민감도도 무시할 만했습니다.

그림 2에 도시된 완전한 TIA는 48bpm~390bpm으로 응답을 제한하고 고주파 주변광 변동을 억제하는 대역통과 필터를 포함합니다. 그림 3에 표시된 필터 출력은 1nA 포토다이오드 AC 전류에서 0.5Hz(120bpm)의 깨끗한 자극 응답을 보여줍니다.

그림 2: 대역통과 필터를 포함한 완전한 TIA 회로. -3dB 응답 48bpm~390bpm.

그림 3: 0.5Hz(120bpm)에서 1nA 포토다이오드 AC 전류에 대한 필터 출력 응답.

이 설계는 부품 변동을 허용합니다: 5% 저항과 10% 커패시터로 충분했습니다. 균형 잡힌 AC 입력과 저역 통과 단계는 50/60Hz 라인 노이즈를 훌륭하게 제거하여 포토다이오드가 피부에 접촉해도 험을 없앱니다.

결론

그린 LED PPG 센서에 AC 커플링 TIA를 사용하면 주변광, 손가락 위치, 모션 아티팩트에 대한 감수성을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 추가 부품의 적은 비용은 노이즈 내성, 위치 허용도, 측정 범위의 향상으로 상쇄되어 이 접근법이 소비자 건강 기기에 이상적입니다.

그림 4: LED, 포토다이오드, 피부 표면의 상대적 위치.

참고문헌

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

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

► 이 기사는 자매 사이트인 EDN에 원래 게재되었습니다.

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