‌基于AFE4432的光学生物传感技术解析与应用

Texas Instruments AFE4432模拟前端 (AFE) 用于光学生物传感应用，例如心率监测 (HRM) 和血氧饱和度 (SpO 2 ) 测量。该器件支持多达四个开关可发光二极管 (LED) 和多达三个光电二极管。该AFE具有两个LED驱动器，每个驱动器均具有8位电流控制功能。Texas Instruments AFE4432具有宽动态范围的发射和接收电路，有助于感测超小信号电平。最多可定义12个信号相位集，每个相位集由LED和环境相位组合组成。接收器输入端的低噪声失调DAC可自动控制，从而消除环境光和LED光产生的直流。在各相位中，PD所产生的电流先经TIA转换为电压，再滤波，然后使用通用ADC进行数字化。ADC编码可存储到160采样先入先出 (FIFO) 存储块。FIFO可通过SPI或I^2^C接口读出。

数据手册：*附件：Texas Instruments AFE4432集成模拟前端 (AFE)数据手册.pdf

特性

• 支持多达12个相位集的信号采集
• 支持多达4个LED和3个PD
• 在每个相位内均可实现灵活的LED和PD分配
• 以不同数据速率同时从不同传感器采集信号
• 精确、连续的PPG监测
  • 可穿戴设备连续监测心率的低电流，其典型值为：15µA（接收器）
  • 0.5-10Hz频段下的峰值系统SNR为115dB ，可实现高精度SpO2测量
• 发射器
  • 8位可编程LED电流，在25mA至250mA范围内可调
  • 为两个并联LED供电的模式，独立的每相电流控制
  • 可编程的每相LED导通时间
  • 同时支持4个LED，用于SpO 2 、多波长HRM
• 接收器
  • 支持3个时间多路复用PD输入
  • 两个并行接收器（两组TIA/滤波器）
  • 每个TIA输入处独立环境偏移减法DAC，具有8位每相控制，范围可调至255µA
  • 每个TIA输入端具有单独的LED失调电压消减DAC，各相控制均为9位，范围为64µA
  • ADC输出端的数字环境消减
  • 具有可编程带宽的噪声过滤功能
  • 跨阻抗增益：3.7KΩ至1MΩ
• 支持外部时钟或内部振荡器
• 可选择以与系统时钟同步的方式获取数据
• 从环境、LED自动取消直流
• FIFO，160采样深度
• SPI™接口/I^2^C接口
• 1.9mm × 1.8mm DSBGA，0.35mm脚距
• 电源
  • Rx：1.7V至1.9V
  • Tx：3V至5.5V

框图

基于AFE4432的光学生物传感技术解析与应用‌

‌引言‌
德州仪器（TI）的AFE4432是一款专为光学生物传感设计的超小型集成模拟前端（AFE），适用于穿戴式设备和健康监测领域。其高集成度与低功耗特性，使其成为心率监测（HRM）和血氧饱和度（SpO2）测量的理想解决方案。本文将从技术特性、工作原理及应用场景三方面展开分析。

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‌一、核心特性与性能优势‌

1. ‌多通道灵活配置‌
   • 支持‌4路LED驱动‌和‌3路光电二极管（PD）输入‌，可灵活分配各相位组的LED与PD组合。
   • 12组相位设定能力，满足多波长HRM和SpO2测量的动态需求。
2. ‌高精度信号处理‌
   • ‌超低功耗接收器‌：典型值12μA，适合穿戴设备持续心率监测。
   • ‌ 115dB系统信噪比（SNR） ‌（0.5-10Hz频段），保障SpO2测量的高准确性。
   • 可编程LED驱动电流（25mA~250mA）及独立相位控制，适配不同传感器需求。
3. ‌集成化设计‌
   • 内置‌160样本深度的FIFO‌，支持SPI/I2C接口数据读取。
   • 1.9mm×1.8mm DSBGA封装，极小尺寸适合空间受限场景。

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‌二、工作原理详解‌

AFE4432通过以下流程实现生物信号采集：

1. ‌发射端‌：
   • 可编程LED驱动电流激发不同波长的光源（如红光/红外光）。
   • 支持多LED并行工作，通过时序控制消除环境光干扰。
2. ‌接收端‌：
   • PD接收反射光信号，经跨阻放大器（TIA）转换为电压信号。
   • 内置‌环境光抵消DAC‌（8位控制）和‌LED偏移补偿DAC‌（9位控制），有效消除直流分量。
   • 数字滤波后通过24位ADC量化，数据存储至FIFO供外部MCU处理。
3. ‌时序同步‌：
   • 支持外部时钟或内部振荡器（4MHz/256kHz），确保多传感器数据同步采集。

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‌三、典型应用场景‌

1. ‌穿戴式健康设备‌
   • 连续心率监测（HRM）与心率变异性（HRV）分析。
   • 血氧饱和度（SpO2）检测，适用于运动健康与医疗级设备。
2. ‌多波长生物传感‌
   • 通过多LED组合（如绿光/红光/红外光）实现组织成分分析。
3. ‌低功耗设计‌
   • 接收器1.7-1.9V供电，发射器3-5.5V宽电压范围，适配电池供电场景。