Texas Instruments AFE4460超小型集成模拟前端是一款面向诸如心率监测 (HRM) 和周围毛细血管氧饱和度 (SpO2) 测量等光学生物传感应用的模拟前端。AFE4460模拟前端支持多达32个可切换发光二极管 (LED) 和四个光电二极管 (PD)。

数据手册：*附件：Texas Instruments AFE4460超小型集成模拟前端数据手册.pdf

TI AFE4460超小型集成模拟前端配有两个带8位电流控制的LED驱动器。该AFE具有宽动态范围的发送和接收电路，有助于检测超小信号电平。此外，该器件可定义多达16个信号相位集，每个相位集都包含LED和环境相位的组合。

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，4个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代码可存储在256样本的FIFO块中，可使用SPI或I^2^C接口读取FIFO。

特性

• 支持多达16个相位集的信号采集
• 支持多达32个LED和4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：LED为15µA，接收器为15µA
  • 系统峰值SNR为115dB
• 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6个LED，适用于SpO2、多波长HRM和光谱分析
• 接收器：
  • 支持4个时间多路复用PD输入
  • 4个并行接收器（4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，256个样品深度
• SPI™接口/I^2^C接口
• 2.6mm x 2.6mm DSBGA封装，0.4mm间距
• 电源：Rx：1.7V至1.9V（LDO旁路）；1.9V至3.6V（启用LDO），Tx：3-5.5V，IO：1.7-RX_SUP

框图

基于AFE4460的光学生物传感技术解析与应用

一、AFE4460概述

AFE4460是德州仪器(TI)推出的一款超小型集成模拟前端芯片，专为光学生物传感应用而设计。这款芯片采用2.6mm×2.6mm的DSBGA封装，具有0.4mm的引脚间距，非常适合空间受限的可穿戴设备应用。

该器件支持高达16个相位组的信号采集，能够驱动最多32个LED和4个光电二极管(PD)。其灵活的LED和PD相位分配能力，使得系统可以同时从不同传感器以不同数据速率采集信号，为生物光学传感提供了高度集成的解决方案。

二、关键特性分析

1. 高性能信号链

• ‌低功耗设计‌：典型工作电流仅15μA（LED驱动）和15μA（接收端），特别适合可穿戴设备的连续心率监测
• ‌高信噪比‌：系统峰值SNR达到115dB，可检测极微弱的光学信号变化
• ‌灵活的配置‌：支持同时驱动32个LED，满足SpO2、多波长HRM和光谱分析等应用需求

2. 发射端特性

• 8位可编程LED电流控制（25mA-250mA范围）
• 支持两路LED并行驱动，每相位独立电流控制
• 可编程LED导通时间（按相位配置）
• 3-5.5V的宽电源电压范围

3. 接收端特性

• 支持4路时分复用PD输入
• 4路并行接收通道（含TIA/滤波器）
• 每路TIA输入配备独立的环境光偏移消除DAC（8位/相位控制，最高255μA）
• 独立的LED偏移消除DAC（9位控制，64μA范围）
• 数字环境光消除功能
• 可编程带宽的噪声滤波器
• 跨阻增益可调范围：3.7kΩ至1MΩ

三、典型应用场景

1. 可穿戴健康监测

• ‌ 心率监测(HRM) ‌：在智能手表、耳机等设备中实现连续心率监测
• ‌心率变异性(HRV)分析‌：通过精确的光学信号采集支持HRV分析
• ‌血氧饱和度(SpO2)测量‌：多波长LED支持实现精确的血氧监测

2. 医疗健康设备

• 脉搏血氧仪
• 光学光谱分析设备
• 其他生物光学传感应用

四、系统设计与实现

AFE4460集成了完整的信号链，简化了系统设计：

1. ‌时钟支持‌：可选择外部时钟或内部振荡器（8MHz主振荡器和256kHz辅助振荡器）
2. ‌数据同步‌：支持与系统时钟同步的数据采集
3. ‌数据存储‌：内置256样本深度的FIFO缓冲区
4. ‌接口选项‌：提供SPI和I2C两种数字接口选择
5. ‌电源管理‌：
   • 接收端支持1.7-1.9V（LDO旁路模式）或1.9-3.6V（LDO启用模式）
   • 发射端支持3-5.5V宽电压输入
   • I/O电源与接收端电源关联（1.7-RX_SUP）

五、技术优势

1. ‌高集成度‌：单芯片集成了LED驱动、信号调理和数字化功能
2. ‌灵活配置‌：支持多达16个相位组的信号采集配置
3. ‌优异的噪声性能‌：通过多级偏移消除和可编程滤波实现高信噪比
4. ‌低功耗设计‌：特别适合电池供电的便携式设备
5. ‌小尺寸封装‌：2.6mm×2.6mm的超小尺寸满足可穿戴设备的设计需求