STMicroelectronics ST1VAFE3BX生物传感器具有垂直模拟前端 (vAFE)，可检测生物电势信号，并设有跟踪运动的高性能3轴数字加速度计。 STMicroelectronics ST1VAFE3BX设计为紧凑、低噪声、低功耗，具有可配置的输入阻抗。 vAFE能够读取与运动数据互补的模拟信号，通过信号同步实现低延迟、情景感知的边缘分析。电压反馈和加速度计易于集成，可独立处理MEMS传感器中的数据，从微控制器卸载任务。高级特性包括有限状态机 (FSM)、自适应自配置 (ASC)，以及用于信号处理和导出AI滤波器的机器学习内核 (MLC)。

数据手册：*附件：STMicroelectronics ST1VAFE3BX生物传感器（带vAFE）数据手册.pdf

特性

• 双通道，用于生物电势信号检测和运动跟踪
• 电源电压范围：1.62V至3.6V
  • 独立IO电源（1.62V至3.6V），用于^I2C^和SPI接口
  • 独立IO电源（扩展范围：1.08V至3.6V），用于MIPI ^I3C^ ^®^ 接口
• 超低电源电流：50µA（典型值），关断电流为2.2µA
• 生物电势信号检测通道，带模拟集线器
  • 单通道差分输入放大器 (vAFE)
  • 可编程增益和输入阻抗
  • 12位ADC分辨率
  • 仅使用模拟集线器/vAFE通道时，ODR高达3200Hz
• 加速度计通道
  • 低噪声：低至220µg/√Hz
  • 可编程满量程：±2g/±4g/±8g/±16g
  • ODR：1.6 Hz至800 Hz
• 嵌入式机器学习内核，用于高达1.6kHz模拟集线器/vAFE数据
• 可编程有限状态机，用于高达1.6kHz模拟集线器/vAFE数据
• 基于传感器处理输出（FSM/MLC）的自适应自配置（ASC）
• 嵌入式FIFO，多达128个加速度计和模拟集线器/vAFE数据样本，或256个低分辨率加速度计数据样本
• 高速 ^I2C^ /SPI/MIPI^I3C^数字输出接口
• 高级计步器、步进检测器和步进计数器
• 自检
• 2.0mm x 2.0mm x 0.74mm (最大值)，LGA 12引脚封装
• 高冲击生存率：10000 g
• 符合ECOPACK和RoHS指令

框图

ST1VAFE3BX生物传感器技术解析与应用指南

一、产品概述

ST1VAFE3BX是STMicroelectronics推出的一款集成垂直模拟前端(vAFE)的生物传感器，专为生物电位信号检测和超低功耗运动跟踪而设计。该器件采用LGA-12L封装（2.0×2.0×0.74mm），工作温度范围为-40°C至+85°C，主要面向可穿戴设备、便携式医疗设备及健康监测应用。

‌核心特性‌：

• 双通道设计：生物电位信号检测+3轴数字加速度计
• 超低功耗：典型工作电流仅50μA，待机模式2.2μA
• 宽电压范围：1.62V至3.6V供电（I/O接口独立供电）
• 嵌入式AI功能：机器学习核心(MLC)和有限状态机(FSM)
• 高抗冲击性：可承受10,000g机械冲击

二、关键技术参数

1. 生物电位信号通道

• ‌vAFE前端‌：可编程增益(×2至×16)和输入阻抗(100MΩ至1GΩ)
• ‌ADC分辨率‌：12位（可扩展至14位）
• ‌采样率‌：最高3200Hz（仅vAFE激活时）
• ‌ 共模抑制比(CMRR) ‌：80dB（典型值）

2. 加速度计通道

• ‌量程‌：±2g/±4g/±8g/±16g可编程
• ‌噪声密度‌：低至220μg/√Hz
• ‌ 输出数据率(ODR) ‌：1.6Hz至800Hz可调

3. 数据处理能力

• ‌嵌入式FIFO‌：128样本（加速度+vAFE）或256样本（仅加速度）
• ‌机器学习核心‌：支持4个决策树并行处理
• ‌同步采集‌：vAFE与加速度数据硬件同步

三、典型应用场景

1. 医疗健康监测

• ‌ECG/EEG/ENG信号采集‌：通过vAFE通道实现高阻抗生物电位测量
• ‌活动追踪‌：结合加速度数据实现步数统计、跌倒检测
• ‌睡眠监测‌：利用超低功耗模式延长设备续航

2. 可穿戴设备

• ‌智能手表/手环‌：集成生物信号与运动数据分析
• ‌医疗贴片‌：小尺寸+低功耗特性适合长期佩戴
• ‌运动监测‌：内置的MLC可识别跑步、游泳等运动模式

四、系统设计要点

1. 硬件设计

• ‌电源管理‌：建议VDD和VDDIO分别配置10μF+100nF去耦电容
• ‌电极接口‌：需外接5kΩ限流电阻和460pF滤波电容（见图13电路）
• ‌抗干扰设计‌：差分输入架构可有效抑制共模干扰

2. 工作模式配置

• ‌四阶功耗模式‌：
  • 高性能模式（全带宽）
  • 低功耗模式（带抗混叠滤波）
  • 超低功耗模式（1.6Hz ODR）
  • 单次采样模式（按需触发）

3. 数据处理优化

• ‌FIFO应用‌：支持6种工作模式（包括连续存储、触发存储等）
• ‌机器学习集成‌：提供特征提取、滤波和模式识别功能
• ‌数据同步‌：硬件保证vAFE与加速度数据的时序一致性

五、开发建议

1. ‌寄存器配置‌：建议通过SPI接口（最高10MHz）进行批量配置
2. ‌运动补偿‌：利用同步特性消除运动伪影对生物信号的影响
3. ‌功耗优化‌：
   • 使用活动检测自动切换ODR
   • 合理设置FIFO水位线减少MCU唤醒次数
4. ‌AI模型部署‌：ST提供Unico GUI工具简化MLC/FSM编程

六、设计注意事项

• ‌ESD防护‌：所有引脚需满足HBM 2kV标准
• ‌热设计‌：注意结壳热阻RθJC对高温环境应用的影响
• ‌信号完整性‌：高频信号走线需做50Ω阻抗匹配
• ‌固件升级‌：支持通过I³C接口进行在线更新