AFE4460 技术文档总结

该AFE4460是用于光学生物传感应用的模拟前端，例如心率监测 （HRM） 和外周毛细血管氧饱和度 （SpO2）。该器件支持多达 32 个开关发光二极管 （LED） 和多达 4 个光电二极管 （PD）。AFE 有两个 LED 驱动器，每个驱动器具有 8 位电流控制。该器件具有高动态范围的发射和接收电路，有助于检测非常小的信号电平。最多可以定义 16 个信号相位组，每个相位组包括 LED 和环境相位的组合。可以自动控制接收器输入端的低噪声偏移DAC，以消除环境光和LED光的直流电。来自每相 4 个 PD 中每个 PD 的电流通过 TIA 转换为电压，经过滤波，然后使用公共 ADC 进行数字化。ADC代码可以存储在256个采样的FIFO模块中。可以使用 SPI 或 I 读出 FIFO^2^C 接口。
*附件：afe4460.pdf

特性

• 支持多达 16 个相位组的信号采集
• 支持多达 32 个 LED、4 个 PD
• 每相灵活分配 LED、PD
• 以不同的数据速率同时从不同传感器采集信号
• 准确、连续的 PPG 监测：
  • 低电流，用于在可穿戴设备上连续监测心率，典型值：LED 为 15 μA，接收器为 15 μA
  • 峰值系统信噪比为 115 dB
• 发射机：
  • 8位可编程LED电流，范围可调范围为25 mA至250 mA
  • 两个 LED 并联点亮的模式，具有独立的每相电流控制
  • 每相可编程 LED 导通时间
  • 同时支持 32 个 LED 用于 SpO2、多波长 HRM 和光谱学
• 接收器：
  • 支持4个时间复用PD输入
  • 4 个并行接收器（4 组 TIA/滤波器）
  • 每个TIA输入端均有单独的环境失调减法DAC，每相控制为8位，范围可调至255 μA
  • 每个TIA输入端的单独LED失调减法DAC，每相控制9位，范围为64μA
  • ADC输出端的数字环境减法
  • 具有可编程带宽的噪声滤波
  • 跨阻增益：3.7 kΩ 至 1 MΩ
• 支持外部时钟或内部振荡器
• 可选择采集与系统时钟同步的数据
• 自动消除环境、LED 的直流
• 具有 256 个样本深度的 FIFO
• SPI™接口/I2C接口
• 2.6 mm × 2.6 mm DSBGA，0.4 mm 间距
• 电源：Rx：1.7 - 1.9 V（LDO旁路）;1.9 - 3.6 V（启用 LDO），Tx：3-5.5 V，IO：1.7-RX_SUP

参数

一、产品核心定位

AFE4460 是德州仪器（TI）推出的 超小型集成光学生物传感模拟前端（AFE） ，专为可穿戴设备、入耳式设备的光学生物检测场景设计，如心率监测（HRM）、心率变异性（HRV）、脉搏血氧饱和度（SpO₂）测量及光学光谱分析。其核心优势在于高集成度、低功耗与灵活的光源 - 探测器配置，采用 2.6mm×2.6mm 36 引脚 DSBGA 超小封装，可在 - 40°C 至 + 85°C 温度范围内稳定工作，适配空间受限的便携式医疗与消费电子设备。

二、关键特性

1. 灵活的光源与探测器配置

• 多 LED 驱动能力 ：支持最多 32 个发光二极管（LED），配备 2 路独立 LED 驱动器，每路具备 8 位可编程电流控制功能，电流范围可调节（25mA-250mA），满足不同波长 LED（如红光、红外光）的驱动需求，适配 SpO₂多波长检测场景。
• LED 并行触发模式 ：支持 2 个 LED 并行触发，且每相位可独立控制电流，提升信号强度与检测效率。
• 多 PD 接收支持 ：支持 4 个时分复用光电二极管（PD）输入，配备 4 组并行接收器（含跨阻放大器 TIA 与滤波器），可同时采集不同传感器信号，适配多位置生物检测（如手指、手腕）。

2. 高精度信号采集与处理

• 低噪声与高信噪比 ：
  • 接收端集成低噪声 TIA，跨阻增益可配置（3.7kΩ-1MΩ），适配微弱光电流信号（如 PD 产生的 nA 级电流）。
  • 系统峰值信噪比（SNR）达 115dB，结合可编程带宽噪声滤波，确保微小生物信号（如脉搏波动）的精准采集。
• 自动直流抵消 ：
  • 每个 TIA 输入端配备独立环境光偏移抵消 DAC（8 位控制，最大 255μA 范围）与 LED 偏移抵消 DAC（9 位控制，64μA 范围），可自动消除环境光与 LED 直流分量干扰。
  • ADC 输出端支持数字环境光减法，进一步提升信号纯度，减少背景光对检测结果的影响。

3. 灵活的相位与数据采集控制

• 多相位信号采集 ：支持最多 16 个相位组配置，每个相位组包含 LED 发光相位与环境光采集相位，可自定义每个相位的 LED 开启时间，适配不同检测算法（如连续心率监测、间歇 SpO₂测量）。
• 多速率同步采集 ：支持不同传感器以不同数据率同时采集信号，满足复杂生物检测场景下的多参数同步监测需求（如心率与血氧同时测量）。
• 数据缓存与接口 ：内置 256 样本深度 FIFO（先进先出）缓存器，可暂存 ADC 转换数据，减轻主机处理器负担；支持 SPI 与 I²C 两种串行接口，方便与微控制器（MCU）通信。

4. 低功耗与时钟灵活性

• 低功耗设计 ：典型工作电流极低，LED 与接收器各约 15μA，适配可穿戴设备等电池供电场景，延长设备续航。
• 时钟选项 ：支持外部时钟输入或内部 256kHz 振荡器，可选择与系统时钟同步采集数据，确保多设备协同工作时的时序一致性。

三、典型应用场景

1. 可穿戴设备心率监测（HRM） ：如智能手表、手环，通过 LED 发射光与 PD 接收反射光，检测血液流动引起的光强变化，计算心率。
2. 脉搏血氧饱和度（SpO₂）测量 ：驱动红光与红外光 LED，通过 PD 接收不同波长光的吸收差异，计算血氧饱和度。
3. 心率变异性（HRV）分析 ：高精度采集脉搏间隔信号，为心血管健康评估提供数据支持。
4. 光学光谱分析 ：支持多波长 LED 配置，通过分析不同波长光的吸收 / 反射特性，实现特定生物标志物检测。

四、器件信息与订购参数

1. 基础器件信息

型号	封装类型	主体尺寸（标称）	引脚数
AFE4460	36 引脚 DSBGA（YBG）	2.60mm×2.60mm	36

2. 订购选项详情

可订购器件	状态	封装类型	每卷数量（SPQ）	环保标准	引脚镀层	湿度敏感等级（MSL）	工作温度（°C）	器件标识
AFE4460YBGR	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	3000（大卷带）	RoHS 合规	SNAGCU	1 级 - 260°C - 无限制	-40 至 85	AFE4460
AFE4460YBGR.A	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	3000（大卷带）	RoHS 合规	SNAGCU	1 级 - 260°C - 无限制	-40 至 85	AFE4460
AFE4460YBGT	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	250（小卷带）	RoHS 合规	SNAGCU	1 级 - 260°C - 无限制	-40 至 85	AFE4460
AFE4460YBGT.A	现役（Active）	36 引脚 DSBGA（YBG）	250（小卷带）	RoHS 合规	SNAGCU	1 级 - 260°C - 无限制	-40 至 85	AFE4460

五、电气与封装特性

1. 电源需求

• 接收端电源（Rx） ：LDO 旁路模式下 1.7-1.9V；LDO 使能模式下 1.9-3.6V。
• 发射端电源（Tx） ：3-5.5V，适配 LED 驱动的高电压需求。
• IO 电源 ：1.7-Rx_SUP，与接收端电源兼容，简化供电设计。

2. 封装与热特性

• 封装类型 ：36 引脚 DSBGA（裸片级球栅阵列），球间距 0.4mm，主体尺寸仅 2.6mm×2.6mm，适合空间受限的微型设备。
• 热管理 ：需注意 PCB 布局时的散热设计，建议将散热区域与接地平面连接，避免局部温度过高影响性能。

六、设计与应用指导

1. 硬件设计建议

• 电源 decoupling ：电源引脚（Rx_SUP、Tx_SUP）需靠近引脚并联陶瓷电容（如 0.1μF+10μF），降低电源噪声对模拟信号的干扰。
• LED 与 PD 布局 ：LED 与 PD 需靠近放置，减少光路损耗；PD 输入路径需做阻抗匹配，避免信号反射，同时远离数字信号线，减少电磁干扰（EMI）。
• 接地设计 ：模拟地（AGND）与数字地（DGND）建议单点连接，TIA 及滤波电路区域需单独接地，避免数字噪声串扰模拟信号。

2. 接口与通信配置

• SPI/I2C 选择 ：根据主机 MCU 接口资源选择通信方式，SPI 速率更高（适合高速数据读取），I2C 引脚更少（适合简化布线）；通信前需配置相应寄存器选择接口模式。
• FIFO 使用 ：数据采集时建议使能 FIFO，待 FIFO 存储一定样本（如 64 个）后批量读取，减少主机中断频率，降低系统功耗。

3. ESD 防护

器件易受静电损坏，需遵循 ESD 防护流程（如佩戴防静电手环、使用防静电包装），避免运输与焊接过程中因静电导致性能退化或失效。