AFE4950 超小型集成 AFE技术手册

AFE4950设备是模拟前端 （AFE），用于同步采集 PPG 和 ECG 信号。该设备还可用于光学生物传感应用，例如心率监测 （HRM） 和外周毛细血管氧饱和度 （SpO2）。ECG 信号链支持 2 电极和 3 电极配置，并具有集成的右腿驱动 （RLD） 缓冲器。ECG 信号链还可用于对电极对之间的阻抗进行连续、低功耗的监测。
*附件：afe4950.pdf

特性

• 支持同时同步采集高达 24 PPG 和单导联心电图信号。
• 灵活分配 8 个 LED，每相 4 个 PD
• 心电图信号链：
  • 1 导联心电图信号采集频率高达 2 kHz
  • RLD 输出驱动第三个电极
  • 输入噪声 ： 0.7 μV-rms
  • 支持高达 ±0.65 V 差分直流失调和 +/-0.55 V 共模范围
  • 可编程INA增益：11、21
  • 具有快速饱和恢复的高通滤波器
  • 集成 300 Hz 抗混叠低通滤波器
  • 交流、直流引线检测：2.9 nA 至 92.5 nA
  • 低功耗连续导联检测
• 阻抗信号链
  • 连续低功耗监测 2 个电极之间的阻抗
  • 7 MΩ 范围
  • 620 kΩ 时 300 Ω噪声
• PPG变送器：
  • 8位可编程LED电流，范围可调范围为25 mA至250 mA
  • 并联点亮两个 LED 的模式
  • 支持 8 个 LED 的公共阳极配置，用于 SpO2、多波长 HRM
• PPG接收器：
  • 2 个并联接收器（两组 TIA/滤波器）
  • 支持每个接收器4个时间复用光电二极管输入
  • 每个TIA输入端的8位环境失调减法，范围为256 μA
  • 8位LED失调减法DAC，范围为64 μA
  • TIA 输入处的自动环境消除和动态 LED 直流消除
  • 环境抑制接近 100 dB，最高 10 Hz
  • 具有可编程带宽的噪声滤波
  • 跨阻增益：3.7 kΩ 至 1 MΩ
• 准确、连续的心率监测：
  • 系统信噪比高达109 dB（16 μA PD电流）
  • 低电流，可在可穿戴设备上连续工作，典型值：LED为15μA，接收器为20μA
• 外部时钟和内部振荡器模式
• 采集与系统主时钟同步的数据
• 具有 256 个样本深度的 FIFO
• SPI，我^2^C 接口：可通过引脚选择
• 2.6 mm × 2.5 mm DSBGA，0.4 mm 间距
• 电源：Rx：1.7-1.9V（LDO旁路）;1.9-3.6V（启用 LDO），发射：3-5.5V，IO：1.7-RX_SUP

参数

方框图

AFE4950 是德州仪器推出的超小型集成模拟前端（AFE），核心优势为同步采集 PPG 与 ECG 信号、低功耗与高集成度，专为可穿戴设备的心率监测、血氧检测（SpO₂）及生物电传感设计。

核心参数与特性

• 信号采集能力：支持同步采集 24 路 PPG 信号与 1 导联 ECG 信号，ECG 采样率最高 2 kHz，输入噪声低至 0.7 µV-rms，共模电压范围 ±0.55 V，差分直流偏移 ±0.65 V。
• PPG 收发性能：8 路 LED 驱动（共阳极配置），8 位可编程电流 25 mA-250 mA，支持双 LED 并联触发；4 路光电二极管（PD）输入，2 组并行接收器（含 TIA / 滤波器），跨阻增益 3.7 kΩ-1 MΩ。
• 噪声与抗干扰：环境光抑制比接近 100 dB（≤10 Hz），内置环境光与 LED 直流偏移抵消电路；ECG 通道集成 300 Hz 抗混叠低通滤波器，系统 SNR 最高 109 dB（16 µA PD 电流）。
• 供电与封装：接收端供电 1.7V-1.9V（LDO 旁路）/1.9V-3.6V（LDO 使能），发射端 3V-5.5V，IO 口 1.7V-RX_SUP；36 引脚 DSBGA 封装（2.6mm×2.5mm），工作温度 - 40°C-85°C。

关键功能设计

• 多信号同步采集：PPG 与 ECG 信号同步获取，支持血压估算、心率变异性（HRV）分析等复合传感场景。
• 灵活接口与存储：可选 SPI/I²C 通信接口，内置 256 样本深度 FIFO，支持外部时钟或内部振荡器模式，适配系统主时钟同步。
• 生物电与阻抗监测：ECG 支持 2/3 电极配置，集成右腿驱动（RLD）缓冲；可连续低功耗监测两电极间阻抗，范围达 7 MΩ，导联脱落检测电流 2.9 nA-92.5 nA。
• 低功耗优化：LED 工作电流典型值 15 µA，接收器 20 µA，满足可穿戴设备长时间续航需求。

典型应用场景

• 可穿戴设备：智能手表、手环等的心率监测（HRM）、血氧饱和度（SpO₂）测量，支持多波长 PPG 传感。
• 健康监测设备：同步 PPG/ECG 数据采集的血压估算设备、心率变异性分析仪器，低功耗生物电传感模块。

设计与使用建议

• 电源与去耦：接收端、发射端与 IO 口需独立供电，就近并联低 ESR 陶瓷去耦电容，减少电源噪声干扰。
• 布局注意：LED 与 PD 布线需缩短路径，避免串扰；模拟信号与数字信号分区域布局，接地平面完整，提升抗干扰能力。
• 接口配置：根据系统需求选择 SPI 或 I²C 接口，FIFO 配置可减少主机通信频率，降低系统功耗。
• 传感优化：LED 电流与 PD 增益需根据传感距离、环境光条件校准；ECG 电极需确保接触良好，利用 RLD 功能提升共模抑制比。