AFE4410 带 FIFO 的低功耗集成 AFE技术手册

AFE4410是用于光学生物传感应用的模拟前端，例如心率监测（HRM）。该器件最多支持四个开关发光二极管（LED）和最多三个光电二极管（PD）。来自光电二极管的电流由跨阻放大器（TIA）转换为电压，并使用模数转换器（ADC）进行数字化处理。ADC代码存储在具有可编程深度的128个样本先进先出模块（FIFO）中。FIFO可以使用任一 I 读出^2^C 接口或串行外设接口 （SPI）。AFE 还具有具有 8 位电流控制的完全集成 LED 驱动器。该器件具有高动态范围发射和接收电路，可提供高达 100 dB 的动态范围，可实现精确的心率感应。AFE 通过使用 ENABLE_ULP 寄存器位设置的超低功耗 （ULP） 模式来实现极低的电流水平。
*附件：afe4410.pdf

特性

• 准确、连续的心率监测：
  • 高达 100 dB 的动态范围，可实现准确的心率检测
  • 在可穿戴设备上连续运行的低电流，典型值：
    • LED 为 30 μA，接收器为 25 μA
• 发射机：
  • 4 个常见阳极配置的 LED
  • 8位可编程LED电流，电流至200 mA
  • 并联点亮两个 LED 的模式
  • 可编程 LED 导通时间
  • 同时支持 3 个 LED 以优化 SpO 2 、HRM 或多波长 HRM
  • 平均电流为 30 μA，足以满足典型的心率监测场景：
    • 20 mA 设置、60 μs 脉冲持续时间、
      25 Hz 采样率
• 接收器：
  • 支持3个时间复用PD输入
  • 以二进制补码格式表示来自PD的电流输入的24位表示
  • 每个 LED 的 TIA 输入端的单个直流失调减法 DAC
    （高达 ±127μA 范围），环境温度
  • ADC输出端的数字环境减法
  • 跨阻增益：10 kΩ至2 MΩ
  • 具有可编程带宽的噪声滤波
  • 接收器以大约 1 μA/Hz 的采样率工作（例如，25 Hz 时为 25 μA）
  • 硬件掉电模式：电流约为0μA
• 灵活的脉冲排序和定时控制
• 通过外部时钟或内部振荡器进行时钟
• 具有 128 个样本深度的 FIFO：
  • 跨相位的可编程分区
• 引脚可选 I^2^C、SPI接口
• 工作温度范围：–20°C 至 +70°C
• 2.6mm × 2.1mm、0.4mm 间距 DSBGA 封装
• 用品：
  • 发射：3 V 至 5.25 V
  • 接收：1.8 V至1.9 V（LDO旁路），
    2.0 V至3.6 V（LDO使能）
  • IO：1.7 V 至 Rx_SUP

参数

方框图

AFE4410 是德州仪器推出的超小型集成模拟前端（AFE），专为可穿戴设备的连续光学生物传感设计，集成 LED 驱动、光电检测、信号转换与数据存储功能，适配心率监测、血氧测量等低功耗场景。

一、核心基础信息

（一）核心定位与关键参数

• 功能定位：支持光学心率监测（HRM）、血氧饱和度（SpO₂）、心率变异性（HRV）等生物传感应用，动态范围达 100 dB，保障检测准确性。
• 功耗表现：超低功耗设计，典型工作电流仅 30 µA（LED 驱动）+25 µA（接收端），硬件掉电模式电流接近 0 µA，适配可穿戴设备续航需求。
• 工作环境：工作温度范围 -20°C 至 70°C，满足日常穿戴场景的环境适应性要求。

（二）封装与引脚

• 封装类型：30 引脚 DSBGA 封装，尺寸仅 2.60 mm×2.10 mm，0.4 mm 引脚间距，高度最大 0.5 mm，适合空间受限的可穿戴设备。
• 订购型号：核心型号包括 AFE4410YZR（卷带 3000 片）、AFE4410YZT（卷带 250 片），引脚镀层为 SNAGCU，符合 RoHS 标准，MSL 等级 1（260°C 峰值回流）。

二、核心特性与功能模块

（一）LED 驱动与控制

• 驱动能力：支持最多 4 路共阳极 LED，8 位可编程电流控制，最大输出电流 200 mA，支持两路 LED 并联触发模式。
• 时序灵活：可编程 LED 点亮时间，支持 3 路 LED 同时工作，适配多波长心率监测或 SpO₂ 优化测量场景。

（二）光电检测与信号处理

• 接收端配置：支持 3 路时分复用光电二极管（PD）输入，跨阻放大器（TIA）增益可编程（10 kΩ 至 2 MΩ），适配不同光强检测需求。
• 信号优化：内置每路 LED 对应的直流偏移减法 DAC（±127 µA 范围），ADC 输出端支持数字环境光减法，配合可编程带宽噪声滤波，提升信号信噪比。
• 模数转换：PD 输入电流以 24 位二进制补码格式数字化，确保信号检测精度。

（三）数据存储与接口

• 数据缓存：集成 128 样本深度的 FIFO 缓冲区，支持可编程分区，可暂存检测数据，减轻主机实时读取压力。
• 通信接口：引脚可选择 I2C 或 SPI 接口读取数据，适配不同主机的通信协议需求。

（四）供电与时钟

• 供电范围：LED 驱动（Tx）供电 3 V 至 5.25 V，接收端（Rx）供电 1.8 V 至 1.9 V（LDO 旁路）或 2.0 V 至 3.6 V（LDO 使能），IO 供电 1.7 V 至 Rx_SUP。
• 时钟配置：支持外部时钟或内部振荡器提供时钟信号，适配系统时钟灵活设计。

三、应用场景与设计要点

（一）典型应用

• 可穿戴设备：智能手表、手环的心率监测功能；
• 音频穿戴设备：耳机的生物传感模块；
• 健康监测设备：便携式血氧仪、最大摄氧量（VO₂ Max）检测设备。

（二）设计关键要点

• 布局要求：采用非阻焊定义（NSMD）焊盘设计，激光切割梯形孔钢网优化焊膏释放，确保微小封装的焊接可靠性；
• 电源配置：需严格区分 Tx、Rx 及 IO 供电域，避免电源噪声耦合影响信号检测精度；
• 接口选择：根据主机资源灵活选择 I2C 或 SPI 接口，FIFO 深度可按需编程，平衡数据传输效率与系统功耗。

四、核心优势

• 高度集成：整合 LED 驱动、信号放大、ADC 转换、FIFO 存储，减少外部元器件数量，缩小整体方案体积；
• 低功耗适配：针对性优化的电流控制策略，配合可编程时序，最大化可穿戴设备续航；
• 灵活适配：多 LED/PD 支持、可编程增益与时序，兼容不同生物传感算法与硬件配置需求。