AFE4403 核心产品信息总结

该AFE4403是一款完全集成的模拟前端 （AFE），非常适合脉搏血氧仪应用。该器件由一个低噪声接收器通道组成，该通道集成了模数转换器 （ADC）、一个 LED 发射部分以及用于传感器和 LED 故障检测的诊断功能。该器件是一个非常可配置的定时控制器。这种灵活性使用户能够完全控制器件时序特性。为了简化时钟要求并为AFE4403提供低抖动时钟，还集成了一个振荡器，该振荡器由外部晶体运行。该器件使用 SPI™ 接口与外部微控制器或主机处理器通信。

该器件是一个完整的AFE解决方案，封装在单个紧凑的DSBGA-36（3.07 mm×3.07 mm×0.5 mm）中，额定工作温度范围为–20°C至70°C。
*附件：afe4403.pdf

特性

• 用于脉搏血氧仪和心率监测应用的完全集成 AFE：
• 传输：
  • 集成双 LED 驱动器（H 桥或共阳极）
  • 可选配第三个 LED 支持，用于优化的 SPO2、HRM 或多波长 HRM
  • 高达 110 dB 的动态范围
  • LED电流：
    • 可编程至 100 mA，电流分辨率为 8 位
  • 30 μA + 平均 LED 电流
  • 可编程 LED 导通时间
  • 独立的 LED2 和 LED1 基准电流
• 具有高动态范围的接收通道：
  • 22 位输出，二进制补码格式
  • 高达 105 dB 的动态范围
  • 低功耗：< 650 μA
  • 动态掉电模式，可将电流降低至300 μA
  • 适应非常宽的信号幅度范围：
    • 总可编程增益：10 kΩ至4 MΩ
  • 集成数字环境估计和减法
• 通过外部时钟或晶体灵活时钟：
  • 脉冲频率：62.5 SPS 至 2000 SPS
  • 灵活的脉冲排序和定时控制
  • 输入时钟范围：4 MHz（最小值）至 60 MHz（最大值）
• 集成故障诊断：
  • 光电二极管和 LED 开路和短路检测
• 用品：
  • Rx = 2.0 V 至 3.6 V
  • 发射 = 3.0 V 至 5.25 V
• 封装：紧凑型 DSBGA-36（3.07 mm × 3.07 mm × 0.5 mm）
• 指定温度范围：0°C–20°C 至 70°C

参数

方框图

AFE4403 是德州仪器推出的超小型集成模拟前端（AFE），专为脉搏血氧仪（SPO₂）和心率监测（HRM）设计，核心优势为高动态范围、低功耗及一体化 LED 驱动与信号采集功能，适配医疗与工业光度测量场景。

一、核心产品参数

1. 基础规格

• 分辨率与通道：22 位 ADC 分辨率，支持双路 LED（RED/IR）+ 可选第三路 LED 驱动，单通道光电二极管输入
• 采样与转换性能：脉冲重复频率（PRF）62.5-2000 SPS；ADC 转换时间 50 µs，支持多样本平均降噪
• 封装与温度：36 引脚 DSBGA 封装（3.07mm×3.07mm×0.5mm）；工作温度 -20°C 至 70°C
• 电源与功耗：接收端电源 2.0-3.6 V，发射端电源 3.0-5.25 V；正常工作电流 < 650 µA，动态掉电模式低至 300 µA，完全掉电模式电流 1-5 µA

2. 输入与性能特性

• 输入范围：跨阻放大器（TIA）反馈电阻可编程（10 kΩ-1 MΩ），满量程输入电流 0.5 µA-50 µA（随增益变化）
• 动态性能：发射端动态范围达 110 dB，接收端动态范围达 105 dB；输入参考噪声低至 3.2 pA RMS（0.1-20 Hz 带宽）
• LED 驱动特性：8 位分辨率可编程电流，最大驱动电流 100 mA；支持 H 桥或共阳极配置，可选第三路 LED（仅共阳极）
• 环境抑制：集成数字环境光估计与减法模块，环境 cancellation DAC 范围 0-10 µA，抑制环境光干扰

3. 关键功能参数

• 信号调理：第二级放大器增益 0-12 dB 可编程，内置 500 Hz 低通滤波器
• 诊断功能：支持光电二极管 / LED 开路 / 短路检测，诊断耗时 16 ms，故障电阻阈值：短路 <10 kΩ，开路> 100 kΩ
• 时钟与接口：支持 4-60 MHz 外部时钟或 8 MHz 晶体；SPI 兼容串行接口，提供 ADC_RDY 中断信号

二、关键功能特性

1. 高集成一体化设计

• 发射端：集成双路 LED 驱动（H 桥 / 共阳极）、8 位电流 DAC、TX_REF 可编程参考电压（0.25-1 V）
• 接收端：低噪声 TIA、环境光 cancellation 模块、二级增益放大器、22 位 ADC，无需额外信号调理芯片
• 辅助功能：支持动态掉电模式（闲置时段关断部分模块）、多样本平均降噪、VCM 屏蔽信号输出（减少输入线干扰）

2. 灵活配置与适配性

• 采样与时序：11 路时序信号边缘可编程，支持独立 LED 采样 / 转换时序配置，适配不同 LED 脉冲宽度（最小 50 µs）
• LED 扩展：支持第三路 LED（如绿光用于 HRM），可通过寄存器切换通道，适配多波长光度测量
• 电源适配：发射端与接收端电源独立，支持 3.3 V 单电源或多电源组合，LED 驱动电源兼容 3.0-5.25 V

3. 高可靠性与低噪声

• 抗干扰设计：共模抑制比（CMRR）50/60 Hz 时达 75-95 dB，电源抑制比（PSRR）60-75 dB
• 故障诊断：内置 9 类故障检测（LED / 光电二极管开路 / 短路、线缆短路等），输出诊断标志位与 DIAG_END 信号
• 低噪声优化：TIA 反馈电容可编程（5-250 pF），支持斩波稳定技术，适配低灌注（低信号强度）场景

三、典型应用场景

• 医疗设备：脉搏血氧仪（SPO₂）、光学心率监测仪（HRM）
• 工业应用：工业光度测量、光学传感器信号采集
• 可穿戴设备：低功耗心率手环 / 手表（支持动态掉电节能）

四、设计与使用建议

1. 输入与 LED 配置

• 光电二极管连接：推荐零偏置配置，INP/INN 引脚远离高速数字线，长距离布线时用 VCM 信号屏蔽
• LED 驱动设计：根据 LED 正向电压选择 TX_REF 电压（0.25-1 V），确保 LED_DRV_SUP 预留足够电压裕量（≥ LED 正向电压 + 0.5 V）
• 环境抑制：启用环境光 cancellation DAC，通过 SPI 动态调整 cancellation 电流，抵消环境光干扰

2. 电源与布线

• 电源配置：发射端与接收端电源独立供电，分别并联 0.1 µF 去耦电容；LED 驱动电源需支持大瞬时电流，建议添加大容量旁路电容
• PCB 布局：TXP/TXN/TX3 高速切换线远离 INP/INN 与参考电压线；模拟地与数字地单点连接，减少串扰

3. 时序与功耗优化

• 时序配置：PRF 选择需平衡响应速度与噪声（低 PRF 降噪好，高 PRF 响应快），建议启用多样本平均（最多 16 样本）
• 低功耗设计：闲置时启用动态掉电模式，关闭未使用的 LED 通道，通过 PDN_CYCLE 寄存器定义掉电时段。