MAX86140/MAX86141：可穿戴健康监测的最佳光学传感器

在可穿戴健康监测设备领域，对高精度、低功耗的光学传感器需求日益增长。Analog Devices的MAX86140/MAX86141光学脉搏血氧仪和心率传感器，凭借其卓越的性能和丰富的功能，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下这两款传感器。

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一、器件概述

MAX86140/MAX86141是超低功耗、完全集成的光学数据采集系统。在发射端，它们拥有三个可编程的大电流LED驱动器，通过外部3x2:1多路复用器，可驱动多达六个LED；若两个MAX86140/MAX86141设备以控制器 - 目标模式工作，借助外部3x2:1多路复用器，LED驱动器最多可驱动十二个LED。接收端方面，MAX86140包含一个光学读出通道，而MAX86141则有两个可同时工作的光学读出通道。

这两款器件具备低噪声信号调理模拟前端（AFE），包括19位ADC、业界领先的环境光消除（ALC）电路以及栅栏检测与替换功能。由于其低功耗、紧凑尺寸、易用性和出色的环境光抑制能力，MAX86140/MAX86141非常适合各种光学传感应用，如脉搏血氧测量和心率检测。

它们采用1.8V主电源电压和3.1V至5.5V的LED驱动器电源电压，支持标准SPI兼容接口和完全自主操作。每个器件都有一个128字的内置FIFO，并采用紧凑的晶圆级封装（WLP），尺寸为2.048 x 1.848mm，球间距为0.4mm。

二、关键特性与优势

2.1 完整的单通道和双通道光学数据采集系统

MAX86140和MAX86141分别提供单通道和双通道的光学数据采集能力，能够满足不同应用场景的需求。无论是简单的心率监测，还是复杂的血氧饱和度测量，都能轻松应对。

2.2 优化的架构

专为透射式和反射式心率或 (SpO_{2}) 监测而设计的架构，确保了高精度的测量结果。在不同的测量场景下，都能稳定、准确地获取数据。

2.3 低暗电流噪声

暗电流噪声小于50pA RMS（样本间方差），通过多种采样模式和片上平均技术，可进一步降低有效暗电流噪声。这使得传感器在低光照条件下也能提供准确的测量结果。

2.4 高分辨率ADC

19位电荷积分ADC提供了高分辨率的测量能力，能够捕捉到微小的信号变化，为后续的数据分析提供了丰富的信息。

2.5 出色的动态范围

在白板回环测试（样本间方差）中，动态范围超过89dB。通过多种采样模式和片上平均技术， (SpO_{2}) 测量的动态范围可扩展至超过104dB，心率监测（HRM）的动态范围可扩展至超过110dB。

2.6 优秀的环境光抑制能力

能够处理超过100μA的环境光电探测器电流，在120Hz时环境光抑制能力超过70dB。这使得传感器在强光环境下也能正常工作，减少环境光对测量结果的影响。

2.7 超低功耗运行

对于可穿戴设备来说，功耗是一个关键因素。MAX86140/MAX86141在光学读出通道的功耗极低，典型值在25sps时小于10μA。短曝光积分周期为14.8μs、29.4μs、58.7μs、117.3μs，关机电流典型值为0.6μA，有效延长了设备的电池续航时间。

2.8 快速环境瞬变抑制

内置的栅栏检测与替换功能能够校正由于环境光快速变化导致的测量误差，确保测量结果的准确性。

三、应用场景

MAX86140/MAX86141适用于各种可穿戴设备，包括健身、健康和医疗应用。它们经过优化，可用于手腕、手指、耳朵等不同部位的监测，能够准确检测光学心率、血氧饱和度（ (SpO{2}) ）和肌肉血氧饱和度（ (SmO) 和 (StO{2}) ）。

四、电气特性

4.1 读出通道

ADC分辨率为19位，可根据不同的配置设置不同的满量程输入电流。ADC积分时间可在14.8μs至117.3μs之间选择，采样率范围为8sps至4096sps，采样率误差在±2%以内。

4.2 LED驱动器

LED电流分辨率为8位，驱动器的DNL和INL表现良好。全量程LED电流可根据不同的范围设置进行调整，最小输出电压也有相应的规定。

4.3 电源

主电源电压为1.8V，LED电源电压范围为3.1V至5.5V。在不同的工作模式和采样率下，电源电流也有所不同，关机时的VDD电流典型值为0.6μA，VLED电流典型值为1μA。

五、功能模块详解

5.1 光学子系统

由环境光消除（ALC）、连续时间sigma - delta ADC和专有离散时间滤波器组成。ALC采用专有方案消除环境光产生的光电二极管电流，使传感器能够在高环境光条件下工作。光学ADC具有可编程的满量程范围，内部ADC是一个连续时间过采样sigma - delta转换器，分辨率为19位。

5.2 LED驱动器

集成了三个精密LED驱动电流DAC，可调制LED脉冲以进行各种光学测量。LED电流DAC具有8位动态范围，有四种可编程的满量程范围。LED驱动器是低压差电流源，能够在最低电源电压下提供低噪声、与电源无关的LED电流，从而降低LED功耗。

5.3 FIFO配置

FIFO深度为128个样本，设计用于支持各种数据类型。每个样本宽度为3字节，包含一个5位标签，用于识别每个样本数据的来源。通过LED序列寄存器可以控制FIFO中的数据格式和曝光顺序。

5.4 光学时序

MAX86140/MAX86141的光学控制器可以配置为进行各种测量，包括单LED脉冲、多LED同时脉冲或顺序脉冲等。每个LED曝光在ADC转换之前都会进行环境光补偿。同时，控制器还可以配置为测量每个曝光样本的直接环境光水平，用于调整LED驱动水平以补偿高干扰环境信号下的噪声增加。

5.5 ADC架构和非线性校正

由16位电流积分增量delta - sigma模数转换器（ADC）和5位子范围数模转换器（DAC）组成，整体动态范围为19位。通过自校准方案和可选的FIFO标签值，可以进一步减少子DAC的非线性误差。

5.6 GPIO配置

通过GPIO1和GPIO2引脚，MAX86140/MAX86141可以与外部传感器、多路复用器同步，并扩展测量配置的灵活性。根据GPIO CTRL位字段的不同设置，GPIO1和GPIO2具有不同的功能和工作模式。

5.7 接近模式功能

该功能可以在传感器未与皮肤接触时显著降低能耗并延长电池寿命。通过设置相关寄存器，可以启用接近模式。当测量值低于阈值时，设备进入接近模式，降低LED电流和采样率；当测量值超过阈值时，设备切换回正常模式。

5.8 栅栏检测与替换功能

在环境光快速变化的情况下，内置的栅栏检测与替换功能可以校正由于环境光校正（ALC）电路故障导致的测量误差。通过检测样本值与预测值的差异，并与阈值进行比较，当差异超过阈值时，用预测值替换当前样本值。

六、布局指南

由于MAX86140/MAX86141是高动态范围的模拟前端（AFE），其性能可能会受到印刷电路板（PCB）布局的影响。因此，在布局时需要遵循一些建议，如将VDD_ANA和VDD_DIG引脚在PCB上短接，将GND_ANA、GND_DIG和PGND短接到单个PCB接地平面，对VDD_ANA和VDD_DIG引脚进行去耦，对VREF引脚进行去耦，以及对PD_IN节点进行屏蔽等。

七、SPI时序

7.1 单字SPI寄存器读写事务

MAX86140/MAX86141与SPI/QSPI/Micro - wire/DSP兼容。数据在SCLK上升沿被锁存到器件中，在SCLK下降沿被时钟输出。所有单字SPI读写操作都在一个3字节、24个时钟周期的SPI指令中完成，由CSB低电平间隔界定。

7.2 SPI FIFO突发模式读取事务

为了提高数据传输效率，MAX86140/MAX86141提供了FIFO突发读取模式。前16个SCLK周期与正常读取模式相同，后续的SCLK周期包含FIFO数据，每个样本需要24个SCLK周期进行读取。

八、寄存器映射

文档中详细介绍了各个寄存器的功能和配置，包括中断状态寄存器、中断使能寄存器、FIFO相关寄存器、系统控制寄存器、PPG配置寄存器等。通过对这些寄存器的设置，可以实现对传感器的各种功能控制。

九、总结

MAX86140/MAX86141以其卓越的性能、丰富的功能和灵活的配置，为可穿戴健康监测设备提供了一个强大的解决方案。无论是在精度、功耗还是环境适应性方面，都表现出色。作为电子工程师，在设计可穿戴健康监测设备时，MAX86140/MAX86141无疑是一个值得考虑的选择。你在使用类似传感器时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。