Texas Instruments AFE4460超小型集成模擬前端是一款面向諸如心率監(jiān)測 (HRM) 和周圍毛細(xì)血管氧飽和度 (SpO2) 測量等光學(xué)生物傳感應(yīng)用的模擬前端。AFE4460模擬前端支持多達(dá)32個可切換發(fā)光二極管 (LED) 和四個光電二極管 (PD)。

數(shù)據(jù)手冊：*附件：Texas Instruments AFE4460超小型集成模擬前端數(shù)據(jù)手冊.pdf

TI AFE4460超小型集成模擬前端配有兩個帶8位電流控制的LED驅(qū)動器。該AFE具有寬動態(tài)范圍的發(fā)送和接收電路，有助于檢測超小信號電平。此外，該器件可定義多達(dá)16個信號相位集，每個相位集都包含LED和環(huán)境相位的組合。

接收器輸入端的低噪聲失調(diào)DAC可自動控制，從而消除環(huán)境光和LED光產(chǎn)生的直流。在各相位中，4個PD所產(chǎn)生的電流先經(jīng)TIA轉(zhuǎn)換為電壓，再濾波，然后使用通用ADC進(jìn)行數(shù)字化。ADC代碼可存儲在256樣本的FIFO塊中，可使用SPI或I^2^C接口讀取FIFO。

特性

• 支持多達(dá)16個相位集的信號采集
• 支持多達(dá)32個LED和4個PD
• 在每個相位內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)靈活的LED和PD分配
• 以不同數(shù)據(jù)速率同時從不同傳感器采集信號
• 精確、連續(xù)的PPG監(jiān)測：
  • 可穿戴設(shè)備連續(xù)監(jiān)測心率的低電流，其典型值為：LED為15μA，接收器為15μA
  • 系統(tǒng)峰值SNR為115dB
• 發(fā)射器：
  • 8位可編程LED電流，在25mA至250mA范圍內(nèi)可調(diào)
  • 為兩個并聯(lián)LED供電的模式，獨(dú)立的每相電流控制
  • 可編程的每相LED導(dǎo)通時間
  • 同時支持6個LED，適用于SpO2、多波長HRM和光譜分析
• 接收器：
  • 支持4個時間多路復(fù)用PD輸入
  • 4個并行接收器（4組TIA/濾波器）
  • 每個TIA輸入處獨(dú)立環(huán)境偏移減法DAC，具有8位每相控制，范圍可調(diào)至255μA
  • 每個TIA輸入端具有單獨(dú)的LED失調(diào)電壓消減DAC，各相控制均為9位，范圍為64μA
  • ADC輸出端的數(shù)字環(huán)境消減
  • 具有可編程帶寬的噪聲過濾功能
  • 跨阻增益：3.7kΩ至1MΩ
• 支持外部時鐘或內(nèi)部振蕩器
• 可選擇以與系統(tǒng)時鐘同步的方式獲取數(shù)據(jù)
• 從環(huán)境LED自動取消直流
• FIFO，256個樣品深度
• SPI?接口/I^2^C接口
• 2.6mm x 2.6mm DSBGA封裝，0.4mm間距
• 電源：Rx：1.7V至1.9V（LDO旁路）；1.9V至3.6V（啟用LDO），Tx：3-5.5V，IO：1.7-RX_SUP

框圖

基于AFE4460的光學(xué)生物傳感技術(shù)解析與應(yīng)用

一、AFE4460概述

AFE4460是德州儀器(TI)推出的一款超小型集成模擬前端芯片，專為光學(xué)生物傳感應(yīng)用而設(shè)計(jì)。這款芯片采用2.6mm×2.6mm的DSBGA封裝，具有0.4mm的引腳間距，非常適合空間受限的可穿戴設(shè)備應(yīng)用。

該器件支持高達(dá)16個相位組的信號采集，能夠驅(qū)動最多32個LED和4個光電二極管(PD)。其靈活的LED和PD相位分配能力，使得系統(tǒng)可以同時從不同傳感器以不同數(shù)據(jù)速率采集信號，為生物光學(xué)傳感提供了高度集成的解決方案。

二、關(guān)鍵特性分析

1. 高性能信號鏈

• ?低功耗設(shè)計(jì)?：典型工作電流僅15μA（LED驅(qū)動）和15μA（接收端），特別適合可穿戴設(shè)備的連續(xù)心率監(jiān)測
• ?高信噪比?：系統(tǒng)峰值SNR達(dá)到115dB，可檢測極微弱的光學(xué)信號變化
• ?靈活的配置?：支持同時驅(qū)動32個LED，滿足SpO2、多波長HRM和光譜分析等應(yīng)用需求

2. 發(fā)射端特性

• 8位可編程LED電流控制（25mA-250mA范圍）
• 支持兩路LED并行驅(qū)動，每相位獨(dú)立電流控制
• 可編程LED導(dǎo)通時間（按相位配置）
• 3-5.5V的寬電源電壓范圍

3. 接收端特性

• 支持4路時分復(fù)用PD輸入
• 4路并行接收通道（含TIA/濾波器）
• 每路TIA輸入配備獨(dú)立的環(huán)境光偏移消除DAC（8位/相位控制，最高255μA）
• 獨(dú)立的LED偏移消除DAC（9位控制，64μA范圍）
• 數(shù)字環(huán)境光消除功能
• 可編程帶寬的噪聲濾波器
• 跨阻增益可調(diào)范圍：3.7kΩ至1MΩ

三、典型應(yīng)用場景

1. 可穿戴健康監(jiān)測

• ? 心率監(jiān)測(HRM) ?：在智能手表、耳機(jī)等設(shè)備中實(shí)現(xiàn)連續(xù)心率監(jiān)測
• ?心率變異性(HRV)分析?：通過精確的光學(xué)信號采集支持HRV分析
• ?血氧飽和度(SpO2)測量?：多波長LED支持實(shí)現(xiàn)精確的血氧監(jiān)測

2. 醫(yī)療健康設(shè)備

• 脈搏血氧儀
• 光學(xué)光譜分析設(shè)備
• 其他生物光學(xué)傳感應(yīng)用

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

AFE4460集成了完整的信號鏈，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

1. ?時鐘支持?：可選擇外部時鐘或內(nèi)部振蕩器（8MHz主振蕩器和256kHz輔助振蕩器）
2. ?數(shù)據(jù)同步?：支持與系統(tǒng)時鐘同步的數(shù)據(jù)采集
3. ?數(shù)據(jù)存儲?：內(nèi)置256樣本深度的FIFO緩沖區(qū)
4. ?接口選項(xiàng)?：提供SPI和I2C兩種數(shù)字接口選擇
5. ?電源管理?：
   • 接收端支持1.7-1.9V（LDO旁路模式）或1.9-3.6V（LDO啟用模式）
   • 發(fā)射端支持3-5.5V寬電壓輸入
   • I/O電源與接收端電源關(guān)聯(lián)（1.7-RX_SUP）

五、技術(shù)優(yōu)勢

1. ?高集成度?：單芯片集成了LED驅(qū)動、信號調(diào)理和數(shù)字化功能
2. ?靈活配置?：支持多達(dá)16個相位組的信號采集配置
3. ?優(yōu)異的噪聲性能?：通過多級偏移消除和可編程濾波實(shí)現(xiàn)高信噪比
4. ?低功耗設(shè)計(jì)?：特別適合電池供電的便攜式設(shè)備
5. ?小尺寸封裝?：2.6mm×2.6mm的超小尺寸滿足可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)需求