Bagaimana Amplifier Transimpedansi AC-Coupled Menghilangkan Kebisingan Cahaya Sekitar pada Sensor Detak Jantung LED Hijau

Bagaimana Amplifier Transimpedansi AC-Coupled Menghilangkan Kebisingan Cahaya Sekitar pada Sensor Detak Jantung LED Hijau

Sensor fotopletismografi (PPG) LED hijau kini standar dalam wearable, ponsel, dan tracker kebugaran. Biaya rendah dan kesederhanaan membuatnya menarik, namun mereka menderita interferensi lingkungan yang dapat menurunkan atau bahkan mencegah pengukuran detak jantung yang andal.

Sumber error umum meliputi sensitivitas penempatan jari, variasi jarak LED-sensor, dan yang paling kritis, cahaya sekitar terang yang mengamperi sinyal fotodioda. Untuk mengatasi ini, saya merancang amplifier transimpedansi (TIA) AC-coupled yang menolak komponen DC yang dihasilkan oleh iluminasi cahaya sekitar sambil mempertahankan sinyal pulsa yang terModulasi.

Simulasi mengonfirmasi bahwa coupling AC memblokir bias DC fotodioda, secara efektif menyaring sinar matahari atau bola pijar 100 W yang ditempatkan dekat sensor. Rangkaian, ditunjukkan di Gambar 1, menggunakan referensi 2,5 V low-noise untuk mempertahankan baseline yang stabil.

Gambar 1: TIA AC-coupled dengan level referensi 2,5 V low-noise.

Untuk memvalidasi simulasi, saya membangun prototipe dengan fotodioda Yi T1-3/4 atau 5 mm “bullet” dan LED hijau standar, semuanya dalam paket surface-mount. Bahkan ketika fotodioda berada dalam beberapa inci dari bola pijar 100 W, sensor masih menghasilkan pulsa jelas dari pergelangan tangan yang terletak hingga enam inci jauh. Sensitivitas gerakan juga negligible.

TIA lengkap, diilustrasikan di Gambar 2, menyematkan filter band-pass yang membatasi respons ke 48 bpm–390 bpm dan menekan fluktuasi cahaya sekitar frekuensi tinggi. Output filter, ditunjukkan di Gambar 3, menunjukkan stimulus 120 bpm yang bersih pada arus AC fotodioda 1 nA.

Gambar 2: Rangkaian TIA lengkap dengan filter band-pass. Respons -3 dB dari 48 bpm hingga 390 bpm.

Gambar 3: Respons output filter terhadap arus AC fotodioda 1 nA pada 0,5 Hz (120 bpm).

Desain ini tahan terhadap variasi komponen: resistor 5 % dan kapasitor 10 % cukup. Input AC seimbang dan tahap low-pass memberikan penolakan yang baik terhadap kebisingan jaringan 50/60 Hz, menghilangkan dengungan bahkan ketika fotodioda menyentuh kulit.

Kesimpulan

Menggunakan TIA AC-coupled dalam sensor PPG LED hijau secara dramatis mengurangi kerentanan terhadap cahaya sekitar, penempatan jari, dan artefak gerakan. Biaya modest dari komponen tambahan diimbangi oleh keuntungan dalam kekebalan kebisingan, toleransi posisi, dan rentang pengukuran—membuat pendekatan ini ideal untuk perangkat kesehatan konsumen.

Gambar 4: Posisi relatif LED, fotodioda, dan permukaan kulit.

Referensi

• Photodiode Amplifiers: Op Amp Solutions by Jerald Graeme
• Operational Amplifiers: Design and Applications by Graeme, Tobey, Huelsman
• Applications of Operational Amplifiers: Third Generation Techniques by Graeme

— Dave Conrad adalah insinyur elektronik pensiunan dengan pengalaman dalam desain daya, video, analog, digital, mixed signal, dan software.

► Artikel ini awalnya diterbitkan di situs saudara kami, EDN.

Konten Terkait:

• How to design a better pulse oximeter: Specifications
• Cuffless device delivers clinically accurate blood pressure measurements
• Specialized sensors support healthcare wearables
• Using mmWave radar for vital signs monitoring
• Sensor module simplifies health and fitness wearable design

Untuk lebih banyak Embedded, berlangganan newsletter email mingguan Embedded.