由于其簡單性和低成本，綠色 LED 照明的心跳傳感器現(xiàn)在幾乎無處不在，在大多數(shù)消費者健康產(chǎn)品以及許多手機(jī)和手表中都可以找到。但是，盡管它們具有所有優(yōu)點，但我觀察到它們經(jīng)常受到環(huán)境因素的影響，這些因素降低了它們的準(zhǔn)確性，在某些情況下，它們根本無法進(jìn)行測量。

這些因素包括對手指放置的敏感性、LED 光源和傳感器之間的距離變化以及環(huán)境光侵入。這促使我考慮制作一個交流耦合跨阻放大器 (TIA)，它對明亮的環(huán)境光（例如陽光或靠近光電二極管傳感器的 100W 白熾燈泡）的影響要小得多。

仿真表明該想法效果很好，并且光電二極管中的直流電流（建模為具有直流偏置偏置的交流電流源以模擬環(huán)境光響應(yīng)）被與 TIA 輸入的交流耦合拒絕。

圖 1：具有低噪聲 2.5V 參考電平的交流耦合 TIA。

為了驗證仿真，我使用手頭已有的組件制作了一個初步電路——最值得注意的是一個 Yi T1-3/4 或 5 毫米“子彈”光電二極管和一個通用的綠色 LED。這兩款器件都采用表面貼裝封裝，在近距離也能正常工作。如果需要更遠(yuǎn)距離的脈沖感應(yīng)，則可能需要使用 SMD 封裝中包含透鏡的部件來減小視場。

由此產(chǎn)生的電路在距離光電二極管/LED 設(shè)置最遠(yuǎn) 6 英寸的地方展示了良好的脈沖靈敏度，即使 100W 白熾燈泡盡可能靠近光電二極管（不會阻擋到我手腕之間的光路）光電二極管和 LED）。同樣，新電路對身體運動（我的手腕）的敏感性很小。

這是模擬的完整電路，包括高通和低通濾波器，針對上述結(jié)果構(gòu)建和測試：

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圖 2：完整的 TIA 電路包括一個帶通濾波器，有助于降低其對身體運動和快速環(huán)境光變化的敏感度。如圖所示，電路的響應(yīng)從 48bpm 到 390bpm 為 -3dB。

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圖 3：在 0.5Hz 或 120bpm 激勵下對 1nA 光電二極管交流電流的濾波器輸出響應(yīng)。

此處實現(xiàn)的 TIA 對組件變化相當(dāng)不敏感。我使用了容差為 5% 的電阻器和容差為 10% 的電容器。平衡的交流輸入和低通濾波器提供了對交流線路感應(yīng)噪聲的出色抑制。

結(jié)果，當(dāng)我將皮膚靠近并最終接觸到塑料光電二極管封裝時，我在輸出信號中看不到“嗡嗡聲”。附近的 100 W 燈泡產(chǎn)生的背景光沒有 120Hz 響應(yīng)。在環(huán)境光抑制測試期間，該電路也沒有表現(xiàn)出對燈泡與光電二極管的接近程度的任何 60Hz 響應(yīng)。

結(jié)論

通過在光電檢測器電路中使用交流耦合跨阻放大器，可以減少或消除與基于綠色 LED 的脈沖傳感器相關(guān)的許多常見問題。對于大多數(shù)應(yīng)用而言，與 TIA 組件相關(guān)的任何可能的額外成本都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了在抗噪性、位置公差和感應(yīng)范圍方面的收益。

圖 4：LED、光電二極管和皮膚表面的相對位置。

審核編輯：湯梓紅