MAX86171：低噪聲AFE在脈搏血氧儀和心率監(jiān)測中的卓越應(yīng)用

在可穿戴設(shè)備和醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域，對高精度、低功耗的光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求日益增長。Analog Devices的MAX86171作為一款低噪聲模擬前端（AFE），為脈搏血氧儀和心率監(jiān)測應(yīng)用提供了強(qiáng)大的解決方案。本文將深入探討MAX86171的特性、工作原理以及應(yīng)用場景，幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用這款芯片。

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一、MAX86171概述

MAX86171是一款超低功耗的光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成了發(fā)射和接收通道。其發(fā)射器端具備九個LED驅(qū)動輸出引腳，由三個高電流、8位LED驅(qū)動器進(jìn)行編程控制；接收器端則有兩個低噪聲電荷積分前端，每個前端都包含獨立的19.5位ADC和一流的環(huán)境光消除（ALC）電路，能提供市場上性能卓越的集成光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

由于其低功耗、緊湊尺寸以及使用的便捷性和靈活性，MAX86171非常適合各種光學(xué)傳感應(yīng)用，如脈搏血氧測量和心率檢測。它在1.8V的主電源電壓和3.1V至5.5V的LED驅(qū)動電源電壓下工作，支持I2C和SPI兼容接口，并且內(nèi)置了一個256字的FIFO。芯片采用緊湊的28凸塊WLP封裝。

二、主要特性與優(yōu)勢

2.1 完整的雙通道光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

MAX86171集成了發(fā)射器和接收器通道，能夠同時進(jìn)行光學(xué)信號的發(fā)射和接收，為脈搏血氧和心率監(jiān)測提供了完整的解決方案。

2.2 超低功耗運行

對于可穿戴設(shè)備而言，功耗是一個關(guān)鍵指標(biāo)。MAX86171在25fps的光學(xué)讀出通道電流低于11μA，關(guān)機(jī)電流低于1μA，有效延長了設(shè)備的電池續(xù)航時間。

2.3 出色的動態(tài)范圍

在白光卡環(huán)回測試中，其動態(tài)范圍超過91dB，通過平均和片外濾波可將動態(tài)范圍擴(kuò)展至110dB，能夠在不同光照條件下準(zhǔn)確采集信號。

2.4 高分辨率ADC

采用19.5位電荷積分ADC，提供了高精度的信號轉(zhuǎn)換，確保了測量的準(zhǔn)確性。

2.5 多參數(shù)測量支持

支持四個光電二極管（PD）輸入，可實現(xiàn)多參數(shù)測量，如光學(xué)心率、心率變異性、血氧飽和度（SpO?）、身體水分、肌肉和組織血氧飽和度（SmO和StO?）以及最大攝氧量（VO? max）等。

2.6 優(yōu)秀的環(huán)境光抑制能力

具備超過200μA的環(huán)境光電二極管電流處理能力，在120Hz（平均模式>2）下環(huán)境光抑制能力超過70dB，有效減少了環(huán)境光對測量結(jié)果的干擾。

三、工作原理

3.1 光學(xué)發(fā)射器

MAX86171擁有三個獨立的精密LED電流驅(qū)動器，通過多路復(fù)用器連接到九個LED驅(qū)動引腳。三個LED電流DAC可對LED脈沖進(jìn)行調(diào)制，以滿足各種光學(xué)測量需求。其8位動態(tài)范圍提供了四個可編程的滿量程范圍設(shè)置，分別為32mA、64mA、96mA和128mA。通過MEASx選擇寄存器，可以為每個測量獨特地設(shè)置LED驅(qū)動器的配置，每個測量可以驅(qū)動一個、兩個或三個LED驅(qū)動器。

3.2 光學(xué)接收器

光學(xué)路徑由前端光電二極管偏置電路和模擬環(huán)境光消除（ALC）采樣保持電路組成，可在ADC輸入處消除環(huán)境光電二極管電流。其后是一個電流積分、連續(xù)時間sigma-delta ADC和一個專有的離散時間濾波器，通過多個暗和曝光光學(xué)樣本生成一個準(zhǔn)確的20位有效曝光輸出信號，具有出色的低頻和高頻環(huán)境光抑制能力。

3.3 同步模式

MAX86171支持三種幀速率控制模式：內(nèi)部定時幀速率、外部觸發(fā)幀速率和外部幀定時時鐘與內(nèi)部幀時鐘分頻器結(jié)合的模式。用戶可以根據(jù)實際需求選擇合適的模式，以實現(xiàn)精確的測量。

四、測量配置與時序

4.1 測量配置

MAX86171的光學(xué)控制器可以配置為進(jìn)行各種測量，如依次驅(qū)動一個、兩個或三個LED驅(qū)動器進(jìn)行多波長測量，或同時驅(qū)動多個LED進(jìn)行心率測量。每個LED曝光都進(jìn)行環(huán)境光補償，并且可以配置為測量每個曝光的直接環(huán)境水平。

4.2 時序

測量配置包括LED驅(qū)動連接、光電二極管連接、LED驅(qū)動范圍和電流、LED和光電二極管的穩(wěn)定時間、測量平均次數(shù)、環(huán)境光抑制方案、抽取濾波器選擇、ADC積分時間、ADC范圍和DAC偏移等參數(shù)。通過合理配置這些參數(shù)，可以實現(xiàn)最佳的測量效果。

五、FIFO功能

MAX86171的FIFO深度為256個樣本，每個樣本寬度為3字節(jié)，包含一個4位標(biāo)簽，用于識別每個樣本數(shù)據(jù)的來源。通過MEAS1_EN至MEAS9_EN位的配置，可以控制FIFO中的數(shù)據(jù)格式和曝光順序。FIFO還提供了多個配置寄存器，用于控制寫入指針、讀取指針、溢出計數(shù)器、數(shù)據(jù)計數(shù)器等，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

六、環(huán)境光抑制與閾值檢測

6.1 環(huán)境光抑制

MAX86171通過粗消除和細(xì)消除兩個步驟實現(xiàn)環(huán)境光消除。粗消除在模擬域進(jìn)行，默認(rèn)啟用，可通過設(shè)置寄存器位ALC_DISABLE禁用；細(xì)消除采用中央差分法（CDM）或前向差分法（FDM）進(jìn)行數(shù)字消除。

6.2 閾值檢測功能

芯片包含閾值檢測功能，可在傳感器未與皮膚接觸時顯著降低能耗并延長電池壽命。通過設(shè)置閾值和相關(guān)參數(shù)，可以在ADC計數(shù)超出或低于設(shè)定范圍時觸發(fā)中斷，從而調(diào)整LED配置和降低功耗。

七、數(shù)字接口

MAX86171具備I2C和SPI組合接口，通過I2C_SEL引腳選擇接口模式。在SPI模式下，支持單字寄存器讀寫事務(wù)和FIFO突發(fā)模式讀取事務(wù)；在I2C模式下，遵循I2C/SMBus兼容的2線串行接口協(xié)議。

八、PCB布局指南

為了確保MAX86171的性能，PCB布局至關(guān)重要。建議將VDD_ANA和VDD_DIG引腳在PCB上短接，并將GND和PGND短接到單個PCB接地平面。同時，對PD_IN節(jié)點進(jìn)行充分屏蔽，以減少外部干擾對前端的影響。

九、典型應(yīng)用電路

文檔中提供了I2C模式和SPI模式的典型應(yīng)用電路，為工程師在實際設(shè)計中提供了參考。在設(shè)計過程中，需要注意VLED的選擇應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用和LED配置進(jìn)行，同時合理設(shè)置INT1和INT2上拉電阻的值。

十、總結(jié)

MAX86171作為一款高性能的低噪聲AFE，在脈搏血氧儀和心率監(jiān)測應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢。其豐富的功能、低功耗特性以及出色的環(huán)境光抑制能力，為可穿戴設(shè)備和醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計提供了可靠的解決方案。電子工程師在使用MAX86171時，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用需求合理配置各項參數(shù)，并注意PCB布局和接口設(shè)計，以充分發(fā)揮芯片的性能。

在實際應(yīng)用中，你是否遇到過類似芯片在環(huán)境光干擾下測量不準(zhǔn)確的問題？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。