交流耦合 TIA 拒绝明亮的环境光源

由于其简单性和低成本，绿色 LED 照明的心跳传感器现在几乎无处不在，在大多数消费者健康产品以及许多手机和手表中都能找到。但是，尽管它们具有所有优势，但我观察到它们经常受到环境因素的影响，这些因素会降低它们的准确性，在某些情况下，它们甚至根本无法进行测量。

这些因素包括对手指放置的敏感性、LED 光源与传感器之间距离的变化以及环境光侵入。这促使我考虑制造一个交流耦合跨阻放大器 (TIA)，它对明亮的环境光（例如阳光或靠近光电二极管传感器的 100W 白炽灯泡）的影响要小得多。

仿真表明该想法运作良好，光电二极管中的直流电流（建模为带有直流偏置偏置的交流电流源以模拟环境光响应）被交流耦合到 TIA 输入所拒绝。

图 1具有低噪声 2.5V 参考电平的交流耦合 TIA。

为了验证模拟，我使用我手头已有的组件制作了一个初步电路——最引人注目的是一个 Yi T1-3/4 或 5 毫米“子弹”光电二极管和一个通用的绿色 LED。两种器件均采用表面贴装封装，适用于近距离。如果需要更远距离的脉冲感应，则可能需要在 SMD 封装中使用包含透镜的部件来减小视野。

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由此产生的电路显示出良好的脉冲灵敏度，我的手腕距离光电二极管/LED 设置最远可达 6 英寸，即使 100W 白炽灯泡尽可能靠近光电二极管放置（不阻挡我手腕之间的光路）光电二极管和 LED）。同样，新电路对身体运动（我的手腕）的敏感性很小。

这是模拟的完整电路，包括高通和低通滤波器，针对上述结果进行构建和测试：

图 2完整的 TIA 电路包括一个带通滤波器，有助于降低其对身体运动和快速环境光变化的敏感性。如图所示，电路的响应从 48bpm 到 390bpm 为 -3dB。

图 3在 0.5Hz 或 120bpm 激励下对 1nA 光电二极管交流电流的滤波器输出响应。

此处实施的 TIA 对组件变化相当不敏感。我使用了 5% 容差的电阻和 10% 容差的电容器。平衡的 AC 输入和低通滤波器可出色地抑制 AC 线路引起的噪声。

结果，当我将皮肤靠近并最终接触塑料光电二极管封装时，我在输出信号中看不到“嗡嗡声”。对附近 100 W 灯泡产生的背景光没有 120Hz 响应。在环境光抑制测试期间，电路也没有表现出对灯泡与光电二极管的紧密接近的任何 60Hz 响应。

结论

通过在光电检测器电路中使用交流耦合跨阻放大器，可以减少或消除与基于绿色 LED 的脉冲传感器相关的许多常见问题。对于大多数应用，与 TIA 组件相关的任何可能的额外成本都远远超过抗噪性、位置容差和感应范围方面的收益。

 图 4 LED、光电二极管和皮肤表面的相对位置。