AC結合トランスインピーダンスアンプで緑色LED心拍センサの環境光ノイズを除去

AC結合トランスインピーダンスアンプで緑色LED心拍センサの環境光ノイズを除去

緑色LEDフォトプレチスモグラフィ（PPG）センサは、ウェアラブル、スマートフォン、フィットネストラッカーで標準的になりました。低コストとシンプルさが魅力ですが、信頼性の高い心拍測定を劣化させたり妨げたりする環境干渉に悩まされます。

典型的な誤差源には、指の配置感度、LED-センサ距離変動、そして最も重要なのは、フォトダイオードの信号を圧倒する強い環境光があります。これに対処するため、フォトダイオードのDCバイアスを除去しながら変調パルス信号を保持する、AC結合トランスインピーダンスアンプ（TIA）を設計しました。

シミュレーションで、AC結合がフォトダイオードのDCバイアスをブロックし、センサに近接した太陽光や100W白熱電球を効果的にフィルタリングすることを確認。回路は図1に示す通り、低ノイズ2.5V基準で安定したベースラインを維持します。

シミュレーション検証のため、Yi T1-3/4または5mm「ブレット」フォトダイオードと標準緑色LEDを表面実装パッケージで使用してプロトタイプを構築。フォトダイオードが100W電球から数インチ以内にあっても、手首から最大6インチ離れた位置でクリアなパルスを生成。モーション感度も無視できるレベルでした。

完全なTIAは図2に示す通り、48bpm〜390bpmに応答を制限し高周波環境光変動を抑制するバンドパスフィルタを内蔵。フィルタ出力は図3に示す通り、1nAフォトダイオードAC電流で0.5Hz（120bpm）のクリーンな刺激応答を示します。

設計は部品ばらつきに強靭です：5%抵抗と10%コンデンサで十分。バランスの取れたAC入力とローパス段が50/60Hzラインノイズを優れた除去し、フォトダイオードが皮膚に接触してもハムを排除します。

結論

緑色LED PPGセンサにAC結合TIAを採用することで、環境光、指の配置、モーションアーチファクトへの感受性を劇的に低減します。追加部品のわずかなコストは、ノイズ耐性、位置許容度、測定範囲の向上によって上回られ、コンシューマーヘルスデバイスに最適なアプローチとなります。

参考文献

• 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氏は、電力、ビデオ、アナログ、デジタル、混信号、ソフトウェア設計の経験を持つ引退したエレクトロニクスエンジニア。

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