心拍数モニターの明るい周囲光を軽減する
AC結合トランスインピーダンスアンプを使用すると、緑色のLEDで照らされた心拍センサーのノイズやその他の外部環境入力に対する耐性を大幅に向上させることができます。
シンプルで低コストのおかげで、緑色のLEDで照らされた心拍センサーは、ほとんどの消費者向け健康製品だけでなく、多くの電話や腕時計にも見られるようになりました。しかし、それらのすべての利点について、精度を低下させ、場合によっては測定を行う能力を低下させる環境要因の影響を受けることがよくあります。
これらの要因には、指の配置に対する感度、LED光源とセンサー間の距離の変動、および周囲光の侵入が含まれます。そのため、太陽光やフォトダイオードセンサーのすぐ近くにある100Wの白熱電球などの明るい周囲光の影響を受けにくいAC結合トランスインピーダンスアンプ（TIA）を作ることを考えました。
シミュレーションにより、このアイデアはうまく機能し、フォトダイオードのDC電流（周囲光応答をシミュレートするためにDCオフセットバイアスを備えたAC電流源としてモデル化）がTIA入力へのAC結合によって拒否されたことが示されました。
図1：低ノイズ2.5V基準レベルのAC結合TIA。
シミュレーションを検証するために、手元にあるコンポーネント、特にYi T1-3 / 4または5mmの「弾丸」フォトダイオードと一般的な緑色のLEDを使用して予備回路をブレッドボードに載せました。両方のデバイスは、近距離でも機能する表面実装パッケージに収容されていました。より長距離のパルス検知が必要な場合は、視野を狭めるためにSMDパッケージにレンズを含む部品を使用する必要があるかもしれません。
結果として得られた回路は、100Wの白熱電球をフォトダイオードのできるだけ近くに配置した場合でも（手首への光路を遮断することなく）、フォトダイオード/ LEDセットアップから最大6インチの距離で手首に良好なパルス感度を示しました。フォトダイオードとLED）。同様に、新しい回路の体の動き（私の手首）に対する感度は最小限でした。
これは、上記の結果のために構築およびテストされた、ハイパスおよびローパスフィルターを含む、シミュレートされた完全な回路です。
クリックしてフルサイズの画像を表示
図2：完全なTIA回路には、体の動きや周囲の光の変化に対する感度を下げるのに役立つバンドパスフィルターが含まれています。示されているように、回路の応答は48bpmから390bpmまで-3dBです。
クリックしてフルサイズの画像を表示
図3：0.5Hzまたは120bpmの刺激での1nAフォトダイオードAC電流に対するフィルター出力応答。
ここで実装されているTIAは、コンポーネントのバリエーションにかなり影響を受けません。公差が5％の抵抗器と公差が10％のコンデンサを使用しました。バランスの取れたAC入力とローパスフィルターにより、ACラインに起因するノイズの優れた除去が可能になります。
その結果、皮膚を近づけ、最終的にはプラスチックフォトダイオードパッケージに接触させても、出力信号に「ハム」は見られませんでした。近くの100W電球によって生成される背景光に対する120Hzの応答はありません。また、周囲光除去のテスト中に、電球がフォトダイオードに近接していることに対する60Hzの応答も回路に示されませんでした。
結論
緑色LEDベースのパルスセンサーに関連する多くの一般的な問題は、光検出器回路にAC結合トランスインピーダンスアンプを使用することで軽減または排除できます。ほとんどのアプリケーションでは、TIAのコンポーネントに関連する可能性のある追加コストは、ノイズ耐性、位置公差、および検出範囲の向上によってはるかに上回ります。
図4：LED、フォトダイオード、および皮膚表面の相対位置。
参照：
- フォトダイオードアンプ：JeraldGraemeによるOpAmpソリューション
- オペアンプ：Graeme、Tobey、Huelsmanによる設計とアプリケーション
- オペアンプのアプリケーション：Graemeによる第3世代の技術
—Dave Conradは、電力、ビデオ、アナログ、デジタル、ミックスドシグナル、およびソフトウェア設計の経験を持つ退職した電子技術者です。
>>この記事は、もともと姉妹サイトであるEDNで公開されました。 。
>
関連コンテンツ：
- より優れたパルスオキシメータを設計する方法：仕様
- カフレスデバイスは、臨床的に正確な血圧測定を提供します
- 専用センサーがヘルスケアウェアラブルをサポートします
- バイタルサインの監視にミリ波レーダーを使用する
- センサーモジュールは、健康とフィットネスのウェアラブル設計を簡素化します
Embeddedの詳細については、Embeddedの週刊メールニュースレターを購読してください。
埋め込み