該AFE4403是一款完全集成的模擬前端 （AFE），非常適合脈搏血氧儀應(yīng)用。該器件由一個(gè)低噪聲接收器通道組成，該通道集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、一個(gè) LED 發(fā)射部分以及用于傳感器和 LED 故障檢測(cè)的診斷功能。該器件是一個(gè)非?？膳渲玫亩〞r(shí)控制器。這種靈活性使用戶(hù)能夠完全控制器件時(shí)序特性。為了簡(jiǎn)化時(shí)鐘要求并為AFE4403提供低抖動(dòng)時(shí)鐘，還集成了一個(gè)振蕩器，該振蕩器由外部晶體運(yùn)行。該器件使用 SPI? 接口與外部微控制器或主機(jī)處理器通信。

該器件是一個(gè)完整的AFE解決方案，封裝在單個(gè)緊湊的DSBGA-36（3.07 mm×3.07 mm×0.5 mm）中，額定工作溫度范圍為–20°C至70°C。
*附件：afe4403.pdf

特性

• 用于脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)應(yīng)用的完全集成 AFE：
• 傳輸：
  • 集成雙 LED 驅(qū)動(dòng)器（H 橋或共陽(yáng)極）
  • 可選配第三個(gè) LED 支持，用于優(yōu)化的 SPO2、HRM 或多波長(zhǎng) HRM
  • 高達(dá) 110 dB 的動(dòng)態(tài)范圍
  • LED電流：
    • 可編程至 100 mA，電流分辨率為 8 位
  • 30 μA + 平均 LED 電流
  • 可編程 LED 導(dǎo)通時(shí)間
  • 獨(dú)立的 LED2 和 LED1 基準(zhǔn)電流
• 具有高動(dòng)態(tài)范圍的接收通道：
  • 22 位輸出，二進(jìn)制補(bǔ)碼格式
  • 高達(dá) 105 dB 的動(dòng)態(tài)范圍
  • 低功耗：< 650 μA
  • 動(dòng)態(tài)掉電模式，可將電流降低至300 μA
  • 適應(yīng)非常寬的信號(hào)幅度范圍：
    • 總可編程增益：10 kΩ至4 MΩ
  • 集成數(shù)字環(huán)境估計(jì)和減法
• 通過(guò)外部時(shí)鐘或晶體靈活時(shí)鐘：
  • 脈沖頻率：62.5 SPS 至 2000 SPS
  • 靈活的脈沖排序和定時(shí)控制
  • 輸入時(shí)鐘范圍：4 MHz（最小值）至 60 MHz（最大值）
• 集成故障診斷：
  • 光電二極管和 LED 開(kāi)路和短路檢測(cè)
• 用品：
  • Rx = 2.0 V 至 3.6 V
  • 發(fā)射 = 3.0 V 至 5.25 V
• 封裝：緊湊型 DSBGA-36（3.07 mm × 3.07 mm × 0.5 mm）
• 指定溫度范圍：0°C–20°C 至 70°C

參數(shù)

方框圖

AFE4403 是德州儀器推出的超小型集成模擬前端（AFE），專(zhuān)為脈搏血氧儀（SPO?）和心率監(jiān)測(cè)（HRM）設(shè)計(jì)，核心優(yōu)勢(shì)為高動(dòng)態(tài)范圍、低功耗及一體化 LED 驅(qū)動(dòng)與信號(hào)采集功能，適配醫(yī)療與工業(yè)光度測(cè)量場(chǎng)景。

一、核心產(chǎn)品參數(shù)

1. 基礎(chǔ)規(guī)格

• 分辨率與通道：22 位 ADC 分辨率，支持雙路 LED（RED/IR）+ 可選第三路 LED 驅(qū)動(dòng)，單通道光電二極管輸入
• 采樣與轉(zhuǎn)換性能：脈沖重復(fù)頻率（PRF）62.5-2000 SPS；ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間 50 μs，支持多樣本平均降噪
• 封裝與溫度：36 引腳 DSBGA 封裝（3.07mm×3.07mm×0.5mm）；工作溫度 -20°C 至 70°C
• 電源與功耗：接收端電源 2.0-3.6 V，發(fā)射端電源 3.0-5.25 V；正常工作電流 < 650 μA，動(dòng)態(tài)掉電模式低至 300 μA，完全掉電模式電流 1-5 μA

2. 輸入與性能特性

• 輸入范圍：跨阻放大器（TIA）反饋電阻可編程（10 kΩ-1 MΩ），滿(mǎn)量程輸入電流 0.5 μA-50 μA（隨增益變化）
• 動(dòng)態(tài)性能：發(fā)射端動(dòng)態(tài)范圍達(dá) 110 dB，接收端動(dòng)態(tài)范圍達(dá) 105 dB；輸入?yún)⒖荚肼暤椭?3.2 pA RMS（0.1-20 Hz 帶寬）
• LED 驅(qū)動(dòng)特性：8 位分辨率可編程電流，最大驅(qū)動(dòng)電流 100 mA；支持 H 橋或共陽(yáng)極配置，可選第三路 LED（僅共陽(yáng)極）
• 環(huán)境抑制：集成數(shù)字環(huán)境光估計(jì)與減法模塊，環(huán)境 cancellation DAC 范圍 0-10 μA，抑制環(huán)境光干擾

3. 關(guān)鍵功能參數(shù)

• 信號(hào)調(diào)理：第二級(jí)放大器增益 0-12 dB 可編程，內(nèi)置 500 Hz 低通濾波器
• 診斷功能：支持光電二極管 / LED 開(kāi)路 / 短路檢測(cè)，診斷耗時(shí) 16 ms，故障電阻閾值：短路 <10 kΩ，開(kāi)路> 100 kΩ
• 時(shí)鐘與接口：支持 4-60 MHz 外部時(shí)鐘或 8 MHz 晶體；SPI 兼容串行接口，提供 ADC_RDY 中斷信號(hào)

二、關(guān)鍵功能特性

1. 高集成一體化設(shè)計(jì)

• 發(fā)射端：集成雙路 LED 驅(qū)動(dòng)（H 橋 / 共陽(yáng)極）、8 位電流 DAC、TX_REF 可編程參考電壓（0.25-1 V）
• 接收端：低噪聲 TIA、環(huán)境光 cancellation 模塊、二級(jí)增益放大器、22 位 ADC，無(wú)需額外信號(hào)調(diào)理芯片
• 輔助功能：支持動(dòng)態(tài)掉電模式（閑置時(shí)段關(guān)斷部分模塊）、多樣本平均降噪、VCM 屏蔽信號(hào)輸出（減少輸入線(xiàn)干擾）

2. 靈活配置與適配性

• 采樣與時(shí)序：11 路時(shí)序信號(hào)邊緣可編程，支持獨(dú)立 LED 采樣 / 轉(zhuǎn)換時(shí)序配置，適配不同 LED 脈沖寬度（最小 50 μs）
• LED 擴(kuò)展：支持第三路 LED（如綠光用于 HRM），可通過(guò)寄存器切換通道，適配多波長(zhǎng)光度測(cè)量
• 電源適配：發(fā)射端與接收端電源獨(dú)立，支持 3.3 V 單電源或多電源組合，LED 驅(qū)動(dòng)電源兼容 3.0-5.25 V

3. 高可靠性與低噪聲

• 抗干擾設(shè)計(jì)：共模抑制比（CMRR）50/60 Hz 時(shí)達(dá) 75-95 dB，電源抑制比（PSRR）60-75 dB
• 故障診斷：內(nèi)置 9 類(lèi)故障檢測(cè)（LED / 光電二極管開(kāi)路 / 短路、線(xiàn)纜短路等），輸出診斷標(biāo)志位與 DIAG_END 信號(hào)
• 低噪聲優(yōu)化：TIA 反饋電容可編程（5-250 pF），支持?jǐn)夭ǚ€(wěn)定技術(shù)，適配低灌注（低信號(hào)強(qiáng)度）場(chǎng)景

三、典型應(yīng)用場(chǎng)景

• 醫(yī)療設(shè)備：脈搏血氧儀（SPO?）、光學(xué)心率監(jiān)測(cè)儀（HRM）
• 工業(yè)應(yīng)用：工業(yè)光度測(cè)量、光學(xué)傳感器信號(hào)采集
• 可穿戴設(shè)備：低功耗心率手環(huán) / 手表（支持動(dòng)態(tài)掉電節(jié)能）

四、設(shè)計(jì)與使用建議

1. 輸入與 LED 配置

• 光電二極管連接：推薦零偏置配置，INP/INN 引腳遠(yuǎn)離高速數(shù)字線(xiàn)，長(zhǎng)距離布線(xiàn)時(shí)用 VCM 信號(hào)屏蔽
• LED 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：根據(jù) LED 正向電壓選擇 TX_REF 電壓（0.25-1 V），確保 LED_DRV_SUP 預(yù)留足夠電壓裕量（≥ LED 正向電壓 + 0.5 V）
• 環(huán)境抑制：?jiǎn)⒂铆h(huán)境光 cancellation DAC，通過(guò) SPI 動(dòng)態(tài)調(diào)整 cancellation 電流，抵消環(huán)境光干擾

2. 電源與布線(xiàn)

• 電源配置：發(fā)射端與接收端電源獨(dú)立供電，分別并聯(lián) 0.1 μF 去耦電容；LED 驅(qū)動(dòng)電源需支持大瞬時(shí)電流，建議添加大容量旁路電容
• PCB 布局：TXP/TXN/TX3 高速切換線(xiàn)遠(yuǎn)離 INP/INN 與參考電壓線(xiàn)；模擬地與數(shù)字地單點(diǎn)連接，減少串?dāng)_

3. 時(shí)序與功耗優(yōu)化

• 時(shí)序配置：PRF 選擇需平衡響應(yīng)速度與噪聲（低 PRF 降噪好，高 PRF 響應(yīng)快），建議啟用多樣本平均（最多 16 樣本）
• 低功耗設(shè)計(jì)：閑置時(shí)啟用動(dòng)態(tài)掉電模式，關(guān)閉未使用的 LED 通道，通過(guò) PDN_CYCLE 寄存器定義掉電時(shí)段。