Atenuando a luz ambiente brilhante em monitores de frequência cardíaca

Usar um amplificador de transimpedância AC acoplado pode melhorar muito o LED verde- a imunidade dos sensores iluminados de batimento cardíaco ao ruído e outras entradas ambientais estranhas.
Graças à sua simplicidade e baixo custo, os sensores de batimentos cardíacos iluminados por LED verdes são agora quase onipresentes, encontrados na maioria dos produtos de saúde de consumo, bem como em muitos telefones e relógios de pulso. Mas, com todas as suas vantagens, observei que eles são frequentemente afetados por fatores ambientais que reduzem sua precisão e, em alguns casos, sua capacidade de fazer medições.

Esses fatores incluem sensibilidade ao posicionamento dos dedos, variações na distância entre a fonte de LED e o sensor e incursão da luz ambiente. Isso me levou a pensar em fazer um amplificador de transimpedância AC-acoplado (TIA) que seria muito menos suscetível à luz ambiente brilhante, como a luz solar ou uma lâmpada incandescente de 100 W nas proximidades do sensor fotodiodo.

A simulação mostrou que a ideia funcionou bem e que a corrente DC no fotodiodo (modelado como uma fonte de corrente AC com desvio DC para simular a resposta à luz ambiente) foi rejeitada pelo acoplamento AC às entradas TIA.

Figura 1:TIA acoplado a CA com nível de referência de baixo ruído de 2,5 V.

Para verificar a simulação, fiz um breadboard em um circuito preliminar usando os componentes que já tinha em mãos - mais notavelmente um fotodiodo Yi T1-3 / 4 ou 5 mm “bullet” e um LED verde genérico. Ambos os dispositivos foram alojados em pacotes de montagem em superfície que funcionariam bem para distâncias próximas. Se for necessária uma detecção de pulso de longa distância, pode ser necessário usar peças que incluem lentes nos pacotes SMD para diminuir o campo de visão.

O circuito resultante demonstrou boa sensibilidade de pulso com meu pulso a uma distância de até seis polegadas da configuração do fotodiodo / LED, mesmo quando uma lâmpada incandescente de 100 W foi posicionada o mais próximo possível do fotodiodo (sem bloquear o caminho óptico para o meu pulso entre o fotodiodo e o LED). Da mesma forma, a sensibilidade do novo circuito ao movimento do corpo (meu pulso) era mínima.

Este é o circuito completo simulado, incluindo um filtro passa-alta e passa-baixa, construído e testado para os resultados acima:

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Figura 2:O circuito TIA completo inclui um filtro passa-banda, que ajuda a reduzir sua sensibilidade ao movimento do corpo e variações rápidas de luz ambiente. Conforme mostrado, a resposta do circuito é -3dB de 48bpm a 390bpm.

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Figura 3:Resposta de saída de filtro a uma corrente CA de fotodiodo 1nA a estímulo de 0,5 Hz ou 120 bpm.

O TIA implementado aqui é bastante insensível às variações dos componentes. Usei resistores com tolerância de 5% e capacitores com tolerância de 10%. A entrada CA balanceada e o filtro passa-baixa oferecem excelente rejeição de ruído induzido por linha CA.

Como resultado, não vi nenhum “zumbido” no sinal de saída quando aproximei minha pele e, eventualmente, entrei em contato com o pacote de fotodiodo de plástico. Não há resposta de 120 Hz à luz de fundo produzida por uma lâmpada de 100 W. próxima. Nem o circuito demonstrou qualquer resposta de 60 Hz à proximidade da lâmpada ao fotodiodo durante o teste de rejeição de luz ambiente.

Conclusões

Muitos problemas comuns associados a sensores de pulso baseados em LED verde podem ser reduzidos ou eliminados usando um amplificador de transimpedância AC acoplado no circuito fotodetector. Para a maioria das aplicações, quaisquer possíveis custos adicionais relacionados aos componentes do TIA são muito superados pelos ganhos em imunidade a ruído, tolerância posicional e faixa de detecção.

Figura 4:Posições relativas do LED, fotodiodo e superfície da pele.

Referências:

• Amplificadores de fotodiodo:soluções de amp op de Jerald Graeme
• Amplificadores operacionais:design e aplicativos de Graeme, Tobey, Huelsman
• Aplicações de amplificadores operacionais:técnicas de terceira geração de Graeme

—Dave Conrad é engenheiro eletrônico aposentado com experiência em design de energia, vídeo, analógico, digital, sinal misto e software.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EDN .

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