Como Amplificador Transimpedância AC-Acouplado Elimina Ruído de Luz Ambiente em Sensores de Frequência Cardíaca LED Verde

Como Amplificador Transimpedância AC-Acouplado Elimina Ruído de Luz Ambiente em Sensores de Frequência Cardíaca LED Verde

Sensores de fotopletismografia (PPG) LED verde são agora padrão em wearables, telefones e fitness trackers. Seu baixo custo e simplicidade os tornam atraentes, ainda que sofram de interferência ambiental que pode degradar ou até impedir medição confiável de frequência cardíaca.

Fontes típicas de erro incluem sensibilidade a posicionamento do dedo, variações de distância LED-sensor, e mais criticamente, luz ambiente brilhante que sobrecarrega o sinal do fotodiodo. Para resolver isso, projetei um amplificador transimpedância (TIA) AC-acoplado que rejeita o componente DC gerado por iluminação ambiente enquanto preserva o sinal de pulso modulado.

Simulação confirmou que o acoplamento AC bloqueia o bias DC do fotodiodo, efetivamente filtrando luz solar ou lâmpada incandescente de 100 W colocada próxima ao sensor. O circuito, mostrado na Figura 1, usa referência low-noise de 2,5 V para manter baseline estável.

Para validar a simulação, construí protótipo com fotodiodo Yi T1-3/4 ou 5 mm "bullet" e LED verde padrão, todos em pacotes surface-mount. Mesmo com fotodiodo a poucos centímetros de lâmpada de 100 W, o sensor ainda produziu pulsos claros de pulso posicionado até seis polegadas de distância. Sensibilidade a movimento também foi negligenciável.

O TIA completo, ilustrado na Figura 2, incorpora filtro band-pass que limita resposta a 48-390 bpm e suprime flutuações de luz ambiente de alta frequência. A saída do filtro, mostrada na Figura 3, demonstra estímulo limpo de 120 bpm a 1 nA corrente de fotodiodo.

O design tolera variações de componentes: resistores 5% e capacitores 10% foram suficientes. A entrada AC balanceada e estágio low-pass fornecem excelente rejeição de ruído de linha 50/60 Hz, eliminando hum mesmo quando fotodiodo contata a pele.

Conclusão

Empregar TIA AC-acoplado em sensores PPG LED verde reduz drasticamente suscetibilidade a luz ambiente, posicionamento do dedo e artefatos de movimento. O custo modesto dos componentes adicionais é superado por ganhos em imunidade a ruído, tolerância posicional e faixa de medição — tornando esta abordagem ideal para dispositivos de saúde do consumidor.

Referências

• Photodiode Amplifiers: Op Amp Solutions por Jerald Graeme
• Operational Amplifiers: Design and Applications por Graeme, Tobey, Huelsman
• Applications of Operational Amplifiers: Third Generation Techniques por Graeme

— Dave Conrad é engenheiro eletrônico aposentado com experiência em potência, vídeo, analógico, digital, mixed-signal e design de software.

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

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