Cómo un amplificador transimpedancia acoplado en AC elimina ruido de luz ambiental en sensores de frecuencia cardíaca con LED verde

Cómo un amplificador transimpedancia acoplado en AC elimina ruido de luz ambiental en sensores de frecuencia cardíaca con LED verde

Los sensores de fotopletismografía (PPG) con LED verde son ahora estándar en wearables, teléfonos y rastreadores de fitness. Su bajo coste y simplicidad los hacen atractivos, pero sufren interferencia ambiental que puede degradar o incluso impedir medición fiable de frecuencia cardíaca.

Fuentes típicas de error incluyen sensibilidad a colocación del dedo, variaciones de distancia LED-sensor, y lo más crítico, luz ambiental brillante que satura la señal del fotodiodo. Para abordar esto, diseñé un amplificador transimpedancia (TIA) acoplado en AC que rechaza el componente DC generado por iluminación ambiental mientras preserva la señal de pulso modulada.

La simulación confirmó que el acoplamiento AC bloquea el sesgo DC del fotodiodo, filtrando efectivamente luz solar o una bombilla incandescente de 100 W colocada cerca del sensor. El circuito, mostrado en Figura 1, usa una referencia de 2,5 V de bajo ruido para mantener una línea base estable.

Figura 1: TIA acoplado en AC con nivel de referencia de 2,5 V de bajo ruido.

Para validar la simulación, construí un prototipo con un fotodiodo Yi T1‑3/4 o 5 mm «bullet» y un LED verde estándar, todos en paquetes de montaje superficial. Incluso cuando el fotodiodo estaba a pocos centímetros de una bombilla de 100 W, el sensor aún producía pulsos claros desde una muñeca posicionada hasta seis pulgadas de distancia. La sensibilidad al movimiento también fue insignificante.

El TIA completo, ilustrado en Figura 2, incorpora un filtro pasa-banda que limita la respuesta a 48–390 lpm y suprime fluctuaciones de luz ambiental de alta frecuencia. La salida del filtro, mostrada en Figura 3, demuestra un estímulo limpio de 120 lpm a 1 nA de corriente de fotodiodo.

Figura 2: Circuito TIA completo con filtro pasa-banda. Respuesta -3 dB de 48 a 390 lpm.

Figura 3: Respuesta de salida del filtro a una corriente AC de fotodiodo de 1 nA a 0,5 Hz (120 lpm).

El diseño tolera variaciones de componentes: resistencias del 5 % y condensadores del 10 % fueron suficientes. La entrada AC balanceada y etapa pasa-bajas proporcionan excelente rechazo de ruido de línea 50/60 Hz, eliminando zumbido incluso cuando el fotodiodo contacta la piel.

Conclusión

Emplear un TIA acoplado en AC en sensores PPG de LED verde reduce drásticamente la susceptibilidad a luz ambiental, colocación del dedo y artefactos de movimiento. El coste modesto de los componentes adicionales se ve superado por ganancias en inmunidad al ruido, tolerancia posicional y rango de medición —haciendo este enfoque ideal para dispositivos de salud de consumo.

Figura 4: Posiciones relativas de LED, fotodiodo y superficie de la piel.

Referencias

• 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 es ingeniero electrónico jubilado con experiencia en potencia, video, analógico, digital, señal mixta y diseño de software.

► Este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano, EDN.

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