Mitigar la luz ambiental brillante en los monitores de frecuencia cardíaca

El uso de un amplificador de transimpedancia acoplado a CA puede mejorar enormemente el LED verde inmunidad de los sensores de latido del corazón iluminados al ruido y otras entradas ambientales extrañas.

Gracias a su simplicidad y bajo costo, los sensores de latidos cardíacos iluminados con LED verdes son ahora casi omnipresentes y se encuentran en la mayoría de los productos de salud para el consumidor, así como en muchos teléfonos y relojes de pulsera. Pero, a pesar de todas sus ventajas, he observado que con frecuencia se ven afectados por factores ambientales que reducen su precisión y, en algunos casos, su capacidad para tomar medidas.

Estos factores incluyen la sensibilidad a la ubicación de los dedos, las variaciones en la distancia entre la fuente de LED y el sensor y la incursión de la luz ambiental. Esto me llevó a pensar en hacer un amplificador de transimpedancia acoplado a CA (TIA) que sería mucho menos susceptible a la luz ambiental brillante, como la luz solar o una bombilla incandescente de 100 W muy cerca del sensor de fotodiodo.

La simulación mostró que la idea funcionaba bien y que la corriente CC en el fotodiodo (modelada como una fuente de corriente CA con polarización de compensación CC para simular la respuesta de la luz ambiental) fue rechazada por el acoplamiento CA a las entradas TIA.

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

Para verificar la simulación, preparé un circuito preliminar utilizando los componentes que ya tenía a mano, en particular un fotodiodo de "bala" Yi T1-3 / 4 o 5 mm y un LED verde genérico. Ambos dispositivos estaban alojados en paquetes de montaje en superficie que funcionarían también para distancias cortas. Si se necesita una detección de pulso a mayor distancia, podría ser necesario utilizar piezas que incluyan lentes en los paquetes SMD para reducir el campo de visión.

El circuito resultante demostró una buena sensibilidad al pulso con mi muñeca a una distancia de hasta seis pulgadas de la configuración del fotodiodo / LED, incluso cuando una bombilla incandescente de 100 W se colocó lo más cerca posible del fotodiodo (sin bloquear el camino óptico hacia mi muñeca entre el fotodiodo y el LED). Asimismo, la sensibilidad del nuevo circuito al movimiento del cuerpo (mi muñeca) era mínima.

Este es el circuito completo simulado, incluido un filtro de paso alto y de paso bajo, construido y probado para los resultados anteriores:

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Figura 2:El circuito TIA completo incluye un filtro de paso de banda, que ayuda a reducir su sensibilidad al movimiento corporal y las variaciones rápidas de la luz ambiental. Como se muestra, la respuesta del circuito es de -3dB de 48 bpm a 390 bpm.

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Figura 3:Respuesta de salida del filtro a una corriente CA de fotodiodo de 1 nA a un estímulo de 0,5 Hz o 120 bpm.

El TIA implementado aquí es bastante insensible a las variaciones de los componentes. Usé resistencias con un 5% de tolerancia y condensadores con un 10% de tolerancia. La entrada de CA balanceada y el filtro de paso bajo brindan un excelente rechazo del ruido inducido por la línea de CA.

Como resultado, no vi ningún "zumbido" en la señal de salida cuando acerqué mi piel y, finalmente, la puse en contacto con el paquete de fotodiodo de plástico. No hay una respuesta de 120 Hz a la luz de fondo producida por una bombilla cercana de 100 W. El circuito tampoco demostró ninguna respuesta de 60 Hz a la proximidad de la bombilla al fotodiodo durante la prueba de rechazo de la luz ambiental.

Conclusiones

Muchos problemas comunes asociados con los sensores de pulso basados ​​en LED verdes se pueden reducir o eliminar mediante el uso de un amplificador de transimpedancia acoplado a CA en el circuito fotodetector. Para la mayoría de las aplicaciones, los posibles costos adicionales relacionados con los componentes del TIA son superados con creces por las ganancias en inmunidad al ruido, tolerancia posicional y rango de detección.

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

Referencias:

• Amplificadores de fotodiodo:soluciones de amplificador operacional de Jerald Graeme
• Amplificadores operacionales:diseño y aplicaciones de Graeme, Tobey, Huelsman
• Aplicaciones de amplificadores operacionales:técnicas de tercera generación de Graeme

—Dave Conrad es un ingeniero electrónico jubilado con experiencia en energía, video, analógico, digital, señal mixta y diseño de software.

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

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