MAX86140/MAX86141：可穿戴健康監(jiān)測的最佳光學(xué)傳感器

在可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備領(lǐng)域，對高精度、低功耗的光學(xué)傳感器需求日益增長。Analog Devices的MAX86140/MAX86141光學(xué)脈搏血氧儀和心率傳感器，憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來深入了解一下這兩款傳感器。

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一、器件概述

MAX86140/MAX86141是超低功耗、完全集成的光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在發(fā)射端，它們擁有三個(gè)可編程的大電流LED驅(qū)動(dòng)器，通過外部3x2:1多路復(fù)用器，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)六個(gè)LED；若兩個(gè)MAX86140/MAX86141設(shè)備以控制器 - 目標(biāo)模式工作，借助外部3x2:1多路復(fù)用器，LED驅(qū)動(dòng)器最多可驅(qū)動(dòng)十二個(gè)LED。接收端方面，MAX86140包含一個(gè)光學(xué)讀出通道，而MAX86141則有兩個(gè)可同時(shí)工作的光學(xué)讀出通道。

這兩款器件具備低噪聲信號調(diào)理模擬前端（AFE），包括19位ADC、業(yè)界領(lǐng)先的環(huán)境光消除（ALC）電路以及柵欄檢測與替換功能。由于其低功耗、緊湊尺寸、易用性和出色的環(huán)境光抑制能力，MAX86140/MAX86141非常適合各種光學(xué)傳感應(yīng)用，如脈搏血氧測量和心率檢測。

它們采用1.8V主電源電壓和3.1V至5.5V的LED驅(qū)動(dòng)器電源電壓，支持標(biāo)準(zhǔn)SPI兼容接口和完全自主操作。每個(gè)器件都有一個(gè)128字的內(nèi)置FIFO，并采用緊湊的晶圓級封裝（WLP），尺寸為2.048 x 1.848mm，球間距為0.4mm。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢

2.1 完整的單通道和雙通道光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

MAX86140和MAX86141分別提供單通道和雙通道的光學(xué)數(shù)據(jù)采集能力，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。無論是簡單的心率監(jiān)測，還是復(fù)雜的血氧飽和度測量，都能輕松應(yīng)對。

2.2 優(yōu)化的架構(gòu)

專為透射式和反射式心率或 (SpO_{2}) 監(jiān)測而設(shè)計(jì)的架構(gòu)，確保了高精度的測量結(jié)果。在不同的測量場景下，都能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)。

2.3 低暗電流噪聲

暗電流噪聲小于50pA RMS（樣本間方差），通過多種采樣模式和片上平均技術(shù)，可進(jìn)一步降低有效暗電流噪聲。這使得傳感器在低光照條件下也能提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

2.4 高分辨率ADC

19位電荷積分ADC提供了高分辨率的測量能力，能夠捕捉到微小的信號變化，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了豐富的信息。

2.5 出色的動(dòng)態(tài)范圍

在白板回環(huán)測試（樣本間方差）中，動(dòng)態(tài)范圍超過89dB。通過多種采樣模式和片上平均技術(shù)， (SpO_{2}) 測量的動(dòng)態(tài)范圍可擴(kuò)展至超過104dB，心率監(jiān)測（HRM）的動(dòng)態(tài)范圍可擴(kuò)展至超過110dB。

2.6 優(yōu)秀的環(huán)境光抑制能力

能夠處理超過100μA的環(huán)境光電探測器電流，在120Hz時(shí)環(huán)境光抑制能力超過70dB。這使得傳感器在強(qiáng)光環(huán)境下也能正常工作，減少環(huán)境光對測量結(jié)果的影響。

2.7 超低功耗運(yùn)行

對于可穿戴設(shè)備來說，功耗是一個(gè)關(guān)鍵因素。MAX86140/MAX86141在光學(xué)讀出通道的功耗極低，典型值在25sps時(shí)小于10μA。短曝光積分周期為14.8μs、29.4μs、58.7μs、117.3μs，關(guān)機(jī)電流典型值為0.6μA，有效延長了設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。

2.8 快速環(huán)境瞬變抑制

內(nèi)置的柵欄檢測與替換功能能夠校正由于環(huán)境光快速變化導(dǎo)致的測量誤差，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

三、應(yīng)用場景

MAX86140/MAX86141適用于各種可穿戴設(shè)備，包括健身、健康和醫(yī)療應(yīng)用。它們經(jīng)過優(yōu)化，可用于手腕、手指、耳朵等不同部位的監(jiān)測，能夠準(zhǔn)確檢測光學(xué)心率、血氧飽和度（ (SpO{2}) ）和肌肉血氧飽和度（ (SmO) 和 (StO{2}) ）。

四、電氣特性

4.1 讀出通道

ADC分辨率為19位，可根據(jù)不同的配置設(shè)置不同的滿量程輸入電流。ADC積分時(shí)間可在14.8μs至117.3μs之間選擇，采樣率范圍為8sps至4096sps，采樣率誤差在±2%以內(nèi)。

4.2 LED驅(qū)動(dòng)器

LED電流分辨率為8位，驅(qū)動(dòng)器的DNL和INL表現(xiàn)良好。全量程LED電流可根據(jù)不同的范圍設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，最小輸出電壓也有相應(yīng)的規(guī)定。

4.3 電源

主電源電壓為1.8V，LED電源電壓范圍為3.1V至5.5V。在不同的工作模式和采樣率下，電源電流也有所不同，關(guān)機(jī)時(shí)的VDD電流典型值為0.6μA，VLED電流典型值為1μA。

五、功能模塊詳解

5.1 光學(xué)子系統(tǒng)

由環(huán)境光消除（ALC）、連續(xù)時(shí)間sigma - delta ADC和專有離散時(shí)間濾波器組成。ALC采用專有方案消除環(huán)境光產(chǎn)生的光電二極管電流，使傳感器能夠在高環(huán)境光條件下工作。光學(xué)ADC具有可編程的滿量程范圍，內(nèi)部ADC是一個(gè)連續(xù)時(shí)間過采樣sigma - delta轉(zhuǎn)換器，分辨率為19位。

5.2 LED驅(qū)動(dòng)器

集成了三個(gè)精密LED驅(qū)動(dòng)電流DAC，可調(diào)制LED脈沖以進(jìn)行各種光學(xué)測量。LED電流DAC具有8位動(dòng)態(tài)范圍，有四種可編程的滿量程范圍。LED驅(qū)動(dòng)器是低壓差電流源，能夠在最低電源電壓下提供低噪聲、與電源無關(guān)的LED電流，從而降低LED功耗。

5.3 FIFO配置

FIFO深度為128個(gè)樣本，設(shè)計(jì)用于支持各種數(shù)據(jù)類型。每個(gè)樣本寬度為3字節(jié)，包含一個(gè)5位標(biāo)簽，用于識別每個(gè)樣本數(shù)據(jù)的來源。通過LED序列寄存器可以控制FIFO中的數(shù)據(jù)格式和曝光順序。

5.4 光學(xué)時(shí)序

MAX86140/MAX86141的光學(xué)控制器可以配置為進(jìn)行各種測量，包括單LED脈沖、多LED同時(shí)脈沖或順序脈沖等。每個(gè)LED曝光在ADC轉(zhuǎn)換之前都會進(jìn)行環(huán)境光補(bǔ)償。同時(shí)，控制器還可以配置為測量每個(gè)曝光樣本的直接環(huán)境光水平，用于調(diào)整LED驅(qū)動(dòng)水平以補(bǔ)償高干擾環(huán)境信號下的噪聲增加。

5.5 ADC架構(gòu)和非線性校正

由16位電流積分增量delta - sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和5位子范圍數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）組成，整體動(dòng)態(tài)范圍為19位。通過自校準(zhǔn)方案和可選的FIFO標(biāo)簽值，可以進(jìn)一步減少子DAC的非線性誤差。

5.6 GPIO配置

通過GPIO1和GPIO2引腳，MAX86140/MAX86141可以與外部傳感器、多路復(fù)用器同步，并擴(kuò)展測量配置的靈活性。根據(jù)GPIO CTRL位字段的不同設(shè)置，GPIO1和GPIO2具有不同的功能和工作模式。

5.7 接近模式功能

該功能可以在傳感器未與皮膚接觸時(shí)顯著降低能耗并延長電池壽命。通過設(shè)置相關(guān)寄存器，可以啟用接近模式。當(dāng)測量值低于閾值時(shí)，設(shè)備進(jìn)入接近模式，降低LED電流和采樣率；當(dāng)測量值超過閾值時(shí)，設(shè)備切換回正常模式。

5.8 柵欄檢測與替換功能

在環(huán)境光快速變化的情況下，內(nèi)置的柵欄檢測與替換功能可以校正由于環(huán)境光校正（ALC）電路故障導(dǎo)致的測量誤差。通過檢測樣本值與預(yù)測值的差異，并與閾值進(jìn)行比較，當(dāng)差異超過閾值時(shí)，用預(yù)測值替換當(dāng)前樣本值。

六、布局指南

由于MAX86140/MAX86141是高動(dòng)態(tài)范圍的模擬前端（AFE），其性能可能會受到印刷電路板（PCB）布局的影響。因此，在布局時(shí)需要遵循一些建議，如將VDD_ANA和VDD_DIG引腳在PCB上短接，將GND_ANA、GND_DIG和PGND短接到單個(gè)PCB接地平面，對VDD_ANA和VDD_DIG引腳進(jìn)行去耦，對VREF引腳進(jìn)行去耦，以及對PD_IN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行屏蔽等。

七、SPI時(shí)序

7.1 單字SPI寄存器讀寫事務(wù)

MAX86140/MAX86141與SPI/QSPI/Micro - wire/DSP兼容。數(shù)據(jù)在SCLK上升沿被鎖存到器件中，在SCLK下降沿被時(shí)鐘輸出。所有單字SPI讀寫操作都在一個(gè)3字節(jié)、24個(gè)時(shí)鐘周期的SPI指令中完成，由CSB低電平間隔界定。

7.2 SPI FIFO突發(fā)模式讀取事務(wù)

為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率，MAX86140/MAX86141提供了FIFO突發(fā)讀取模式。前16個(gè)SCLK周期與正常讀取模式相同，后續(xù)的SCLK周期包含F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)，每個(gè)樣本需要24個(gè)SCLK周期進(jìn)行讀取。

八、寄存器映射

文檔中詳細(xì)介紹了各個(gè)寄存器的功能和配置，包括中斷狀態(tài)寄存器、中斷使能寄存器、FIFO相關(guān)寄存器、系統(tǒng)控制寄存器、PPG配置寄存器等。通過對這些寄存器的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對傳感器的各種功能控制。

九、總結(jié)

MAX86140/MAX86141以其卓越的性能、豐富的功能和靈活的配置，為可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備提供了一個(gè)強(qiáng)大的解決方案。無論是在精度、功耗還是環(huán)境適應(yīng)性方面，都表現(xiàn)出色。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備時(shí)，MAX86140/MAX86141無疑是一個(gè)值得考慮的選擇。你在使用類似傳感器時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。