第三章 传感器与前端电路：光电二极管与LED驱动电路设计、跨阻放大器设计、环境光抑制技术

好，咱们进入血氧仪最核心的模拟前端部分。说实话，这部分要是没设计好，后面数字处理再牛也白搭。我见过不少团队，算法团队花了好几个月调参，结果发现是前端信噪比不够，白忙活一场。

3.1 光电二极管（PD）的选择与偏置

血氧仪里用的光电二极管，说白了就是个光转电流的器件。红光和红外光各配一个PD，或者用一颗双波长PD。

选型时我重点关注三个参数：

  • 暗电流：越小越好。我习惯选暗电流在1nA以下的，不然温度一上来，基线漂移会让你怀疑人生。
  • 响应度：单位是A/W。红光660nm附近，响应度一般在0.4~0.6 A/W；红外940nm附近，大概0.6~0.8 A/W。
  • 结电容：这个直接影响带宽和噪声。结电容越小，跨阻放大器越稳定。

我的经验：PD的结电容和面积成正比。别为了多收光选太大面积的PD，否则带宽上不去，噪声还大。我一般选2mm²以下的PD，配合适当的聚光透镜，效果更好。

偏置方式怎么选？

PD有两种偏置模式：光伏模式和光导模式。

  • 光伏模式：PD两端零偏置。优点是暗电流极小，噪声低。缺点是响应速度慢一点。血氧仪这种低频应用（通常几十Hz到几百Hz），光伏模式完全够用。
  • 光导模式：PD加反向偏压（比如-5V）。优点是响应速度快，结电容变小。缺点是暗电流会增大，噪声也大。

我个人习惯用光伏模式。血氧仪对噪声极其敏感，暗电流每增加一点，信噪比就掉一截。你想想看，手指透过的光信号本来就弱，再被暗电流淹没了，那还测什么？

3.2 LED驱动电路设计

LED驱动看似简单，其实坑不少。血氧仪里LED是脉冲驱动的，不是一直亮着。为什么？

  • 省电——电池供电的设备，能省一点是一点。
  • 避免组织发热——长时间照射会改变局部血流，影响测量。
  • 配合时序——红光和红外交替点亮，PD才能区分信号。

驱动电路的核心要求：

  • 电流要稳。LED的亮度直接由电流决定，电流波动会引入噪声。
  • 上升/下降沿要快。脉冲宽度通常只有几十微秒，边沿慢了，有效发光时间就不够。
  • 电流大小可调。不同肤色、不同部位需要的驱动电流不一样。

我常用的方案是恒流源驱动，用一颗运放加MOS管构成。下面是个简化版电路：

// 伪代码描述驱动时序
void drive_leds() {
    // 先关掉所有LED
    LED_RED_CTRL = 0;
    LED_IR_CTRL = 0;
    delay_us(10);  // 等待电流泄放
    
    // 点亮红光，持续80us
    LED_RED_CTRL = 1;
    delay_us(80);
    LED_RED_CTRL = 0;
    
    delay_us(10);  // 切换间隔
    
    // 点亮红外，持续80us
    LED_IR_CTRL = 1;
    delay_us(80);
    LED_IR_CTRL = 0;
    
    // 然后进入采样阶段
}

注意：LED的峰值电流不能超过规格书限制。我曾经遇到过，为了追求信号强度，把电流调到100mA，结果LED光衰严重，用了两个月就不行了。血氧仪是医疗设备，可靠性是第一位的。

3.3 跨阻放大器（TIA）设计

PD输出的是电流信号，微安甚至纳安级别。我们需要把它转成电压信号，然后才能ADC采样。这个转换就靠跨阻放大器。

TIA的核心公式：

Vout = -Ipd × Rf

其中Rf是反馈电阻。比如PD输出1μA，Rf取1MΩ，输出电压就是-1V。

设计TIA时，我重点关注三个问题：

  1. 稳定性：PD的结电容和运放的输入电容会在反馈环路里引入极点，容易振荡。解决办法是在反馈电阻上并联一个小电容Cf。
  2. 噪声：Rf越大，热噪声越大。但Rf小了，信号又太小。这是个trade-off。
  3. 带宽：血氧仪信号频率很低，但为了脉冲驱动，带宽还是要够。我一般设计在10kHz左右。

反馈电容Cf怎么选？

有个经验公式：

Cf = sqrt( Cpd / (2 * π * Rf * GBP) )

其中Cpd是PD结电容，GBP是运放的增益带宽积。嗯，这个公式算出来只是个起点，实际要在板上调试，用方波测试看有没有过冲。

我的选型习惯：运放选低偏置电流、低噪声的CMOS运放，比如TI的OPA2376或ADI的AD8605。偏置电流要小于1pA，不然PD的微弱电流会被运放自己吃掉。

3.4 环境光抑制技术

环境光干扰是血氧仪最大的敌人之一。太阳光、日光灯、手机屏幕光，都会照到PD上，产生额外的光电流。

环境光干扰有多严重？

室内日光灯下，PD产生的光电流可能达到几微安。而手指透射过来的红光信号，可能只有几十纳安。差了100倍！如果不处理，信号完全被淹没了。

我常用的三种抑制方法：

  1. 光学滤波：在PD前面加滤光片，只让660nm和940nm附近的光通过。这是第一道防线。
  2. 时序差分采样：这是最核心的方法。LED亮的时候采一次，LED灭的时候再采一次，两次相减，环境光就被减掉了。
  3. 模拟低通滤波：环境光通常是直流或低频（100Hz/120Hz的工频闪烁），用高通或带通滤波器可以滤掉。

时序差分采样的具体做法：

// 采样时序伪代码
uint32_t sample_with_ambient_cancellation() {
    uint32_t v_led_on;   // LED亮时的采样值
    uint32_t v_led_off;  // LED灭时的采样值
    
    // 点亮LED
    LED_ON();
    delay_us(50);        // 等待稳定
    v_led_on = ADC_read();
    LED_OFF();
    
    // 等待环境光稳定
    delay_us(20);
    v_led_off = ADC_read();
    
    // 相减得到纯净信号
    return v_led_on - v_led_off;
}

避坑指南：我曾经遇到过，环境光抑制做得很好，但运动伪差还是很大。后来发现是LED和PD之间的光路被手指移动改变了。嗯，这其实是另一个话题——运动伪差抑制，后面章节会详细讲。

硬件上还要注意：

  • PD和LED之间要做光学隔离，防止LED的光直接串到PD里。
  • PCB上，模拟地和数字地要分开，TIA周围不要走数字信号线。
  • 外壳要遮光，尤其是侧面缝隙，环境光会从那里漏进去。

好了，传感器前端这部分就讲到这里。说白了，血氧仪的模拟前端就是三个字：弱信号检测。PD把光转成电流，TIA把电流转成电压，环境光抑制保证信号干净。每一步都有坑，但每一步也都有成熟的解决方案。下一章我们讲ADC采样和数字滤波，把模拟信号变成数字信号，然后才能交给算法处理。

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