該AFE4403是一款完全集成的模擬前端 （AFE），非常適合脈搏血氧儀應用。該器件由一個低噪聲接收器通道組成，該通道集成了模數轉換器 （ADC）、一個 LED 發射部分以及用于傳感器和 LED 故障檢測的診斷功能。該器件是一個非常可配置的定時控制器。這種靈活性使用戶能夠完全控制器件時序特性。為了簡化時鐘要求并為AFE4403提供低抖動時鐘，還集成了一個振蕩器，該振蕩器由外部晶體運行。該器件使用 SPI? 接口與外部微控制器或主機處理器通信。

該器件是一個完整的AFE解決方案，封裝在單個緊湊的DSBGA-36（3.07 mm×3.07 mm×0.5 mm）中，額定工作溫度范圍為–20°C至70°C。
*附件：afe4403.pdf

特性

• 用于脈搏血氧儀和心率監測應用的完全集成 AFE：
• 傳輸：
  • 集成雙 LED 驅動器（H 橋或共陽極）
  • 可選配第三個 LED 支持，用于優化的 SPO2、HRM 或多波長 HRM
  • 高達 110 dB 的動態范圍
  • LED電流：
    • 可編程至 100 mA，電流分辨率為 8 位
  • 30 μA + 平均 LED 電流
  • 可編程 LED 導通時間
  • 獨立的 LED2 和 LED1 基準電流
• 具有高動態范圍的接收通道：
  • 22 位輸出，二進制補碼格式
  • 高達 105 dB 的動態范圍
  • 低功耗：< 650 μA
  • 動態掉電模式，可將電流降低至300 μA
  • 適應非常寬的信號幅度范圍：
    • 總可編程增益：10 kΩ至4 MΩ
  • 集成數字環境估計和減法
• 通過外部時鐘或晶體靈活時鐘：
  • 脈沖頻率：62.5 SPS 至 2000 SPS
  • 靈活的脈沖排序和定時控制
  • 輸入時鐘范圍：4 MHz（最小值）至 60 MHz（最大值）
• 集成故障診斷：
  • 光電二極管和 LED 開路和短路檢測
• 用品：
  • Rx = 2.0 V 至 3.6 V
  • 發射 = 3.0 V 至 5.25 V
• 封裝：緊湊型 DSBGA-36（3.07 mm × 3.07 mm × 0.5 mm）
• 指定溫度范圍：0°C–20°C 至 70°C

參數

方框圖

AFE4403 是德州儀器推出的超小型集成模擬前端（AFE），專為脈搏血氧儀（SPO?）和心率監測（HRM）設計，核心優勢為高動態范圍、低功耗及一體化 LED 驅動與信號采集功能，適配醫療與工業光度測量場景。

一、核心產品參數

1. 基礎規格

• 分辨率與通道：22 位 ADC 分辨率，支持雙路 LED（RED/IR）+ 可選第三路 LED 驅動，單通道光電二極管輸入
• 采樣與轉換性能：脈沖重復頻率（PRF）62.5-2000 SPS；ADC 轉換時間 50 μs，支持多樣本平均降噪
• 封裝與溫度：36 引腳 DSBGA 封裝（3.07mm×3.07mm×0.5mm）；工作溫度 -20°C 至 70°C
• 電源與功耗：接收端電源 2.0-3.6 V，發射端電源 3.0-5.25 V；正常工作電流 < 650 μA，動態掉電模式低至 300 μA，完全掉電模式電流 1-5 μA

2. 輸入與性能特性

• 輸入范圍：跨阻放大器（TIA）反饋電阻可編程（10 kΩ-1 MΩ），滿量程輸入電流 0.5 μA-50 μA（隨增益變化）
• 動態性能：發射端動態范圍達 110 dB，接收端動態范圍達 105 dB；輸入參考噪聲低至 3.2 pA RMS（0.1-20 Hz 帶寬）
• LED 驅動特性：8 位分辨率可編程電流，最大驅動電流 100 mA；支持 H 橋或共陽極配置，可選第三路 LED（僅共陽極）
• 環境抑制：集成數字環境光估計與減法模塊，環境 cancellation DAC 范圍 0-10 μA，抑制環境光干擾

3. 關鍵功能參數

• 信號調理：第二級放大器增益 0-12 dB 可編程，內置 500 Hz 低通濾波器
• 診斷功能：支持光電二極管 / LED 開路 / 短路檢測，診斷耗時 16 ms，故障電阻閾值：短路 <10 kΩ，開路> 100 kΩ
• 時鐘與接口：支持 4-60 MHz 外部時鐘或 8 MHz 晶體；SPI 兼容串行接口，提供 ADC_RDY 中斷信號

二、關鍵功能特性

1. 高集成一體化設計

• 發射端：集成雙路 LED 驅動（H 橋 / 共陽極）、8 位電流 DAC、TX_REF 可編程參考電壓（0.25-1 V）
• 接收端：低噪聲 TIA、環境光 cancellation 模塊、二級增益放大器、22 位 ADC，無需額外信號調理芯片
• 輔助功能：支持動態掉電模式（閑置時段關斷部分模塊）、多樣本平均降噪、VCM 屏蔽信號輸出（減少輸入線干擾）

2. 靈活配置與適配性

• 采樣與時序：11 路時序信號邊緣可編程，支持獨立 LED 采樣 / 轉換時序配置，適配不同 LED 脈沖寬度（最小 50 μs）
• LED 擴展：支持第三路 LED（如綠光用于 HRM），可通過寄存器切換通道，適配多波長光度測量
• 電源適配：發射端與接收端電源獨立，支持 3.3 V 單電源或多電源組合，LED 驅動電源兼容 3.0-5.25 V

3. 高可靠性與低噪聲

• 抗干擾設計：共模抑制比（CMRR）50/60 Hz 時達 75-95 dB，電源抑制比（PSRR）60-75 dB
• 故障診斷：內置 9 類故障檢測（LED / 光電二極管開路 / 短路、線纜短路等），輸出診斷標志位與 DIAG_END 信號
• 低噪聲優化：TIA 反饋電容可編程（5-250 pF），支持斬波穩定技術，適配低灌注（低信號強度）場景

三、典型應用場景

• 醫療設備：脈搏血氧儀（SPO?）、光學心率監測儀（HRM）
• 工業應用：工業光度測量、光學傳感器信號采集
• 可穿戴設備：低功耗心率手環 / 手表（支持動態掉電節能）

四、設計與使用建議

1. 輸入與 LED 配置

• 光電二極管連接：推薦零偏置配置，INP/INN 引腳遠離高速數字線，長距離布線時用 VCM 信號屏蔽
• LED 驅動設計：根據 LED 正向電壓選擇 TX_REF 電壓（0.25-1 V），確保 LED_DRV_SUP 預留足夠電壓裕量（≥ LED 正向電壓 + 0.5 V）
• 環境抑制：啟用環境光 cancellation DAC，通過 SPI 動態調整 cancellation 電流，抵消環境光干擾

2. 電源與布線

• 電源配置：發射端與接收端電源獨立供電，分別并聯 0.1 μF 去耦電容；LED 驅動電源需支持大瞬時電流，建議添加大容量旁路電容
• PCB 布局：TXP/TXN/TX3 高速切換線遠離 INP/INN 與參考電壓線；模擬地與數字地單點連接，減少串擾

3. 時序與功耗優化

• 時序配置：PRF 選擇需平衡響應速度與噪聲（低 PRF 降噪好，高 PRF 響應快），建議啟用多樣本平均（最多 16 樣本）
• 低功耗設計：閑置時啟用動態掉電模式，關閉未使用的 LED 通道，通過 PDN_CYCLE 寄存器定義掉電時段。