ADPD4100/ADPD4101多模態(tài)傳感器前端：功能特點(diǎn)與應(yīng)用解析

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，傳感器前端的性能對整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。ADPD4100/ADPD4101作為Analog Devices推出的多模態(tài)傳感器前端，以其豐富的功能和出色的性能，在可穿戴設(shè)備、工業(yè)監(jiān)測、家庭患者監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。作為電子工程師，深入了解這款產(chǎn)品的特點(diǎn)和應(yīng)用，對于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、提升產(chǎn)品性能具有重要意義。

文件下載：ADPD4100.pdf

二、芯片特點(diǎn)概述

多模態(tài)與多通道特性

ADPD4100/ADPD4101具備多模態(tài)功能，是一款真正意義上的多功能傳感器前端。它擁有8個(gè)輸入通道，支持多種操作模式，可用于各類傳感器測量。同時(shí)，具備雙通道處理和同步采樣能力，能同時(shí)對兩個(gè)傳感器進(jìn)行采樣，滿足復(fù)雜系統(tǒng)的測量需求。此外，它提供12個(gè)可編程時(shí)隙，能夠?qū)崿F(xiàn)同步傳感器測量，為多傳感器應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。

靈活的輸入與驅(qū)動能力

其輸入多路復(fù)用功能十分靈活，能支持差分和單端傳感器測量，適應(yīng)不同類型傳感器的需求。在LED驅(qū)動方面，擁有8個(gè)LED驅(qū)動，其中4個(gè)可同時(shí)驅(qū)動，且單個(gè)LED驅(qū)動的峰值電流可達(dá)1.5 - 200mA，總LED峰值驅(qū)動電流可達(dá)400mA，能夠滿足不同光照強(qiáng)度的需求。

高性能指標(biāo)

在采樣率方面，使用內(nèi)部振蕩器時(shí)，采樣率可在0.004Hz - 9kHz范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，能適應(yīng)不同的測量場景。芯片還具備片上數(shù)字濾波功能，可有效提高信號質(zhì)量。其發(fā)射和接收信號鏈的SNR達(dá)到100dB，在1kHz以下的AC環(huán)境光抑制能力達(dá)60dB，保證了在復(fù)雜環(huán)境下的測量精度。系統(tǒng)總功耗低至30μW（連續(xù)PPG測量，75dB SNR，25Hz ODR，100nA/mA CTR），滿足低功耗設(shè)計(jì)要求。

通信與數(shù)據(jù)處理

支持SPI和I2C通信，方便與各種微控制器或其他設(shè)備進(jìn)行接口。擁有512字節(jié)的FIFO，可有效緩沖數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。

三、規(guī)格參數(shù)詳解

溫度與電源規(guī)格

這款芯片的工作溫度范圍為?40°C至 +85°C，存儲溫度范圍為?65°C至 +150°C，能適應(yīng)較為惡劣的環(huán)境條件。電源供電方面，AVDD、DVDD1和DVDD2引腳的供電電壓范圍為1.7 - 1.9V，典型值為1.8V；IOVDD引腳的供電電壓范圍為1.7 - 3.6V。不同的工作條件下，電流消耗也有所不同，例如在特定條件下，VDD電源電流典型值在8 - 10μA之間，總系統(tǒng)功耗在26 - 30μW之間。

性能規(guī)格

從數(shù)據(jù)采集方面來看，數(shù)據(jù)路徑寬度為32位，F(xiàn)IFO大小為512字節(jié)。LED驅(qū)動部分，單個(gè)LED驅(qū)動的峰值電流最大可達(dá)200mA，總峰值電流可達(dá)400mA，驅(qū)動順從電壓可達(dá)300mV，LED引腳電壓最大為3.6V。在采樣率方面，單時(shí)隙、4字節(jié)數(shù)據(jù)寫入FIFO且2μs LED脈沖時(shí)，最大采樣率可達(dá)9000Hz。

振蕩器方面，不同頻率的振蕩器在溫度變化時(shí)的漂移情況不同。32kHz振蕩器在25°C至85°C溫度范圍內(nèi)變化6%，在25°C至 - 40°C溫度范圍內(nèi)變化 - 8.5%；1MHz振蕩器變化相對較小，分別為3%和 - 4%；32MHz振蕩器在相應(yīng)溫度范圍內(nèi)變化1%和 - 1.5%。

跨阻放大器（TIA）增益范圍為12.5 - 200kΩ，不同增益下的ADC分辨率和飽和水平也不同。例如，當(dāng)TIA增益為12.5kΩ時(shí)，在3μs LED脈沖、4μs積分寬度和連續(xù)連接模式下，ADC分辨率為6.2nA/LSB，飽和水平為50μA；當(dāng)增益為200kΩ時(shí)，分辨率為0.38nA/LSB，飽和水平為3.11μA。

數(shù)字與時(shí)序規(guī)格

在邏輯輸入方面，不同引腳的輸入電壓和電流有相應(yīng)的要求。例如，SCL、SDA引腳的高電平輸入電壓為0.7 × IOVDD至3.6V，低電平輸入電壓為 - 0.3至 +0.3 × IOVDD；GPIOx、MISO、MOSI、SCLK、CS引腳的高電平輸入電壓為0.7 × IOVDD至IOVDD + 0.3V，低電平輸入電流范圍為 - 0.3至 +0.3 × IOVDD。邏輯輸出方面也有相應(yīng)的電壓和電流規(guī)范。

I2C和SPI通信的時(shí)序規(guī)格也有詳細(xì)規(guī)定。例如，I2C端口的SCL頻率最大為1Mbps，SCL高電平最小脈沖寬度為260ns，低電平最小脈沖寬度為500ns；SPI端口的SCLK頻率最大為24MHz，高、低電平最小脈沖寬度均為15ns。

絕對最大額定值與其他規(guī)格

在絕對最大額定值方面，各個(gè)引腳的電壓和結(jié)溫都有明確的限制，例如AVDD至AGND的電壓范圍為 - 0.3V至 +2.2V，結(jié)溫最大為150°C。在熱阻方面，不同封裝的熱阻不同，如CB - 35 - 2封裝的θJA為41.89°C/W，θJC為0.98°C/W；CB - 33 - 1封裝的θJA為42.15°C/W，θJC為0.98°C/W。在靜電放電（ESD）方面，該芯片的HBM承受閾值為2000V，CDM承受閾值為1250V。

四、工作原理分析

模擬信號路徑

ADPD4100/ADPD4101的模擬信號路徑由8個(gè)電流輸入組成，這些輸入可配置為單端或差分對，連接到兩個(gè)獨(dú)立通道中的一個(gè)。每個(gè)通道包含可編程增益的TIA、高通截止頻率為100kHz和低通截止頻率為390kHz的BPF，以及每個(gè)采樣能夠積分±7.5pC的積分器。每個(gè)通道通過時(shí)間復(fù)用進(jìn)入一個(gè)14位的ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

LED驅(qū)動

芯片有4個(gè)LED驅(qū)動，每個(gè)驅(qū)動引出兩個(gè)LED驅(qū)動輸出，共8個(gè)LED輸出。LED驅(qū)動輸出為電流沉，其引腳的最大允許電壓為3.6V。在使用時(shí)，需注意LED驅(qū)動的電流設(shè)置和總電流限制，每個(gè)驅(qū)動可通過7位寄存器設(shè)置，電流范圍從1.5mA到200mA單調(diào)變化，但在任何時(shí)隙內(nèi)，總LED驅(qū)動電流不能超過400mA。

數(shù)據(jù)路徑、抽取、子采樣與FIFO

ADC在每個(gè)時(shí)隙的每個(gè)脈沖中采集樣本，并為每個(gè)時(shí)隙創(chuàng)建一個(gè)正和負(fù)的運(yùn)行總和。這些總和存儲在32位無符號值寄存器中，若值溢出32位則會飽和。在每個(gè)時(shí)隙的脈沖操作結(jié)束后，將光照值和暗值裁剪為正數(shù)并發(fā)送到抽取單元。抽取因子由DECIMATE_FACTOR_x位決定，抽取類型可選擇簡單塊和或高階CIC濾波器。子采樣模式允許選定的時(shí)隙以比編程采樣率更慢的速率運(yùn)行，通過設(shè)置SUBSAMPLE_x位和DECIMATE_FACTOR_x位來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)在每個(gè)采樣周期結(jié)束時(shí)寫入FIFO，F(xiàn)IFO大小為512字節(jié)，可根據(jù)需求配置寫入的數(shù)據(jù)格式和大小。

時(shí)鐘

時(shí)鐘部分包括低頻振蕩器和高頻振蕩器。低頻振蕩器用于為低速狀態(tài)機(jī)提供時(shí)鐘，有三種生成選項(xiàng)：內(nèi)部可選的32kHz或1MHz振蕩器、外部提供的低頻振蕩器，以及由32MHz外部高頻時(shí)鐘源分頻得到的低頻時(shí)鐘。高頻振蕩器為高速狀態(tài)機(jī)提供時(shí)鐘，可內(nèi)部生成或外部提供，用于控制時(shí)隙期間的AFE操作，如LED定時(shí)和積分時(shí)間。

時(shí)間戳操作

時(shí)間戳功能對于低頻振蕩器的校準(zhǔn)以及為主機(jī)提供時(shí)隙操作期間的定時(shí)信息非常有用。通過使用任何GPIO作為時(shí)間戳請求輸入，以及相關(guān)的控制位和寄存器，可以捕獲時(shí)間戳觸發(fā)之間的低頻振蕩器周期數(shù)和到下一個(gè)時(shí)隙開始的剩余周期數(shù)。

五、應(yīng)用模式介紹

模擬積分模式

模擬積分模式是指將傳感器響應(yīng)刺激事件的輸入電荷由ADPD4100/ADPD4101中的積分器進(jìn)行積分的操作模式，包括連續(xù)連接模式、浮動模式、脈沖連接調(diào)制、刺激源調(diào)制、多積分模式和睡眠浮動模式等。

• 連續(xù)連接模式：是最常用的操作模式，用于每次ADC轉(zhuǎn)換對輸入電荷進(jìn)行單次模擬積分。在這種模式下，TIA在預(yù)調(diào)節(jié)期后連續(xù)連接到輸入，適用于PPG測量等應(yīng)用。通過合理設(shè)置相關(guān)寄存器，如PRECON_x、VCx_SEL_x、TIA_GAIN_CHx_x等，可以優(yōu)化信號路徑和測量性能。例如，設(shè)置PRECON_x為0x5可將光電二極管陽極在預(yù)調(diào)節(jié)期間設(shè)置為TIA_VREF電位，設(shè)置VCx為TIA_VREF + 215mV可對光電二極管施加215mV反向偏置，降低其電容和信號路徑噪聲。
• 浮動模式：適用于低光條件下實(shí)現(xiàn)低功耗高SNR的測量。在該模式下，光電二極管先被預(yù)調(diào)節(jié)到已知狀態(tài)，然后陽極與設(shè)備的接收路徑斷開一段時(shí)間，在此期間電荷存儲在傳感器電容上。結(jié)束后，光電二極管切換到接收路徑，累積電荷流入進(jìn)行積分，可有效減少信號路徑添加的噪聲。在浮動LED模式中，使用多個(gè)脈沖來抵消電氣偏移、漂移和環(huán)境光，推薦使用4個(gè)脈沖組進(jìn)行測量，并設(shè)置相應(yīng)的寄存器來控制LED的閃爍和脈沖的加減操作。但使用時(shí)需注意浮置時(shí)間內(nèi)光電二極管的線性工作區(qū)域，避免因電荷積累過多導(dǎo)致非線性問題。
• 脈沖連接調(diào)制：適用于環(huán)境光測量或其他無需同步刺激的傳感器測量。該模式通過將傳感器預(yù)調(diào)節(jié)到PRECON_x位選擇的電平，然后僅在調(diào)制脈沖期間將傳感器連接到TIA輸入，其余時(shí)間連接到TIA_VREF低輸入阻抗節(jié)點(diǎn)，避免電荷積累。設(shè)置MOD_TYPE_x為0x2可啟用該模式，其優(yōu)點(diǎn)是可以利用BPF和積分器的全信號路徑噪聲性能優(yōu)勢。
• 刺激源調(diào)制：通過調(diào)制VC1和VC2信號，為被測傳感器提供脈沖刺激。例如在生物阻抗測量或電容測量中，可將VCx引腳連接到傳感器的相應(yīng)端，測量其響應(yīng)。在這種測量中，BPF被旁路，積分序列需要與傳感器的響應(yīng)相匹配，以完全積分正、負(fù)TIA響應(yīng)的電荷。相關(guān)的寄存器如VCX_PULSE_x、VCx_ALT_x、VCX_SEL_x等用于控制脈沖和電位選擇，MOD_OFFSET_x和MOD_WIDTH_x用于控制調(diào)制的時(shí)序。
• 多積分模式：用于每次ADC轉(zhuǎn)換對輸入電荷進(jìn)行多次模擬積分，適用于刺激事件響應(yīng)小、每個(gè)刺激事件使用的動態(tài)范圍較少的情況。通過設(shè)置NUM_INT_x位來確定LED脈沖和電荷積分的次數(shù)，在達(dá)到指定的積分次數(shù)后進(jìn)行一次ADC轉(zhuǎn)換。該模式可以充分利用積分器的可用動態(tài)范圍，通過設(shè)置合適的TIA增益和LED電流，選擇合適的積分次數(shù)，以提高測量的SNR。同時(shí)，推薦啟用積分器斬波模式以獲得最佳的SNR性能。

數(shù)字積分模式

數(shù)字積分模式允許系統(tǒng)使用比模擬積分模式更大的LED占空比，可能實(shí)現(xiàn)最高的SNR，但環(huán)境光抑制能力會降低。在該模式下，BPF被旁路，積分器配置為緩沖器，信號路徑分為光照和暗區(qū)。LED在光照區(qū)脈沖，在暗區(qū)關(guān)閉，ADC在光照和暗區(qū)以1μs間隔采樣并進(jìn)行數(shù)字積分，將暗區(qū)積分結(jié)果從光照區(qū)積分結(jié)果中減去，結(jié)果寫入相關(guān)的信號輸出數(shù)據(jù)寄存器。支持單區(qū)域和雙區(qū)域數(shù)字積分模式，雙區(qū)域模式在環(huán)境光水平變化的情況下具有更高的環(huán)境光抑制能力。

TIA ADC模式

TIA ADC模式繞過BPF，將TIA輸出通過緩沖器直接接入ADC，適用于環(huán)境光傳感和測量其他直流信號，如泄漏電阻等。在該模式下，設(shè)置AFE_PATH_CFG_x為0x0E6可啟用包含TIA、積分器和ADC的信號路徑，并將積分器配置為緩沖器。通過設(shè)置相關(guān)的寄存器和參數(shù)，如ADC_OFFSET_x、TIA_VREF等，可以調(diào)整ADC的輸出和測量范圍。但需要注意的是，在使用該模式時(shí)，要避免ADC超出量程而飽和。

心電圖（ECG）測量

ADPD4100/ADPD4101可用于ECG測量，只需在輸入端添加由兩個(gè)500kΩ電阻和一個(gè)470pF電容組成的外部RC網(wǎng)絡(luò)。在睡眠浮動模式下，傳感電容除電荷轉(zhuǎn)移外一直處于浮動狀態(tài)，積累ECG信號的電荷。在指定的時(shí)隙內(nèi)，將積累的電荷轉(zhuǎn)移到芯片進(jìn)行測量。這種模式允許使用濕電極或干電極進(jìn)行穩(wěn)健的ECG測量，具有充電時(shí)間長、功耗低、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。對于不同的直流偏置電壓情況，可通過調(diào)整TIA增益、輸入電阻和調(diào)制脈沖的數(shù)量等參數(shù)來優(yōu)化測量性能。

電極脫落檢測

電極脫落檢測可以通過兩種方式進(jìn)行：

• 三電極脫落檢測：需要第三個(gè)電極連接到未使用的VCx引腳，為人體提供刺激。通過測量電極與皮膚接觸的阻抗來判斷電極是否松動或脫落。該方法能夠確定具體哪個(gè)電極出現(xiàn)問題。
• 兩電極脫落檢測：通過一個(gè)未使用的VCx引腳通過一個(gè)ECG電極向人體提供刺激，利用一個(gè)單獨(dú)的輸入進(jìn)行阻抗測量來檢測電極脫落情況。該方法雖然不能區(qū)分是哪個(gè)電極脫落，但具有無需額外電極、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

六、寄存器配置說明

芯片的寄存器涵蓋了全局配置、中斷狀態(tài)和控制、閾值設(shè)置和控制、時(shí)鐘和時(shí)間戳設(shè)置和控制、系統(tǒng)、I/O設(shè)置和控制、時(shí)隙配置、AFE時(shí)序設(shè)置、LED控制和時(shí)序、ADC偏移以及輸出數(shù)據(jù)等多個(gè)方面，每個(gè)寄存器的不同位都有特定的功能和作用。工程師在使用時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和工作模式，仔細(xì)配置這些寄存器，以確保芯片能夠正常工作并達(dá)到最佳性能。例如，在設(shè)置時(shí)鐘和時(shí)間戳相關(guān)寄存器時(shí)，要根據(jù)選擇的低頻和高頻振蕩器來調(diào)整相應(yīng)的頻率控制和校準(zhǔn)位；在配置時(shí)隙時(shí)，要設(shè)置好各個(gè)時(shí)隙的使能、模式、偏移、預(yù)調(diào)節(jié)時(shí)間等參數(shù)。

七、總結(jié)與展望

ADPD4100/ADPD4101多模態(tài)傳感器前端以其豐富的功能、出色的性能和靈活的配置，為電子工程師在設(shè)計(jì)各類傳感器系統(tǒng)時(shí)提供了強(qiáng)大的支持。無論是在可穿戴健康和健身監(jiān)測設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高精度的心率、血氧等測量，還是在工業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域進(jìn)行氣體、煙霧檢測，亦或是在家庭患者監(jiān)測中提供可靠的醫(yī)療數(shù)據(jù)，該芯片都能發(fā)揮重要作用。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，我們也需要注意一些問題，如LED驅(qū)動的電流限制、TIA飽和的防護(hù)、不同模式下的寄存器配置準(zhǔn)確性等。未來，隨著傳感器技術(shù)和電子設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，這類多模態(tài)傳感器前端有望進(jìn)一步優(yōu)化性能、降低功耗、增加功能集成度，為更多領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用提供有力保障。作為電子工程師，我們需要不斷深入研究和探索這些芯片的特性和應(yīng)用，以滿足市場對于高性能、多功能傳感器系統(tǒng)的需求。

大家在使用ADPD4100/ADPD4101芯片的過程中，有沒有遇到過什么獨(dú)特的問題或者有一些創(chuàng)新性的應(yīng)用呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。