MAX86140/MAX86141：可穿戴健康監測的最佳光學傳感器

在可穿戴健康監測設備領域，對高精度、低功耗的光學傳感器需求日益增長。Analog Devices的MAX86140/MAX86141光學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、完全集成的光學數據采集系統。在發射端，它們擁有三個可編程的大電流LED驅動器，通過外部3x2:1多路復用器，可驅動多達六個LED；若兩個MAX86140/MAX86141設備以控制器 - 目標模式工作，借助外部3x2:1多路復用器，LED驅動器最多可驅動十二個LED。接收端方面，MAX86140包含一個光學讀出通道，而MAX86141則有兩個可同時工作的光學讀出通道。

這兩款器件具備低噪聲信號調理模擬前端（AFE），包括19位ADC、業界領先的環境光消除（ALC）電路以及柵欄檢測與替換功能。由于其低功耗、緊湊尺寸、易用性和出色的環境光抑制能力，MAX86140/MAX86141非常適合各種光學傳感應用，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驅動器電源電壓，支持標準SPI兼容接口和完全自主操作。每個器件都有一個128字的內置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、關鍵特性與優勢

2.1 完整的單通道和雙通道光學數據采集系統

MAX86140和MAX86141分別提供單通道和雙通道的光學數據采集能力，能夠滿足不同應用場景的需求。無論是簡單的心率監測，還是復雜的血氧飽和度測量，都能輕松應對。

2.2 優化的架構

專為透射式和反射式心率或 (SpO_{2}) 監測而設計的架構，確保了高精度的測量結果。在不同的測量場景下，都能穩定、準確地獲取數據。

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，可進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確的測量結果。

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，為后續的數據分析提供了豐富的信息。

2.5 出色的動態范圍

在白板回環測試（樣本間方差）中，動態范圍超過89dB。通過多種采樣模式和片上平均技術， (SpO_{2}) 測量的動態范圍可擴展至超過104dB，心率監測（HRM）的動態范圍可擴展至超過110dB。

2.6 優秀的環境光抑制能力

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

2.7 超低功耗運行

對于可穿戴設備來說，功耗是一個關鍵因素。MAX86140/MAX86141在光學讀出通道的功耗極低，典型值在25sps時小于10μA。短曝光積分周期為14.8μs、29.4μs、58.7μs、117.3μs，關機電流典型值為0.6μA，有效延長了設備的電池續航時間。

2.8 快速環境瞬變抑制

內置的柵欄檢測與替換功能能夠校正由于環境光快速變化導致的測量誤差，確保測量結果的準確性。

三、應用場景

MAX86140/MAX86141適用于各種可穿戴設備，包括健身、健康和醫療應用。它們經過優化，可用于手腕、手指、耳朵等不同部位的監測，能夠準確檢測光學心率、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，可根據不同的配置設置不同的滿量程輸入電流。ADC積分時間可在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。

4.2 LED驅動器

LED電流分辨率為8位，驅動器的DNL和INL表現良好。全量程LED電流可根據不同的范圍設置進行調整，最小輸出電壓也有相應的規定。

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，關機時的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 光學子系統

由環境光消除（ALC）、連續時間sigma - delta ADC和專有離散時間濾波器組成。ALC采用專有方案消除環境光產生的光電二極管電流，使傳感器能夠在高環境光條件下工作。光學ADC具有可編程的滿量程范圍，內部ADC是一個連續時間過采樣sigma - delta轉換器，分辨率為19位。

5.2 LED驅動器

集成了三個精密LED驅動電流DAC，可調制LED脈沖以進行各種光學測量。LED電流DAC具有8位動態范圍，有四種可編程的滿量程范圍。LED驅動器是低壓差電流源，能夠在最低電源電壓下提供低噪聲、與電源無關的LED電流，從而降低LED功耗。

5.3 FIFO配置

FIFO深度為128個樣本，設計用于支持各種數據類型。每個樣本寬度為3字節，包含一個5位標簽，用于識別每個樣本數據的來源。通過LED序列寄存器可以控制FIFO中的數據格式和曝光順序。

5.4 光學時序

MAX86140/MAX86141的光學控制器可以配置為進行各種測量，包括單LED脈沖、多LED同時脈沖或順序脈沖等。每個LED曝光在ADC轉換之前都會進行環境光補償。同時，控制器還可以配置為測量每個曝光樣本的直接環境光水平，用于調整LED驅動水平以補償高干擾環境信號下的噪聲增加。

5.5 ADC架構和非線性校正

由16位電流積分增量delta - sigma模數轉換器（ADC）和5位子范圍數模轉換器（DAC）組成，整體動態范圍為19位。通過自校準方案和可選的FIFO標簽值，可以進一步減少子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、多路復用器同步，并擴展測量配置的靈活性。根據GPIO CTRL位字段的不同設置，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顯著降低能耗并延長電池壽命。通過設置相關寄存器，可以啟用接近模式。當測量值低于閾值時，設備進入接近模式，降低LED電流和采樣率；當測量值超過閾值時，設備切換回正常模式。

5.8 柵欄檢測與替換功能

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

六、布局指南

由于MAX86140/MAX86141是高動態范圍的模擬前端（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PCB接地平面，對VDD_ANA和VDD_DIG引腳進行去耦，對VREF引腳進行去耦，以及對PD_IN節點進行屏蔽等。

七、SPI時序

7.1 單字SPI寄存器讀寫事務

MAX86140/MAX86141與SPI/QSPI/Micro - wire/DSP兼容。數據在SCLK上升沿被鎖存到器件中，在SCLK下降沿被時鐘輸出。所有單字SPI讀寫操作都在一個3字節、24個時鐘周期的SPI指令中完成，由CSB低電平間隔界定。

7.2 SPI FIFO突發模式讀取事務

為了提高數據傳輸效率，MAX86140/MAX86141提供了FIFO突發讀取模式。前16個SCLK周期與正常讀取模式相同，后續的SCLK周期包含FIFO數據，每個樣本需要24個SCLK周期進行讀取。

八、寄存器映射

文檔中詳細介紹了各個寄存器的功能和配置，包括中斷狀態寄存器、中斷使能寄存器、FIFO相關寄存器、系統控制寄存器、PPG配置寄存器等。通過對這些寄存器的設置，可以實現對傳感器的各種功能控制。

九、總結

MAX86140/MAX86141以其卓越的性能、豐富的功能和靈活的配置，為可穿戴健康監測設備提供了一個強大的解決方案。無論是在精度、功耗還是環境適應性方面，都表現出色。作為電子工程師，在設計可穿戴健康監測設備時，MAX86140/MAX86141無疑是一個值得考慮的選擇。你在使用類似傳感器時遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。