AFE44I30 超低功耗集成模拟前端 （AFE）技术手册

该AFE44I30是用于光学生物传感应用的模拟前端，例如心率监测 （HRM） 和外周毛细血管氧饱和度 （SpO 2 ).该器件支持多达六个开关发光二极管 （LED） 和多达四个光电二极管。最多可以定义 24 个信号相位，并且可以同步方式从每个相位获取信号。来自光电二极管的电流通过跨阻放大器 （TIA） 转换为电压，并使用模数转换器 （ADC） 进行数字化处理。ADC代码可以存储在128个样本的先进先出（FIFO）模块中。FIFO 可以使用 I 读出^2^C 接口。AFE 还具有具有 8 位电流控制的完全集成的 LED 驱动器。该器件具有高动态范围的发射和接收电路，有助于检测非常小的信号电平。
*附件：afe44i30.pdf

特性

• 支持多达 24 个相位的信号采集
• 灵活分配 6 个 LED，每相 4 个 PD
• 以不同的数据速率同时从不同传感器采集信号
• 准确、连续的心率监测：
  • 系统信噪比高达 108 dB（16 μA PD 电流）
  • 低电流，可在可穿戴设备上连续运行，典型值：LED 为 15 μA，接收器为 20 μA
• 发射机：
  • 支持共阳极LED配置
  • 8 位可编程 LED 电流，范围范围为 25 mA 至 250 mA
  • 两个 LED 并联点亮的模式，具有独立的每相电流控制
  • 每相可编程 LED 导通时间
  • 同时支持 6 个 LED 用于 SpO 2 、HRM 或多波长 HRM
• 接收器：
  • 支持 4 个时间复用光电二极管输入
  • 2 个并行接收器（两组 TIA/滤波器）
  • 每个TIA输入端均有单独的环境失调减法DAC，每相控制为8位，范围可调至255 μA
  • 每个TIA输入端的单独LED失调减法DAC，具有5位每相控制和15.5μA范围
  • 接近 100 dB 的环境抑制，最高可达 10 Hz
  • 具有可编程带宽的噪声滤波
  • 跨阻增益：3.7 kΩ至1 MΩ
• 支持外部时钟和内部振荡器模式
• 可选择采集与系统主时钟同步的数据
• 自动消除环境、LED 的直流
• 具有 128 个样本深度的 FIFO
• 我^2^C接口
• 2.6 mm × 2.1 mm DSBGA，0.4 mm 间距
• 电源：Rx：1.7 V-1.9 V（LDO旁路）;1.9 V-3.6 V（启用 LDO），Tx：3 V-5.5 V，IO：1.7-3.6 V

参数

方框图

AFE44I30 是德州仪器推出的超小型集成模拟前端（AFE），核心优势为低功耗、多传感器适配、高环境抗干扰能力，专为可穿戴设备的光学心率监测（HRM）、血氧饱和度（SpO₂）测量等生物传感场景设计。

核心参数与特性

1. 传感器适配能力：支持最多 6 路 LED 发射和 4 路光电二极管（PD）接收，可定义 24 个信号相位；每相位可灵活分配 LED/PD 资源，支持双 LED 并行驱动且独立控流，适配多波长生物传感需求。
2. 发射与接收性能：LED 电流 8 位可编程（25 mA-250 mA），支持共阳极配置；接收端含 2 组并行跨阻放大器（TIA）和滤波器，跨阻增益 3.7 kΩ-1 MΩ，系统信噪比（SNR）最高 108 dB（16 μA PD 电流）。
3. 抗干扰与校准：内置环境光和 LED 偏移补偿 DAC（分别为 8 位、5 位精度），10 Hz 以下环境光抑制比接近 100 dB；支持可编程带宽噪声滤波，自动抵消直流干扰。
4. 功耗与封装：低功耗设计，LED 典型电流 15 μA，接收端 20 μA，适配穿戴设备续航需求；采用 30 引脚 DSBGA 封装（2.6mm×2.1mm），0.4mm 引脚间距，尺寸紧凑。
5. 数据处理与接口：集成 128 样本深度 FIFO 缓存，支持不同传感器异步采样；配备 I2C 通信接口，支持内部振荡器或外部时钟模式，可同步系统主时钟。

核心功能模块

• LED 驱动模块：可编程电流源支持单 / 双 LED 驱动，每相位 LED 导通时间可配置，适配 SpO₂、HRM 等不同传感场景的光强与时序需求。
• 接收调理模块：PD 信号经 TIA 转换为电压信号，通过滤波器降噪后由 ADC 数字化；偏移补偿 DAC 实时抵消环境光和 LED 直流干扰，提升弱信号检测能力。
• 数据缓存与传输：FIFO 缓存可暂存采样数据，减少 I2C 通信频次以降低功耗；支持不同传感器按各自速率采样，适配多模态生物传感系统。
• 时钟与控制：内置振荡器简化外围电路，也可接入外部时钟实现系统同步；通过寄存器配置相位、电流、带宽等参数，灵活适配不同应用场景。

应用场景

适用于可穿戴设备（如智能手表、手环）、可听设备的光学心率监测（HRM）、心率变异性（HRV）分析、血氧饱和度（SpO₂）测量，也可用于多波长生物传感相关的健康监测产品。

设计要点

1. 接口配置：I2C 接口需匹配 1.7 V-3.6 V IO 供电，通信速率需平衡数据传输需求与功耗；LED 供电需满足 3 V-5.5 V 范围，注意电源纹波抑制。
2. 光学设计：LED 与 PD 布局需优化光路，减少环境光干扰；根据传感距离和穿透需求，配置合适的 LED 电流和 TIA 增益，避免信号饱和或噪声过大。
3. 电源与功耗：接收端（Rx）支持 LDO 旁路（1.7 V-1.9 V）或启用（1.9 V-3.6 V）模式，需根据系统功耗预算选择；尽量利用 FIFO 缓存减少 I2C 唤醒频次，进一步降低功耗。
4. 布局规范：DSBGA 封装引脚密集，需严格区分模拟信号（LED/PD 接口）与数字信号（I2C）布线；电源引脚就近放置去耦电容，减少寄生参数对弱信号检测的影响。