Comment un amplificateur transimpédance AC-couplé élimine le bruit de lumière ambiante dans les capteurs de fréquence cardiaque à LED verte

Comment un amplificateur transimpédance AC-couplé élimine le bruit de lumière ambiante dans les capteurs de fréquence cardiaque à LED verte

Les capteurs de photopléthysmographie (PPG) à LED verte sont désormais standard dans les wearables, téléphones et trackers de fitness. Leur faible coût et simplicité les rendent attractifs, pourtant ils souffrent d'interférences environnementales qui peuvent dégrader voire empêcher une mesure fiable de la fréquence cardiaque.

Les sources d'erreur typiques incluent la sensibilité au placement du doigt, les variations de distance LED-capteur, et surtout la lumière ambiante intense qui submerge le signal de la photodiode. Pour y remédier, j'ai conçu un amplificateur transimpédance (TIA) AC-couplé qui rejette la composante DC générée par l'éclairage ambiant tout en préservant le signal pulsé modulé.

La simulation a confirmé que le couplage AC bloque le biais DC de la photodiode, filtrant efficacement la lumière du soleil ou une ampoule à incandescence de 100 W placée près du capteur. Le circuit, montré en Figure 1, utilise une référence 2,5 V à faible bruit pour maintenir une ligne de base stable.

Figure 1 : TIA AC-couplé avec niveau de référence 2,5 V à faible bruit.

Pour valider la simulation, j'ai construit un prototype avec une photodiode Yi T1‑3/4 ou 5 mm « bullet » et une LED verte standard, le tout en boîtiers CMS. Même avec la photodiode à quelques pouces d'une ampoule de 100 W, le capteur produisait encore des pulsations claires depuis un poignet positionné jusqu'à six pouces de distance. La sensibilité au mouvement était également négligeable.

Le TIA complet, illustré en Figure 2, incorpore un filtre passe-bande qui limite la réponse à 48–390 bpm et supprime les fluctuations de lumière ambiante à haute fréquence. La sortie du filtre, montrée en Figure 3, démontre un stimulus propre à 120 bpm pour un courant photodiode de 1 nA.

Figure 2 : Circuit TIA complet avec filtre passe-bande. Réponse -3 dB de 48 à 390 bpm.

Figure 3 : Réponse du filtre à un courant AC photodiode de 1 nA à 0,5 Hz (120 bpm).

Le design tolère les variations de composants : résistances 5 % et condensateurs 10 % étaient suffisants. L'entrée AC équilibrée et l'étage passe-bas offrent une excellente réjection du bruit de ligne 50/60 Hz, éliminant le ronflement même quand la photodiode contacte la peau.

Conclusion

L'emploi d'un TIA AC-couplé dans les capteurs PPG à LED verte réduit drastiquement la sensibilité à la lumière ambiante, au placement du doigt et aux artefacts de mouvement. Le coût modeste des composants supplémentaires est largement compensé par les gains en immunité au bruit, tolérance de position et plage de mesure – rendant cette approche idéale pour les dispositifs de santé grand public.

Figure 4 : Positions relatives de la LED, photodiode et surface cutanée.

Références

• Photodiode Amplifiers: Op Amp Solutions par Jerald Graeme
• Operational Amplifiers: Design and Applications par Graeme, Tobey, Huelsman
• Applications of Operational Amplifiers: Third Generation Techniques par Graeme

— Dave Conrad est un ingénieur électronique retraité avec expérience en alimentation, vidéo, analogique, numérique, signal mixte et conception logicielle.

► Cet article a été publié à l'origine sur notre site sœur, EDN.