芯海科技近期发布了其最新的PPG(Photoplethysmograph,光电容积脉搏波描记法)AFE(Analog Front End,模拟前端)芯片——CS1262。这款芯片以其卓越的性能指标和全面的功能特性,为用户提供了高精度、高可靠性的生命体征测量解决方案。
CS1262作为业界领先的高性能PPG AFE芯片,具备七大核心价值:高配置、高精度测量、超强抗干扰、低功耗、全肤色支持、高可靠性以及易用性。其动态范围高达110dB,支持4PD*12相位的48路有效数据采集,内嵌的LED Driver驱动能力高达250mA,可支持8路LED输出,确保了测量的准确性和稳定性。
一、PPG测量技术原理
在PPG测量技术方面,CS1262采用了先进的光电信号检测技术,通过LED光照射人体皮肤表面,再由PD光电传感器检测获取动脉搏动调制信息的光信号,进而分析得出心率、血氧等健康指标。其独特的微弱信号捕捉能力,使得在手腕等信号较弱部位也能清晰捕捉到PPG信号,为后续算法处理提供了强有力的支撑。
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图1 PPG信号检测系统
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图2 PPG信号
为了满足全场景应用的需求,CS1262具备自动模拟环境光消减功能,消减范围达±200uA,且拥有优越的相位信号低残余特性。这使得CS1262在复杂运动场景下也能准确捕捉PPG信号,保证了复杂肤色、复杂测试环境下的高准确性检测。
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图3光子运动轨迹仿真
从1974年Takuo Aoyagi 发明PPG测量方法至今,传统指甲式血氧仪已经很成熟。最近几年,健康测量手表的出现却带来了新的挑战。测量部位从手指变化到手腕,测量场景从静息到全场景运动类型,对AFE芯片提出了更加苛刻的要求。
如图3所示,手腕的组织光学仿真中描绘了10个光子的运动轨迹,只有红色标注的1个光子捕捉到有效的AC信号。实际上手指的有效信号是手腕的的几十倍以上,再加上处理运动带来的伪影,对AFE的性能指标提出了新的需求。芯海的CS1262就是一颗具有高SNR,低功耗特性和考虑全场景应用的AFE。
二、CS1262的产品优势概要
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图4 CS1262系统框图
CS1262是一颗高性能PPG AFE。高准确度:高达110dB的动态范围,支持4PD*12相位的48路有效数据采集,内嵌驱动能力高达250mA的LED Driver可支持8路LED输出。超强抗干扰:PSRR大于90dB,环境光抑制能力强模拟环境光消减高达±200uA。低功耗:83uA@100Hz@4Ch@2阶环境光消减,54uA@100Hz@1Ch@2阶环境光消减。
三、CS1262的微弱信号捕捉能力
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图5 CS1262 SNR VS 增益电阻
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图6 PI≈0.1%手腕处的PPG信号
高达110dB的动态范围,97.5dB的SNR@500KΩ(dBFS)和±63.875uA的LED消减电流,为CS1262提供了强大的微弱信号捕捉能力。相比友商109dB的动态范围,96dB的SNR@500KΩ(dBFS)更胜一筹。
如图6所示,CS1262采集到手腕上的红光和红外PPG信号,PI灌注度水平在千分之一,脉搏波形清晰可见,为后续算法的处理提供了强有力的支撑。
四、CS1262满足全场景应用
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图7 静息、步行、跑步等场景下PPG信号频谱
CS1262高达110dB的动态范围,具备自动模拟环境光消减功能、±200uA的消减范围及优越的相位信号低残余特性,使之具备在复杂运动场景下捕捉PPG信号的能力。强大的LED驱动能力和高达8LED*4PD的光电传感器矩阵布局,保证了复杂肤色、复杂测试环境下的高准确性检测。
如图7所示,在多运动场景下,CS1262采集的心率频谱清晰且连续稳定。
五、CS1262的低功耗特性
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表1 不同使用场景下的功耗
在功耗方面,CS1262表现出色。其工作电流在PRF为5Hz时低至13.3uA,为穿戴设备和睡眠健康监测应用场景提供了持久可靠的解决方案。同时,其低至54uA的功耗(@PRF100Hz)也优于同类产品,为穿戴设备提供了更高的能效比和更持久的续航能力。
此外,CS1262还是芯海科技智慧健康测量产品系列的重要组成部分。未来,它将与公司的BIA、ECG等多种SOC/模拟前端芯片产品形成系列化芯片组合,搭配健康测量算法、无线连接及配套标准方案,实现健康与智能的融合,为更多高端健康设备和高端消费电子产品赋能。
综上所述,芯海科技CS1262作为一款高精度全场景PPG AFE芯片,以其卓越的性能指标、全面的功能特性和低功耗特性,为用户提供了高效、可靠的生命体征测量解决方案,将成为智能穿戴设备领域的重要选择。
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