芯?？萍糃S1262：高精度全場(chǎng)景PPG AFE

芯海科技近期發(fā)布了其最新的PPG（Photoplethysmograph，光電容積脈搏波描記法）AFE（Analog Front End，模擬前端）芯片——CS1262。這款芯片以其卓越的性能指標(biāo)和全面的功能特性，為用戶提供了高精度、高可靠性的生命體征測(cè)量解決方案。

CS1262作為業(yè)界領(lǐng)先的高性能PPG AFE芯片，具備七大核心價(jià)值：高配置、高精度測(cè)量、超強(qiáng)抗干擾、低功耗、全膚色支持、高可靠性以及易用性。其動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)110dB，支持4PD*12相位的48路有效數(shù)據(jù)采集，內(nèi)嵌的LED Driver驅(qū)動(dòng)能力高達(dá)250mA，可支持8路LED輸出，確保了測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

一、PPG測(cè)量技術(shù)原理

在PPG測(cè)量技術(shù)方面，CS1262采用了先進(jìn)的光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)LED光照射人體皮膚表面，再由PD光電傳感器檢測(cè)獲取動(dòng)脈搏動(dòng)調(diào)制信息的光信號(hào)，進(jìn)而分析得出心率、血氧等健康指標(biāo)。其獨(dú)特的微弱信號(hào)捕捉能力，使得在手腕等信號(hào)較弱部位也能清晰捕捉到PPG信號(hào)，為后續(xù)算法處理提供了強(qiáng)有力的支撐。

圖1 PPG信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

圖2 PPG信號(hào)

為了滿足全場(chǎng)景應(yīng)用的需求，CS1262具備自動(dòng)模擬環(huán)境光消減功能，消減范圍達(dá)±200uA，且擁有優(yōu)越的相位信號(hào)低殘余特性。這使得CS1262在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下也能準(zhǔn)確捕捉PPG信號(hào)，保證了復(fù)雜膚色、復(fù)雜測(cè)試環(huán)境下的高準(zhǔn)確性檢測(cè)。

圖3光子運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

從1974年Takuo Aoyagi 發(fā)明PPG測(cè)量方法至今，傳統(tǒng)指甲式血氧儀已經(jīng)很成熟。最近幾年，健康測(cè)量手表的出現(xiàn)卻帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。測(cè)量部位從手指變化到手腕，測(cè)量場(chǎng)景從靜息到全場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)類型，對(duì)AFE芯片提出了更加苛刻的要求。

如圖3所示，手腕的組織光學(xué)仿真中描繪了10個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)軌跡，只有紅色標(biāo)注的1個(gè)光子捕捉到有效的AC信號(hào)。實(shí)際上手指的有效信號(hào)是手腕的的幾十倍以上，再加上處理運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的偽影，對(duì)AFE的性能指標(biāo)提出了新的需求。芯海的CS1262就是一顆具有高SNR，低功耗特性和考慮全場(chǎng)景應(yīng)用的AFE。

二、CS1262的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)概要

圖4 CS1262系統(tǒng)框圖

CS1262是一顆高性能PPG AFE。高準(zhǔn)確度：高達(dá)110dB的動(dòng)態(tài)范圍，支持4PD*12相位的48路有效數(shù)據(jù)采集，內(nèi)嵌驅(qū)動(dòng)能力高達(dá)250mA的LED Driver可支持8路LED輸出。超強(qiáng)抗干擾：PSRR大于90dB，環(huán)境光抑制能力強(qiáng)模擬環(huán)境光消減高達(dá)±200uA。低功耗：83uA@100Hz@4Ch@2階環(huán)境光消減，54uA@100Hz@1Ch@2階環(huán)境光消減。

三、CS1262的微弱信號(hào)捕捉能力

圖5 CS1262 SNR VS 增益電阻

圖6 PI≈0.1%手腕處的PPG信號(hào)

高達(dá)110dB的動(dòng)態(tài)范圍，97.5dB的SNR@500KΩ（dBFS)和±63.875uA的LED消減電流，為CS1262提供了強(qiáng)大的微弱信號(hào)捕捉能力。相比友商109dB的動(dòng)態(tài)范圍，96dB的SNR@500KΩ（dBFS)更勝一籌。

如圖6所示，CS1262采集到手腕上的紅光和紅外PPG信號(hào)，PI灌注度水平在千分之一，脈搏波形清晰可見(jiàn)，為后續(xù)算法的處理提供了強(qiáng)有力的支撐。

四、CS1262滿足全場(chǎng)景應(yīng)用

圖7 靜息、步行、跑步等場(chǎng)景下PPG信號(hào)頻譜

CS1262高達(dá)110dB的動(dòng)態(tài)范圍，具備自動(dòng)模擬環(huán)境光消減功能、±200uA的消減范圍及優(yōu)越的相位信號(hào)低殘余特性，使之具備在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下捕捉PPG信號(hào)的能力。強(qiáng)大的LED驅(qū)動(dòng)能力和高達(dá)8LED*4PD的光電傳感器矩陣布局，保證了復(fù)雜膚色、復(fù)雜測(cè)試環(huán)境下的高準(zhǔn)確性檢測(cè)。

如圖7所示，在多運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下，CS1262采集的心率頻譜清晰且連續(xù)穩(wěn)定。

五、CS1262的低功耗特性

表1 不同使用場(chǎng)景下的功耗

在功耗方面，CS1262表現(xiàn)出色。其工作電流在PRF為5Hz時(shí)低至13.3uA，為穿戴設(shè)備和睡眠健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景提供了持久可靠的解決方案。同時(shí)，其低至54uA的功耗（@PRF100Hz）也優(yōu)于同類產(chǎn)品，為穿戴設(shè)備提供了更高的能效比和更持久的續(xù)航能力。

此外，CS1262還是芯海科技智慧健康測(cè)量產(chǎn)品系列的重要組成部分。未來(lái)，它將與公司的BIA、ECG等多種SOC/模擬前端芯片產(chǎn)品形成系列化芯片組合，搭配健康測(cè)量算法、無(wú)線連接及配套標(biāo)準(zhǔn)方案，實(shí)現(xiàn)健康與智能的融合，為更多高端健康設(shè)備和高端消費(fèi)電子產(chǎn)品賦能。

綜上所述，芯?？萍糃S1262作為一款高精度全場(chǎng)景PPG AFE芯片，以其卓越的性能指標(biāo)、全面的功能特性和低功耗特性，為用戶提供了高效、可靠的生命體征測(cè)量解決方案，將成為智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域的重要選擇。