CMOS脉搏血氧采集传感器信号处理电路设计*

陈力颖,倪立强,汤 勇,周小洁,谭 康

(1.天津工业大学电子与信息工程学院,天津 300387;2.天津市光电检测技术与系统重点实验室,天津 30087)

随着社会经济和科学技术的快速发展,生物医疗领域在人们心中越来越受到重视。当微电子技术与生物医学技术不断结合并创新进步[1-2],越来越多生命监测装置被不断改造和创新[3-5],使之更加便捷化、智能化、无线化和高效化。如当今比较流行的Apple Watch和小米手环[6],都将医疗保健元素不断的向便捷式电子产品中引入,使得对于脉搏、血氧、体温和血压等表征人体健康水平的信息的获取变得更加简易[7]。

但由于人体脉搏信号存在幅度小、频率低且易受干扰等特性,故信号的预处理不可或缺。高性能的信号处理电路应具备放大弱幅信号、滤除主信号频率外的无关信号的作用,且能为后续的模数转换提供输入保障。与此同时电路设计时应考虑不能引入过多的噪声与失调,且应具有较高的共模抑制比(CMRR)和电源抑制比(PSRR)。

本文基于对低噪声低功耗与高共模抑制比的需求设计了一款CMOS脉搏血氧采集传感器信号处理电路,其包括电流电压转换器(IVC)、可变增益仪表放大器(IA)、低通滤波器(LPF)和二次放大电路,能很好的对采集到的微小信号,进行放大和滤波的处理,以确保其能达到模数转换的输入范围,再进行RFID无线传输,达到快捷有效的获取信息的目的。使用UMC 0.18 μm工艺对电路进行设计和仿真,并设计了版图,最后对流片后的结果进行了测试。

1 信号处理电路结构和原理

CMOS脉搏血氧采集传感器信号处理集成电路整体框图如图1所示,其整体有5部分组成,分别是电源管理与偏置电路、电流-电压转换电路(IVC)、可变增益仪表放大器(IA)、低通滤波器(LPF)和二次放大电路。

图1 CMOS脉搏血氧采集传感器信号处理集成电路整体框图

由于传感器采集到的人体脉搏信号幅度小、噪声干扰大且频率范围广,信号必须经过预处理。信号处理的简易流程如下:初始信号为光电探测器获取到的电流信号,电流信号通过电流-电压转换器,将不易测量和分析的电流信号转换成易测量且线性度好的电压信号;然后,微弱信号再通过可变增益仪表放大器进行一次放大处理,其增益大约30 dB左右;再由滤波器滤除高频信号和噪声等干扰;最后进行二次放大,以使信号的大小达到后续模数转换的输入范围,为信号的数字化无线收发提供基础条件。

图2 标准二级运算放大器

2 主要模块及其电路设计

2.1 运算放大器设计

本文采用的运算放大器是标准的二级运算放大器[8-9],如图2所示,包括由M1～M5组成的PMOS差分输入的第1级、Rz和Cc组成的相位补偿、M6和M7组成的电流源负载共源级输出的第2级,其开环增益可达到80 dB左右。运算放大器使用PMOS作为输入管,相对NMOS来说,PMOS能获得更大的压摆幅且其跨导值仅为NMOS的1/3,对电路的次极点有更好的抑制作用,加之频率补偿,使得电路的相位裕度达到60°～70°,电路更加稳定。

另外,运算放大器采用差分对管输入,相对单管输入,能更好的抑制共模信号的干扰。且大面积的PMOS作为差分对管输入,能更好的达到减小噪声的目的。

2.2 电流电压转换器

脉搏血氧采集传感器装置采用反射式双光束脉搏探测方法,故而得到的是由光电探测器探测到的脉搏信息的电流信号,信号幅度不大且含有噪声。为了获得便于测量且线性度较好的电压信号,设计了一款灵敏度较好的电流-电压转换器[10-11],如图3所示。

图3 电流-电压转换器

其原理是:先将输入电流经过一个电阻使其产生一个电压,再将此电压经过一个放大器以隔离输入和输出,使其负载不能影响电流在电阻上产生的电压。其中,电容C1滤除高频干扰,故应为pF级电容,R1应为精度高且热稳定性较好的电阻。其输出电压为:

(1)

2.3 可变增益仪表放大器

可变增益仪表放大器的作用在于放大微弱的脉搏信号[12],与二次放大电路结合使之达到模数转换所需的输入范围,是信号处理电路的核心部分。可变增益仪表放大器由3个稳定且性能良好的运算放大器和若干电阻对称组成,如图4所示。分为前置的缓冲级和后置的减法电路。

图4 三运放结构可变增益仪表放大器

主要工作原理是:运算放大器A1,A2和电阻阵列[13]组成了单位增益跟随器。电阻阵列基本结构如图5所示。

图5 仪表放大器电阻阵列结构图

当系统处于深度负反馈时,可变电阻阵列R2两端的电压与输入电压Vin(Vin=VP-VN)相等,流过Rw的电流则为Vin/Rw。输入的信号对于加在运放A1和A2输入端的共模电压,在Rw的两端具有相等的电位值,则流过Rw的电流值为零,对于同一支路上的R1和R2,流过其的电流也为零,故放大器A1和A2将作为单位增益跟随器工作。因此,输入的共模信号将会以单位增益的形式通过而不被放大,而差分信号则会按一定的增益系数被放大。这也就意味着,电路的共模抑制比相比原来的差分电路增大了一定的倍数。

运算放大器A3和电阻R3～R6构成了后置的减法电路,且当这个减法器电路中的电阻比率匹配设定后,即R1=R2,R3=R4,R5=R6,电路的增益将不再对电阻匹配有任何要求,即此减法电路的增益为确定的值,其输出电压为:

(2)

电路整体的差分增益为:

(3)

增益可通过改变可变电阻阵列Rw的阻值来进行改变。

传感器探测到的信号经过电压转换后以差分信号的形式加载到VP和VN端,经过前置缓冲级放大差分信号,后置减法电路抑制其共模信号,以达到减小噪声和放大差分信号的作用。对于本文中的脉搏波信号,微弱信号应当放大35倍以上,即可变增益仪表放大器的增益应当为30 dB～40 dB之间,如此才能达到放大微弱信号的目的。

2.4 低通滤波器

由于脉搏信号中存在大量的干扰信号,故信号处理电路设计时,滤波问题不能忽略。因为脉搏信号的主要信息段在低频端,其频率范围大约是在0.5 Hz～20 Hz之间,故而滤波器需要滤除所需信号频率段外的信号和干扰。本文设计了一款单位增益低通KRC滤波器[14],以达到滤波的目的,如图6所示。

图6 单位增益低通KRC滤波器

2.5 二次放大电路

仪表放大器的增益倍数不足以达到模数转换所需的输入范围,因此需要一个二次放大电路进行进一步放大,因脉搏信号的幅度大致为5 mV,因此需要的放大倍数为28 dB～45 dB;仪表放大器的增益为30 dB,故而设计一个同相放大器以对信号进行两倍放大。

2.6 偏置电路

偏置电路模块是信号处理电路设计中的关键模块之一,其为电路中的各个部分提供了基准电压和偏置电压。本文中的偏置电路以PTAT结构为核心[15],得到与电源电压和温度无关的基准电压。再根据所需的不同偏置需求以进行电流镜像输出具体的值,以获取不同大小的偏置电压和偏置电流。

PATA结构能输出与温度成正相关的电流,PNP管再产生一个相同温度系数的与温度成负相关的电流,从而得到一个与温度无关的电流,再经过电阻将之转换为一个与温度无关的基准电压Vref[16]。本信号处理电路系统中的不同偏置电压和偏置电路都将通过该偏置电路获得。

3 测试结果与讨论

CMOS脉搏血氧采集传感器信号处理电路,采用UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工艺制作,芯片整体面积为1.30 mm2,该芯片的显微照片如图7所示,测试芯片时采用自行设计的PCB电路板及其芯片bonding图如图8所示,其测试电路连接情况为:VCC接1.8 V直流电源、GND接公共地、VP和VN间接频率5 Hz,振幅5 mV,偏移电压0.4 V的正弦信号(信号发生器),Vout接示波器输出。

图7 芯片显微照片

图8 CMOS的脉搏血氧采集传感器信号处理芯片PCB板的测试连接图及其芯片bonding图

测试时,环境温度为27 ℃,电源电压为1.8 V,采用频率5 Hz(脉搏频率0.5 Hz～20 Hz之间),直流电压偏移0.4 V,振幅5 mV的正弦信号为输入。将示波器中的数据导出绘制的输出曲线如图9所示。

图9 微弱信号输入下输出曲线

图10 频率响应特性曲线-增益可变范围

测试结果表明:芯片有对微弱信号进行放大的作用,将输入振幅5 mV放大到0.25 V左右,放大效果近50倍,基本与仿真结果相近且满足设计指标。

芯片频率响应曲线如图10所示,测试结果表明可调增益范围为30 dB～54 dB。

与仿真结果相比,测试结果下降0.1 dB,可能是版图设计时,电阻匹配不精确造成的损失。

图11 输入电压与输出电压范围的对比图

不同输入电压下对芯片进行测试,结果表明,输出电压最大值与最小值的差值随着输入电压的增加而减小,故选择对脉搏信号进行放大的共模输入值应在0.4 V～0.9 V之间,以达到最好的放大效果。

芯片的主要性能结果如表1所示。

表1 信号处理集成电路性能测试结果

从表1可以看出,芯片具有较高的共模抑制比,可调增益范围较广,整体的功耗不大,满足便携式、小型化的续航要求。整个系统集成在一个面积比较小的芯片上,核心面积不大于1.30 mm2;内部集成了电流-电压转化器,可变增益仪表放大器,单位增益低通滤波器和二次放大用途的同相放大器;该芯片能将脉搏血氧采集传感器装置采集的电流信号进行电流电压转换、初次放大、滤波和二次放大等系列操作,从而得到线性度较好易被测量的信号,该信号进一步数字化后可用于无线传输和计算等用途。

4 结论

本文提出了一种基于CMOS脉搏血氧采集传感器信号处理电路的设计方法,整体电路包括了电流-电压转化器、可变增益仪表放大器、单位增益KRC低通滤波器、同相放大器和用于偏置的带隙基准电压源。

芯片采用UMC 0.18 μm CMOS混合信号1P6M工艺制造,整个芯片的面积为1 457 μm×893 μm。流片后的测试结果表明,在1.8V电源电压下,芯片总体功耗为360 μW,具有较高的共模抑制比,增益可调范围为30 dB～54 dB,能有效的对采集到的脉搏信号进行放大和滤波处理,再经过后续的模数转换后,能为便携式、智能化和无线传输提供基础保障。

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