一种用于可穿戴式生理参数检测的集成电路
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2020-10-16
17:18:13
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一种用于可穿戴式生理参数检测的集成电路一种用于可穿戴式生理参数检测的集成电路
提出了一种用于处理光电容积脉搏波信号的集成电路结构，将主要应用于可穿戴式多生理参数检测，例如血
压、血氧、心率等。电路包括直流、交流分量分离电路，直流分量读出电路，低通滤波器，以及矩形波产生电
路。直流、交流分量分离电路由跨阻放大器和金属氧化物半导体晶体管-双极晶体管（MOS-Bipolar）虚拟电阻
构成，可以实现0.07-0.7 Hz的高通截止频率；低通滤波器可以实现16 Hz的低通截止频率。电路采用标准0.13
nm CMOS工艺设计，电源电压1.2 V。
0 引言引言
近年来，
[1]
，特别是在微型化的
[2]
等生理信息，因此被广泛关注。
发光二极管发光照射皮肤表面，发生透射或反射，进而被光电接收器接收，皮肤、肌肉等部分对光的吸收在整个血液循环
中保持恒定不变，而皮肤内血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，使光电接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化，当此脉动
的光信号转换成的脉动的电信号，便可反映容积脉搏波血流的变化，即光电容积脉搏波
[3]
。研究用于PPG信号处理集成电路的
设计方法，在不影响人们日常生活的情况下监测人体重要生命信息，不仅对重大疾病的预防、疾病的监控具有重要的实际意
义，而且对于集成电路本身，也是其理论和设计方法在低频率、微弱信号领域的完善过程。
在设计用于PPG信号处理的集成电路时必须考虑以下几个问题：首先，来自于光电接收器的信号由一个幅度很小的交流分
量和一个幅度很大的直流分量构成，比值在0.001-001 5之间
[2，4]
。由于幅度差别过大，两部分不能同时被处理，因为较大的
直流分量会令放大器饱和。为解决这个问题，可以去除直流分量，或者将直流、交流分离。第二，与电路部分相比，发光二极
管（LED）部分占系统功耗的大部分，因此只追求电路部分低功耗，不能对系统功耗有很大改善。因此，为降低系统功
耗，LED将由脉冲驱动，这需要与光电接收器连接的前端处理电路具备处理脉冲信号的能力。第三，PPG信号的频率范围在
0.5-16 Hz之间，实现其处理电路的全集成化是一个很大的挑战。
PPG信号的交流分量包含很多信息，因此，许多研究中抑制掉直流分量，只保留交流分量，例如近红外心率测量芯片
[2]
、
带直流抑制结构的PPG信号前端处理电路
[4-6]
等。另外，PPG的直流分量对于生理参数的监测也具有重要意义，例如血氧饱和
度的检测。所以，本文在直流抑制结构的基础上，设计了新的电路结构，可以分别得到光电容积脉搏波信号的直流、交流部
分。基于此PPG信号处理集成电路，可以得到心率、血压、血氧等重要生理信息，可以广泛应用于穿戴式
1 电路结构电路结构
文章提出的光电容积脉搏波信号前端处理电路的整体结构如图1所示，包括直流、交流分离电路，直流分量读出电路，低通
滤波器和矩形波发生电路。
1.1 直流交流分离电路直流交流分离电路
直流、交流分离电路由跨阻放大器、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、采样保持电路和反馈环路中的特殊积
分电路构成，如图2(b)所示。电路工作方式为：(1)跨阻放大器将输入电流转化为电压，此电压将被反馈环路中的积分电路以极
低的截止频率低通滤波，得到接近直流的信号，使得MOSFET M中的电流频率也接近直流。这样，输入信号的直流分量从M
流走，直流交流分量分离。(2)当输入信号变化时，积分电路也将提供给M变化的栅电压，从而实现直流、交流分量的动态分
离。
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