CN105958983B - 一种适用于血氧饱和度检测的电压比较器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于血氧饱和度检测的电压比较器，包括依次连接的预放大级模块A、正反馈判断模块B和输出缓冲级模块C；所述预放大级模块A用于将两个模拟输入信号进行预放大处理；所述正反馈判断模块B用于对经过预放大级模块A处理的信号进行比较判断后输出信号差；所述输出缓冲级模块C用于对所述信号差进行转换，并输出一个二进制信号。本发明采用全模拟电路，将采集并初步处理后的血氧信号与参考值比较，以实现自动增益控制，继而检测血氧饱和度。本发明在具有正确输出逻辑的前提下，还具有精度高、功耗低、占用面积小等特点。

Description

一种适用于血氧饱和度检测的电压比较器

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，更具体地，涉及一种适用于血氧饱和度检测的电压比较器。

背景技术

血氧饱和度是指血液中氧合血红蛋白的容量占全部血红蛋白容量的百分比，通过对血氧饱和度的检测，能有效判断人体生理状态是否正常。由于不同人群在不同运动状态下，其血氧饱和度都不尽相同，因此，血氧检测的准确率是关注的重点。传统的血氧饱和度检测装置虽然准确率高，但是佩戴不便，功耗较大，只适用于医院，难以进入社区乃至家庭。基于此，可穿戴式血氧饱和度检测装置具有较好的开发价值和应用前景。

现有的可穿戴式血氧饱和度检测装置中，需要更多的硬件元器件和系统开销，其功耗和体积都比较大，并且在血氧信号微弱时容易产生误差，准确率不够高，可靠性差。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于血氧饱和度检测的电压比较器电路，旨在解决现有技术提供的可穿戴式血氧饱和度检测装置在血氧信号微弱时容易产生误差，准确率不够高，可靠性差的问题。

本发明提供了一种适用于血氧饱和度检测的电压比较器，包括依次连接的预放大级模块A、正反馈判断模块B和输出缓冲级模块C；所述预放大级模块A用于将两个模拟输入信号进行预放大处理；所述正反馈判断模块B用于对经过预放大级模块A处理的信号进行比较判断后输出信号差；所述输出缓冲级模块C用于对所述信号差进行转换，并输出一个二进制信号。

更进一步地，所述预放大级模块A包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6和第七晶体管M7；所述第一晶体管M1的源极和所述第三晶体管M3的源极连接后与电源VDD连接，所述第一晶体管M1的漏极和所述第三晶体管M3的漏极连接后与M5的漏极连接，所述第三晶体管M3的栅极与漏极连接；所述第二晶体管M2的源极和所述第四晶体管M4的源极连接后与电源VDD连接，所述第二晶体管M2的漏极和所述第四晶体管M4的漏极连接后与所述第六晶体管M6的漏极连接，所述第四晶体管M4的栅极与漏极连接；所述第一晶体管M1的栅极与第二晶体管M2的漏极连接，第二晶体管M2的栅极与所述第一晶体管M1的漏极连接；所述第五晶体管M5的源极与第六晶体管M6的源极连接后再与第七晶体管M7的漏极连接，第七晶体管M7的源极接地；所述第六晶体管M6的栅极作为所述预放大级模块A的正相输入端，所述第五晶体管M5的栅极作为所述预放大级模块A的反相输入端，第五晶体管M5的漏极作为所述预放大级模块A的正输出端，第六晶体管M6的漏极作为所述预放大级模块A的负输出端。

更进一步地，所述第一晶体管M1、所述第二晶体管M2、所述第三晶体管M3和所述第四晶体管M4均PMOS管；所述第五晶体管M5、第六晶体管M6和第七晶体管M7均为NMOS管。

更进一步地，所述正反馈判断模块B包括：第八晶体管M8、第九晶体管M9、第十晶体管M10、第十一晶体管M11、第十二晶体管M12、第十三晶体管M13和第十四晶体管M14；所述第八晶体管M8的源极和所述第九晶体管M9的源极连接后与电源VDD连接；所述第十晶体管M10的漏极和所述第十二晶体管M12的漏极连接后与所述第八晶体管M8的漏极连接，所述第十晶体管M10的源极和所述第十二晶体管M12的源极连接后与所述第十四晶体管M14的漏极连接，所述第十二晶体管M12的栅极与漏极连接；所述第十一晶体管M11的漏极和所述第十三晶体管M13的漏极连接后与所述第九晶体管M9的漏极连接，所述第十一晶体管M11的源极和所述第十三晶体管M13的源极连接后与所述第十四晶体管M14的漏极连接，所述第十三晶体管M13的栅极与漏极连接；所述第十晶体管M10的栅极与所述第十一晶体管M11的漏极连接，所述第十一晶体管M11的栅极与所述第十晶体管M10的漏极连接；所述第十四晶体管M14的栅极与漏极连接，源极接地；所述第八晶体管M8的栅极作为所述正反馈判断模块B的正相输入端，所述第九晶体管M9的栅极作为所述正反馈判断模块B的反相输入端，第九晶体管M9的漏极作为所述正反馈判断模块B的正输出端，第八晶体管M8的漏极作为所述正反馈判断模块B的负输出端。

更进一步地，所述第八晶体管M8和所述第九晶体管M9均为PMOS管；所述第十晶体管M10、所述第十一晶体管M11、所述第十二晶体管M12、所述第十三晶体管M13和所述第十四晶体管M14均为NMOS管。

更进一步地，所述输出缓冲级模块C包括：第十五晶体管M15、第十六晶体管M16、第十七晶体管M17、第十八晶体管M18、第十九晶体管M19、第二十晶体管M20、第二十一晶体管M21、第二十二晶体管M22和第二十三晶体管M23；所述第十五晶体管M15的源极和所述第十六晶体管M16的源极连接后与电源VDD连接，所述第十五晶体管M15的漏极与所述第十七晶体管M17的漏极连接，所述第十六晶体管的漏极与所述第十八晶体管M18的漏极连接，所述第十五晶体管M15的栅极和所述第十六晶体管M16的栅极连接后与第十五晶体管M15的漏极连接；所述第十七晶体管M17的源极和所述第十八晶体管M18的源极连接后与所述第十九晶体管M19的漏极连接，第十九晶体管M19的源极接地；所述第二十晶体管M20的源极与电源VDD连接，所述第二十晶体管M20的漏极和所述第二十一晶体管M21的漏极连接，所述第二十晶体管M20的栅极和所述第二十一晶体管M21的栅极连接后与所述第十六晶体管M16的漏极连接，第二十一晶体管M21的源极接地；所述第二十二晶体管M22的源极与电源VDD连接，所述第二十二晶体管M22的漏极和所述第二十三晶体管M23的漏极连接，所述第二十二晶体管M22的栅极和所述第二十三晶体管M23的栅极连接后与所述第二十晶体管M20的漏极连接，第二十三晶体管M23的源极接地；所述第十七晶体管M17的栅极作为所述输出缓冲级模块C的正相输入端，所述第十八晶体管M18的栅极作为所述输出缓冲级模块C的反相输入端，所述第二十三晶体管M23的漏极作为所述输出缓冲级模块C的输出端。

更进一步地，所述第十五晶体管M15、所述第十六晶体管M16、所述第二十晶体管M20和所述第二十二晶体管M22均为PMOS管；所述第十七晶体管M17、所述第十八晶体管M18、所述第十九晶体管M19、所述第二十一晶体管M21和所述第二十三晶体管M23均为NMOS管。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于通过多种方式来提高比较器的增益，能够取得高精度的有益效果。这些提高比较器的增益方式包括以下几点：预放大级中第一晶体管M1的栅极与和第二晶体管M2的漏极连接，第二晶体管M2的栅极与和第一晶体管M1的漏极连接，形成栅极交叉耦合的连接方式，构成正反馈结构，使增益有所提高；输出缓冲级模块中的差分运算放大器也起到了提高比较器增益的作用；最后的两个级联的推挽式CMOS单级放大器可以用作附加的增益级，进一步提高了增益。比较器的增益与精度的关系是密切相关的，精度随着增益的提高而提高，因此本发明的精度最终高达100uV。本发明作为可穿戴式血氧饱和度检测装置中的一个重要环节，保证了检测装置在血氧信号微弱时也有很高的准确率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电路结构示意图；

图2是本发明实施例提供的预放大级原理图；

图3是本发明实施例提供的正反馈判断级原理图；

图4是本发明实施例提供的输出缓冲级原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于血氧饱和度检测电压比较器电路，它具有精度高、功耗低、占用面积小等特点，可用于可穿戴设备上。它的主要作用是将采集并初步处理后的血氧信号与参考值比较，以实现自动增益控制，继而检测血氧饱和度。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于血氧饱和度检测的电压比较器，包括依次连接的预放大级模块A、正反馈判断模块B和输出缓冲级模块C；预放大级模块A将两个模拟输入信号进行预放大处理后，再由正反馈判断模块B得到输入信号差，最后通过输出缓冲级模块C完成双端到单端的转变，输出比较得出的一个二进制信号，该二进制信号作为模拟前端的数字部分的输入信号，它使得自动增益控制环路里的另一部分可控增益放大器的增益增大或减小，从而保证自动增益控制环路的输出趋于一个稳定的值，便于后面的数字部分对血氧信号进行精确的检测。

预放大级模块A采用差分输入双端输出的结构。第五晶体管M5和第六晶体管M6是差分输入端；第三晶体管M3和第四晶体管M4是二极管连接的负载，这是是为获取大带宽而牺牲了增益，从而能迅速地驱动正反馈判断级；但第一晶体管M1的栅极与和第二晶体管M2的漏极连接，第二晶体管M2的栅极与和第一晶体管M1的漏极连接，形成栅极交叉耦合的连接方式，构成正反馈结构，在不改变带宽的条件下使增益有所提高；第七晶体管M7的栅极与固定偏置电压Vb连接，为预放大级提供尾电流。

正反馈判断级模块B采用了同步的全差分正反馈结构。第八晶体管M8和第九晶体管M9构成差分输入结构；第十二晶体管M12和第十三晶体管M13是二极管连接的负载；第十晶体管M10和第十一晶M11体管采用栅极交叉耦合的方式，实现正反馈，加速电路状态的翻转速度，改善输入的分辨率精度，并进一步提高增益；二极管连接的第十四晶体管M14的主要作用是将判断电路的输出上拉。

输出缓冲级模块C由一个差分运算放大器和两个级联的CMOS反相器构成。第十七晶体管M17和第十八晶体管M18构成差分输入结构；第十五晶体管M15和第十六晶体M16管构成电流镜负载；与第七晶体管M7有相同固定偏置的第十九晶体管M19提供尾电流。差分运算放大器完成了从双端到单端的转变，并且通过提高尾电流和使用电流镜的方法增大了比较器吸入和供出输出电流的能力。第二十晶体管M20～第二十三晶体管M23组成两个级联的推挽式CMOS单级放大器，既可以用作附加的增益级，又实现了负载电容和运算放大器之间的隔离，在驱动大的容性负载时速度不受摆率的限制，提高了比较器驱动负载的能力。

与现有的技术相比，本发明实例所提供的电压比较器，有益效果在于：为血氧饱和度检测提供了一种精度高、功耗低、占用面积小的电压比较器电路。

本发明提供了一种高性能的电压比较器电路。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实例进行进一步说明。

请参照附图1，本发明实施例是采用了预放大锁存比较器结构，预放大级模块A将两个模拟输入信号进行预放大处理后，再由正反馈判断模块B得到输入信号差，最后通过输出缓冲级模块C完成双端到单端的转变，输出比较得出的一个二进制信号。

请参照附图2，本发明实施例中的预放大级采用差分输入双端输出结构。第一晶体管M1～第四晶体管M4的源端均与电源电压VDD相连；第一晶体管M1的栅端与Vo1-相连，漏端与Vo1+相连；第二晶体管M2的栅端与Vo1+相连，漏端与Vo1-相连；第三晶体管M3的栅端和漏端都与Vo1+相连；第四晶体管M4的栅端和漏端都与Vo1-相连；第五晶体管M5的漏端与Vo1+相连，栅端与参考电压Vref相连，源端与N1相连；第六晶体管M6的漏端与Vo1-相连，栅端与输入被测电压Vin相连，源端与N1相连；第七晶体管M7的漏端与N1相连，栅端与偏置电压Vb相连，源端与地GND相连。

请参照附图3，本发明实施例中的正反馈判断级采用了同步的全差分正反馈结构。第八晶体管M8的源端与电源电压VDD相连，栅端与Vo1+相连，漏端与Vo2-相连；第九晶体管M9的源端与电源电压VDD相连，栅端与Vo1-相连，漏端与Vo2+相连；第十晶体管M10的漏端与Vo2-相连，栅端与Vo2+相连；第十一晶体管M11的漏端与Vo2+相连，栅端与Vo2-相连；第十二晶体管M12的漏端与栅端都与Vo2-相连；第十三晶体管M13的漏端与栅端都与Vo2+相连；第十晶体管M10～第十三晶体管M13的源端均与N2相连；第十四晶体管M13的漏端和栅端都与N2相连，源端与地GND相连。

请参照附图4，本发明实施例中的输出缓冲级由一个差分运算放大器和两个级联的CMOS反相器构成。第十五晶体管M15的源端与电源电压VDD相连，栅端和漏端都与N3相连；第十六晶体管M16的源端与VDD相连，栅端与N3相连，漏端与Vo3相连；第十七晶体管M17的漏端与N3相连，栅端与Vo2+相连，源端与N4相连；第十八晶体管M18的漏端与Vo3相连，栅端与Vo2-相连，源端与N4相连；第十九晶体管M19的漏端与N4相连，栅端与固定偏置电压Vb相连，源端与地GND相连；第二十晶体管M20的源端与电源电压VDD相连，栅端与Vo3相连，漏端与Vo4相连；第二十一晶体管M21的漏端与Vo4相连，栅端与Vo3相连，源端与地GND相连；第二十二晶体管M22的源端与电源电压VDD相连，栅端与Vo4相连，漏端与Vout相连；第二十三晶体管M23的漏端与Vout相连，栅端与Vo4相连，源端与地GND相连。

在本发明实施例的整体电路结构中，Vref为输入参考电压，Vin为输入被测电压，Vout为输出逻辑电平。当Vin>Vref时，输出Vout为逻辑高电平；当Vin<Vref时，输出Vout为逻辑低电平。取电源电压VDD＝3.3V，负载电容CL＝2pF，通过对各个晶体管尺寸的设定，经仿真验证可知，本发明实施例的精度为100uV，输入失调电压为54uV,传输时延为6.6ns，静态功耗最低可低至0.2uW，正常工作时整个电路的功耗大约是500uW。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于血氧饱和度检测的电压比较器，其特征在于，包括依次连接的预放大级模块、正反馈判断模块和输出缓冲级模块；

所述预放大级模块用于将两个模拟输入信号进行预放大处理；

所述正反馈判断模块用于对经过预放大级模块处理的信号进行比较判断后输出信号差；

所述输出缓冲级模块用于对所述信号差进行转换，并输出一个二进制信号；

所述预放大级模块包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管和第七晶体管；

所述第一晶体管的源极和所述第三晶体管的源极连接后与电源连接，所述第一晶体管的漏极和所述第三晶体管的漏极连接后与所述第五晶体管的漏极连接，所述第三晶体管的栅极与漏极连接；

所述第二晶体管的源极和所述第四晶体管的源极连接后与电源连接，所述第二晶体管的漏极和所述第四晶体管的漏极连接后与所述第六晶体管的漏极连接，所述第四晶体管的栅极与漏极连接；

所述第一晶体管的栅极与第二晶体管的漏极连接，第二晶体管的栅极与所述第一晶体管的漏极连接；

所述第五晶体管的源极与第六晶体管的源极连接后再与第七晶体管的漏极连接，第七晶体管的源极接地；

所述第六晶体管的栅极作为所述预放大级模块的正相输入端，所述第五晶体管的栅极作为所述预放大级模块的反相输入端，第五晶体管的漏极作为所述预放大级模块的正输出端，第六晶体管的漏极作为所述预放大级模块的负输出端。

2.如权利要求1所述的电压比较器，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管均PMOS管；所述第五晶体管、第六晶体管和第七晶体管均为NMOS管。

3.如权利要求1所述的电压比较器，其特征在于，所述正反馈判断模块包括：第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管、第十三晶体管和第十四晶体管；

所述第八晶体管的源极和所述第九晶体管的源极连接后与电源连接；

所述第十晶体管的漏极和所述第十二晶体管的漏极连接后与所述第八晶体管的漏极连接，所述第十晶体管的源极和所述第十二晶体管的源极连接后与所述第十四晶体管的漏极连接，所述第十二晶体管的栅极与漏极连接；

所述第十一晶体管的漏极和所述第十三晶体管的漏极连接后与所述第九晶体管的漏极连接，所述第十一晶体管的源极和所述第十三晶体管的源极连接后与所述第十四晶体管的漏极连接，所述第十三晶体管的栅极与漏极连接；

所述第十晶体管的栅极与所述第十一晶体管的漏极连接，所述第十一晶体管的栅极与所述第十晶体管的漏极连接；

所述第十四晶体管的栅极与漏极连接，源极接地；

所述第八晶体管的栅极作为所述正反馈判断模块的正相输入端，所述第九晶体管的栅极作为所述正反馈判断模块的反相输入端，第九晶体管的漏极作为所述正反馈判断模块的正输出端，第八晶体管的漏极作为所述正反馈判断模块的负输出端。

4.如权利要求3所述的电压比较器，其特征在于，所述第八晶体管和所述第九晶体管均为PMOS管；所述第十晶体管、所述第十一晶体管、所述第十二晶体管、所述第十三晶体管和所述第十四晶体管均为NMOS管。

5.如权利要求1-4任一项所述的电压比较器，其特征在于，所述输出缓冲级模块包括：第十五晶体管、第十六晶体管、第十七晶体管、第十八晶体管、第十九晶体管、第二十晶体管、第二十一晶体管、第二十二晶体管和第二十三晶体管；

所述第十五晶体管的源极和所述第十六晶体管的源极连接后与电源连接，所述第十五晶体管的漏极与所述第十七晶体管的漏极连接，所述第十六晶体管的漏极与所述第十八晶体管的漏极连接，所述第十五晶体管的栅极和所述第十六晶体管的栅极连接后与第十五晶体管的漏极连接；

所述第十七晶体管的源极和所述第十八晶体管的源极连接后与所述第十九晶体管的漏极连接，第十九晶体管的源极接地；

所述第二十晶体管的源极与电源连接，所述第二十晶体管的漏极和所述第二十一晶体管的漏极连接，所述第二十晶体管的栅极和所述第二十一晶体管的栅极连接后与所述第十六晶体管的漏极连接，第二十一晶体管的源极接地；

所述第二十二晶体管的源极与电源连接，所述第二十二晶体管的漏极和所述第二十三晶体管的漏极连接，所述第二十二晶体管的栅极和所述第二十三晶体管的栅极连接后与所述第二十晶体管的漏极连接，第二十三晶体管的源极接地；

所述第十七晶体管的栅极作为所述输出缓冲级模块的正相输入端，所述第十八晶体管的栅极作为所述输出缓冲级模块的反相输入端，所述第二十三晶体管的漏极作为所述输出缓冲级模块的输出端。

6.如权利要求5所述的电压比较器，其特征在于，所述第十五晶体管、所述第十六晶体管、所述第二十晶体管和所述第二十二晶体管均为PMOS管；所述第十七晶体管、所述第十八晶体管、所述第十九晶体管、所述第二十一晶体管和所述第二十三晶体管均为NMOS管。