CN109738065B - 一种快速光强跟踪能力的血氧检测芯片 - Google Patents

一种快速光强跟踪能力的血氧检测芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速光强跟踪能力的血氧检测芯片，通过光电流缓冲器接收光照，产生一个尽量不受漏电流影响的输出光电流iph，带隙基准电压源和线性稳压器主要是用来得到一个精准的可调的参考电压Vref，积分器将光电流iph积分，得到一个与光电流大小成线性关系的电压信号，脉冲产生器将此电压信号转换成频率信号，最后经过输出缓冲器对波形整形，得到最终的与光强大小成线性关系的输出频率信号Freq；同时，为了保证光频传感器对光强变化有足够快的响应速度，积分器中的放大器A2采用高容性负载条件下的三级宽带差分放大器结构；其中第二级采用二极管连接的PMOS晶体管做有效负载，通过单回路电阻‑电容米勒补偿方案，以此引入负零点来增加相位裕度。

Description

一种快速光强跟踪能力的血氧检测芯片
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种快速光强跟踪能力的血氧检测芯片。
背景技术
光频传感器由于其成本低廉而被广泛应用于便携指尖式血氧仪，所以也叫血氧检测芯片，它是通过量化脉冲周期来代替传统的高分辨率模数转换器来实现血氧浓度检测。传统的光频传感芯片，通常将光电二极管和相同尺寸的被金属覆盖物遮挡住无法接收光照的阴影二极管集成在一起，以产生对漏电流不敏感的光电流，原理是将正常接收光照的光电二极管产生的光电流减去阴影二极管产生的漏电流，这样就得到了只有光照产生的光电流。然而这种方法存在两个大的缺点，一是漏电流消除能力强烈依赖于两个光电二极管之间的匹配性，二是其中阴影二极管显着增加了芯片总面积。所以为了减少芯片面积，通常采取零偏置单光电二极管方案来生成一个漏电流非常小的光电流。它可以在很宽的温度范围内可以获得超过100dB的线性动态范围。但是，传感器输出频率需要快速建立以跟踪光强度的变化。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的主要目的在于提供一种快速光强跟踪能力的血氧检测芯片，旨在解决传统光频传感器对光强变化跟踪响应慢、脉冲光响应速度周期长的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种快速光强跟踪能力的血氧检测芯片，包括依次串联的带隙基准电压源、线性稳压器、积分器、脉冲产生器及输出缓冲器；所述积分器上还连接有光电流缓冲器；所述带隙基准电压源、线性稳压器、积分器、脉冲产生器、输出缓冲器及所述光电流缓冲器均为通过复位电路和ESD保护电路连接的电性连接；所述光电流缓冲器接收光照，产生一个不受漏电流影响的输出光电流iph，通过所述带隙基准电压源和线性稳压器得到一个精准的可调的参考电压Vref，所述积分器将光电流iph积分，得到一个与光电流大小成线性关系的电压信号，所述脉冲产生器将此电压信号转换成频率信号，最后经过所述输出缓冲器对波形整形，得到最终与光强大小成线性关系的输出频率信号Freq。
进一步，所述积分器将光电流信号iph积分转换成电压信号Vramp后输入至所述脉冲产生器。
优选地，所述积分器内设置有积分电路；所述积分电路包括并联连接于所述脉冲产生器上的放大器A2和电容Ci；所述脉冲产生器输出端连接有非交叠时钟电路；所述电容Ci远离所述脉冲产生器一端还设置有反馈电路；所述反馈电路由并联连接的开关管M1、M2、M3、M4和M5组成。
优选地，所述积分器将光电流信号iph通过电容Ci积分转换成电压信号Vramp，通过对ci的充放电，实现频率的转化；通过所述脉冲产生器比较Vref2和Vramp的电压，产生周期信号Vpulse，再经过非交叠时钟电路产生出极性相反的控制信号ctr1和ctr1_N，来控制Ci充放电；所述积分电路的工作过程包括积分阶段和放电阶段；在积分阶段，ctr1_N＝0，ctr1＝1，所述开关管M1、M4、M5断开，所述开关管M2、M3导通；在放电阶段，ctr1_N＝1，ctr1＝0，所述开关管M1、M4、M5导通，所述开关管M2、M3断开，所述电容Ci放电。
优选地，所述放大器A2采用高容性负载条件下的三级宽带差分放大器结构；其中第二级采用二极管连接的PMOS晶体管做有效负载，通过单回路电阻-电容米勒补偿方案，以此引入负零点来增加相位裕度。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
本发明的快速光强跟踪能力的血氧检测芯片，通过光电流缓冲器接收光照，产生一个尽量不受漏电流影响的输出光电流iph，带隙基准电压源和线性稳压器主要是用来得到一个精准的可调的参考电压Vref，积分器将光电流iph积分，得到一个与光电流大小成线性关系的电压信号，脉冲产生器将此电压信号转换成频率信号，最后经过输出缓冲器对波形整形，得到最终的与光强大小成线性关系的输出频率信号Freq；同时，为了保证光频传感器对光强变化有足够快的响应速度，积分器中的放大器A2采用高容性负载条件下的三级宽带差分放大器结构；其中第二级采用二极管连接的PMOS晶体管做有效负载，通过单回路电阻-电容米勒补偿方案，以此引入负零点来增加相位裕度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的快速光强跟踪能力的血氧检测芯片的整体结构示意图；
图2为图1中积分器的积分电路的结构示意图；
图3为图2中放大器A2的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，一种快速光强跟踪能力的血氧检测芯片，包括依次串联的带隙基准电压源、线性稳压器、积分器、脉冲产生器及输出缓冲器；所述积分器上还连接有光电流缓冲器；所述带隙基准电压源、线性稳压器、积分器、脉冲产生器、输出缓冲器及所述光电流缓冲器均为通过复位电路和ESD保护电路连接的电性连接；所述光电流缓冲器接收光照，产生一个不受漏电流影响的输出光电流iph，通过所述带隙基准电压源和线性稳压器得到一个精准的可调的参考电压Vref，所述积分器将光电流iph积分，得到一个与光电流大小成线性关系的电压信号，所述脉冲产生器将此电压信号转换成频率信号，最后经过所述输出缓冲器对波形整形，得到最终与光强大小成线性关系的输出频率信号Freq。
其中，所述积分器将光电流信号iph积分转换成电压信号Vramp后输入至所述脉冲产生器。
如图2所示，作为进一步优选地，所述积分器内设置有积分电路；所述积分电路包括并联连接于所述脉冲产生器上的放大器A2和电容Ci；所述脉冲产生器输出端连接有非交叠时钟电路；所述电容Ci远离所述脉冲产生器一端还设置有反馈电路；所述反馈电路由并联连接的开关管M1、M2、M3、M4和M5组成。
优选地，所述积分器将光电流信号iph通过电容Ci积分转换成电压信号Vramp，通过对ci的充放电，实现频率的转化；通过所述脉冲产生器比较Vref2和Vramp的电压，产生周期信号Vpulse，再经过非交叠时钟电路产生出极性相反的控制信号ctr1和ctr1_N，来控制Ci充放电；所述积分电路的工作过程包括积分阶段和放电阶段；在积分阶段，ctr1_N＝0，ctr1＝1，所述开关管M1、M4、M5断开，所述开关管M2、M3导通；假设电阻R1和R2的阻值非常小，由于运放A2负反馈的虚短原理，可以认为V1＝Vref1，积分电容器Ci中的瞬态电荷和Cd中存储的电荷可以表示为公式1，
Figure GDA0002730685720000041
假设Vref2＝0.6V,Vref1＝0.3V，当Vramp接近阈值电压Vref2时，Ci和Cd中的最终总电荷Qtotal等于0.3(Ci-Cd)；
在放电阶段，ctr1_N＝1，ctr1＝0，所述开关管M1、M4、M5导通，所述开关管M2、M3断开，所述电容Ci放电；此时Vramp中的复位电压可用公式(2)表示，
Figure GDA0002730685720000042
假设Ci和Cd之间的比例是2：1，因此Vramp被重置为大约0.3V。
如图3所示，所述放大器A2采用高容性负载条件下的三级宽带差分放大器结构；其中第二级采用二极管连接的PMOS晶体管做有效负载，通过单回路电阻-电容米勒补偿方案，以此引入负零点来增加相位裕度。例如，在500KHz传感器输出频率下，典型直流增益约为80dB，GBW为25MHz，最大输出电流吸收能力为25mA，1KHz时的电源抑制比(PSRR)大于90dB；对于整个输出频率范围，可以保证70dB直流增益和100度相位裕度。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种快速光强跟踪能力的血氧检测芯片，其特征在于，包括依次串联的带隙基准电压源、线性稳压器、积分器、脉冲产生器及输出缓冲器；所述积分器上还连接有光电流缓冲器；所述带隙基准电压源、线性稳压器、积分器、脉冲产生器、输出缓冲器及所述光电流缓冲器均为通过复位电路和ESD保护电路连接的电性连接；所述光电流缓冲器接收光照，产生一个不受漏电流影响的输出光电流iph，通过所述带隙基准电压源和线性稳压器得到一个精准的可调的参考电压Vref，所述积分器将光电流iph积分，得到一个与光电流大小成线性关系的电压信号，所述脉冲产生器将此电压信号转换成频率信号，最后经过所述输出缓冲器对波形整形，得到最终与光强大小成线性关系的输出频率信号Freq。
2.根据权利要求1所述的快速光强跟踪能力的血氧检测芯片，其特征在于，所述积分器将光电流信号iph积分转换成电压信号Vramp后输入至所述脉冲产生器。
3.根据权利要求1或2所述的快速光强跟踪能力的血氧检测芯片，其特征在于，所述积分器内设置有积分电路；所述积分电路包括并联连接于所述脉冲产生器上的放大器A2和电容Ci；所述脉冲产生器输出端连接有非交叠时钟电路；所述电容Ci远离所述脉冲产生器一端还设置有反馈电路；所述反馈电路由并联连接的开关管M1、M2、M3、M4和M5组成。
4.根据权利要求3所述的快速光强跟踪能力的血氧检测芯片，其特征在于，所述积分器将光电流信号iph通过电容Ci积分转换成电压信号Vramp，通过对ci的充放电，实现频率的转化；通过所述脉冲产生器比较Vref2和Vramp的电压，产生周期信号Vpulse，再经过非交叠时钟电路产生出极性相反的控制信号ctr1和ctr1_N，来控制Ci充放电；所述积分电路的工作过程包括积分阶段和放电阶段；在积分阶段，ctr1_N＝0，ctr1＝1，所述开关管M1、M4、M5断开，所述开关管M2、M3导通；在放电阶段，ctr1_N＝1，ctr1＝0，所述开关管M1、M4、M5导通，所述开关管M2、M3断开，所述电容Ci放电。
5.根据权利要求3所述的快速光强跟踪能力的血氧检测芯片，其特征在于，所述放大器A2采用高容性负载条件下的三级宽带差分放大器结构；其中第二级采用二极管连接的PMOS晶体管做有效负载，通过单回路电阻-电容米勒补偿方案，以此引入负零点来增加相位裕度。
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