TWI819697B - 用於光體積變化描記圖法的發光二極體驅動器以及電流驅動器 - Google Patents

用於光體積變化描記圖法的發光二極體驅動器以及電流驅動器 Download PDF

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Abstract

一種用於光體積變化描記圖法的發光二極體驅動器，包含一操作放大器（OP）、N個電流驅動電路、與一電阻電路。該OP比較一參考電壓與一回授電壓以產生一控制電壓。該N個電流驅動電路的每一個耦接一LED電流路徑，並包含：一NMOS電晶體，於一致能模式下依據該控制電壓而開啟，並於一禁能模式下依據一接地端的電壓而關閉，該NMOS電晶體的汲極耦接該LED電流路徑，該NMOS電晶體之源極的電壓為該回授電壓；以及一開關電路，於該致能模式下耦接該OP與該NMOS電晶體的閘極以開啟該NMOS電晶體，以及於該禁能模式下耦接該接地端與該NMOS電晶體的閘極以關閉該NMOS電晶體。該電阻電路耦接於該源極與該接地端之間，與該回授電壓共同決定流過該N個電流驅動電路的一總電流。

Description

用於光體積變化描記圖法的發光二極體驅動器以及電流驅動器
本發明是關於驅動器，尤其是關於用於光體積變化描記圖法的發光二極體驅動器與電流驅動器。
光體積變化描記圖法（Photoplethysmography; PPG）技術涉及以可控光源（例如：發光二極體（LED））照射皮膚並測量光吸收的變化量，且可用於多種應用（例如：心律與血氧的測量）。一PPG電子產品可能包含多個LED，該些LED分別用來照射不同位置的皮膚，且每個LED是由一專屬的/共用的電流驅動電路來驅動。然而，該些LED不一定要同時運作；因此，每個LED與其相對應的電流驅動電路之間會設置一開關（例如：金氧半導體（MOS）電晶體），N個LED與其相對應的電流驅動電路之間會設置N個開關。當該開關開啟時，該LED依據一驅動電流以運作；當該開關關閉時，該LED沒有電流流過而不運作。
承上所述，由於每個LED運作時通常需要一大驅動電流（例如：大於一百毫安培的電流），該開關須能承受該大驅動電流，因此，該開關的電路面積通常很大，這不利於電路的小型化，且會導致成本上升。
本揭露的目的之一在於提供一種用於光體積變化描記圖法（photoplethysmography (PPG)）的發光二極體（light-emitting diode (LED)）驅動器以及一種電流驅動器，能夠減少大面積開關的使用，以利於電路的小型化以及降低成本。
本揭露之用於PPG的LED驅動器的一實施例包含一操作放大器（operational amplifier (OP)）、N個電流驅動電路與一電阻電路，其中該N為正整數。該操作放大器包含一OP輸入端、一OP反相輸入端與一OP輸出端，其中該OP輸入端用來接收一參考電壓，該OP反相輸入端用來接收一回授電壓，該OP輸出端用來輸出一控制電壓。該N個電流驅動電路的每一個經由一LED電流路徑耦接一LED；換言之，該N個電流驅動電路分別耦接N個LED電流路徑，以耦接N個LED。該N個電流驅動電路的每一個可運作於一致能模式與一禁能模式的其中之一，並包含一N通道金氧半導體（NMOS）電晶體與一開關電路。該NMOS電晶體包含一汲極、一源極與一閘極，其中該汲極不經由任何開關耦接該LED電流路徑，該源極經由一回授節點耦接該OP反相輸入端，該閘極用來於該致能模式下接收該控制電壓以及於該禁能模式下接收一偏壓端的一偏壓，該回授節點的電壓為該回授電壓。該開關電路用來於該致能模式下耦接該OP輸出端與該閘極，以讓該控制電壓控制該NMOS電晶體；該開關電路另於該禁能模式下耦接該偏壓端與該閘極，以讓該偏壓禁能該NMOS電晶體。該電阻電路耦接於該回授節點與一低電壓端之間，用來與該回授電壓共同決定流過該N個電流驅動電路的一總電流。
本揭露之電流驅動器的一實施例包含一OP、N個電流驅動電路以及一電阻電路，其中該N為正整數。該OP包含一OP輸入端、一OP反相輸入端與一OP輸出端，其中該OP輸入端用來接收一參考電壓，該OP反相輸入端用來接收一回授電壓，該OP輸出端用來輸出一控制電壓。該N個電流驅動電路的每一個經由一電流路徑耦接一被驅動電路；換言之，該N個電流驅動電路分別耦接N個電流路徑，以耦接N個被驅動電路。該N個電流驅動電路的每一個可運作於一致能模式與一禁能模式的其中之一，並包含一NMOS電晶體與一開關電路。該NMOS電晶體包含一汲極、一源極與一閘極，其中該汲極不經由任何開關耦接該電流路徑，該源極經由一回授節點耦接該OP反相輸入端，該閘極用來於該致能模式下接收該控制電壓以及於該禁能模式下接收一偏壓端的一偏壓，該回授節點的電壓為該回授電壓。該開關電路用來於該致能模式下耦接該OP輸出端與該閘極，以讓該控制電壓控制該NMOS電晶體；該開關電路另於該禁能模式下耦接該偏壓端與該閘極，以讓該偏壓禁能該NMOS電晶體。該電阻電路耦接於該回授節點與一低電壓端之間，用來與該回授電壓共同決定流過該N個電流驅動電路的一總電流。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
本揭露提出一種用於光體積變化描記圖法（Photoplethysmography; PPG）的發光二極體（light-emitting diode (LED)）驅動器以及一種電流驅動器，其可減少大面積開關的使用，以利於電路的小型化以及降低成本。
圖1顯示本揭露之用於PPG的LED驅動器的一實施例。圖1之用於PPG的LED驅動器100包含一操作放大器（operational amplifier (OP)）110、N個電流驅動電路120與一電阻電路130，其中該N為正整數（例如： ）。該些電路說明於底下段落。
如圖1所示，該OP 110包含一OP輸入端（如圖1的符號“＋”所示）、一OP反相輸入端（如圖1的符號“－”所示）與一OP輸出端。該OP輸入端用來接收一參考電壓V REF，該參考電壓V REF可依實施需求而定。該OP反相輸入端用來接收一回授電壓V FB，該回授電壓V FB基於該OP 110的特性會趨近該參考電壓V REF。該OP輸出端用來輸出一控制電壓V CTRL，該控制電壓V CTRL用來控制該N個電流驅動電路120的運作。此外，該OP 110接收一供應電壓V DD以運作，該供應電壓V DD是依實施需求而定。
如圖1所示，該N個電流驅動電路120的每一個耦接一LED電流路徑，並經由該LED電流路徑耦接一LED 10；換言之，該N個電流驅動電路120分別耦接N個LED電流路徑，以耦接N個LED 10。此外，每個LED電流路徑上的元件（例如：導線、走線、焊墊（pad）或接腳（pin））是依實施需求而定；每個LED 10接收一供應電壓V DD1，該供應電壓V DD1也是依實施需求而定，並可同於或不同於前述供應電壓V DD。本實施例中，該N個電流驅動電路120與該N個LED 10之間無需包含任何開關（例如：能承受一百毫安培的開關），因此可減少電路面積的使用。
關於圖1的實施例，該N個電流驅動電路120的每一個可運作於一致能模式與一禁能模式的其中之一。當任一電流驅動電路120運作於該致能模式時，該電流驅動電路120傳輸電流；當任一電流驅動電路120運作於該禁能模式時，雖然該電流驅動電路120仍經由該LED電流路徑電性連接該LED 10，但不傳輸任何電流。
如圖1所示，該N個電流驅動電路120的每一個包含一N通道金氧半導體（NMOS）電晶體122與一開關電路124。該NMOS電晶體122包含一汲極、一源極與一閘極，其中該汲極不經由任何開關耦接該LED電流路徑，該源極經由一回授節點ND FB耦接該OP反相輸入端，該閘極用來於該致能模式下接收前述控制電壓V CTRL，以及於該禁能模式下接收一偏壓端（例如：一接地端）的一偏壓V BIAS（例如：一接地電壓），該回授節點ND FB的電壓為前述回授電壓V FB。該開關電路124用來於該致能模式下耦接該OP輸出端與該閘極，以讓該控制電壓V CTRL控制該NMOS電晶體122；該開關電路124另於該禁能模式下耦接該偏壓端與該閘極，以讓該偏壓V BIAS禁能該NMOS電晶體122。值得注意的是，當該開關電路124耦接該OP輸出端與該NMOS電晶體122時，該OP輸出端與該NMOS電晶體122之間的電流（例如：小於一毫安培的電流像是數微安培）很小，因此該開關電路124只需要很小的電路面積即能承受該電流。舉例而言，若能承受最大100毫安培之開關的電路面積為A SW_100，能承受最大1毫安培之開關的電路面積A SW_1約為A SW_100的百分之一。
圖2顯示圖1之開關電路124的一實施例。如圖2所示，該開關電路124包含一第一開關210與一第二開關220。該第一開關210用來於該致能模式下依據一第一開關訊號SW1耦接該OP輸出端與該閘極，並於該禁能模式下依據該第一開關訊號SW1而關閉。該第二開關220用來於該致能模式下依據一第二開關訊號SW2而關閉，並於該禁能模式下依據該第二開關訊號SW2耦接該偏壓端與該閘極。該第一開關訊號SW1與該第二開關訊號SW2的實施可藉由已知/自行開發的技術來實現。當該NMOS電晶體122具有一NMOS電路面積A NMOS可耐受一最大LED電流（例如：100毫安培）時，該第一開關210與該第二開關220的每一個具有一開關電路面積A SW可耐受一最大開關電流（例如：1毫安培），且該NMOS電路面積A NMOS大於該開關電路面積A SW（例如： ），然此並非本發明的實施限制。在實施為可能的前提下，其它已知/自行開發的開關電路可用來取代圖2的開關電路124。
如圖1所示，該電阻電路130耦接於該回授節點ND FB與一低電壓端（例如：一接地端）之間，用來與該回授電壓V FB共同決定流過該N個電流驅動電路120的一總電流I TOTAL。舉例而言，該總電流I TOTAL等於該回授電壓V FB除以該電阻電路130的一總電阻值R TOTAL（亦即： ）。值得注意的是，當該N大於一、任二個電流驅動電路120是相同的/相仿的、該N個電流驅動電路120中的M個運作於該致能模式、以及該N個電流驅動電路120中的(N-M)個運作於該禁能模式時，運作於該致能模式的每個電流驅動電路120的傳輸電流介於0與I TOTAL之間，這視每個電流驅動電路120有多少電流流過而定（例如：沒有耦接LED的電流驅動電路120的傳輸電流為0），其中該M為不大於N的正整數。另值得注意的是，該電阻電路130的總電阻值R TOTAL可以是固定的或可調的，這視實施需求而定；固定/可調電阻的實施可藉由已知/自行開發的技術來實現。
圖3顯示本揭露之電流驅動器的一實施例。圖3的電流驅動器300包含一OP 310、N個電流驅動電路320以及一電阻電路330，其中該N為正整數。該OP 310包含一OP輸入端（如圖3的符號“＋”所示）、一OP反相輸入端（如圖3的符號“－”所示）與一OP輸出端，其中該OP輸入端用來接收一參考電壓V REF，該OP反相輸入端用來接收一回授電壓V FB，該OP輸出端用來輸出一控制電壓V CTRL。該N個電流驅動電路320的每一個經由一電流路徑耦接一被驅動電路（未顯示於圖）；換言之，該N個電流驅動電路320分別耦接N個電流路徑，以耦接N個被驅動電路（未顯示於圖）。該N個電流驅動電路320的每一個可運作於一致能模式與一禁能模式的其中之一，並包含一NMOS電晶體322與一開關電路324。該NMOS電晶體322包含一汲極、一源極與一閘極，其中該汲極不經由任何開關耦接該電流路徑，該源極經由一回授節點ND FB耦接該OP反相輸入端，該閘極用來於該致能模式下接收該控制電壓V CTRL以及於該禁能模式下接收一偏壓端（例如：一接地端）的一偏壓V BIAS（例如：一接地電壓），該回授節點ND FB的電壓為該回授電壓V FB。該開關電路324用來於該致能模式下耦接該OP輸出端與該閘極，以讓該控制電壓V CTRL控制該NMOS電晶體322；該開關電路324另於該禁能模式下耦接該偏壓端與該閘極，以讓該偏壓V BIAS禁能該NMOS電晶體322。該電阻電路330耦接於該回授節點ND FB與一低電壓端（例如：一接地端）之間，用來與該回授電壓V FB共同決定流過該N個電流驅動電路320的一總電流I TOTAL。圖3的電流驅動器300可用於PPG以外的應用。
由於本技術領域中具有通常知識者能夠參酌圖1~2之實施例的揭露來瞭解圖3之實施例的細節與變化，重複及冗餘之說明在此省略。
請注意，在實施為可能的前提下，本技術領域中具有通常知識者可選擇性地實施前述任一實施例中部分或全部技術特徵，或選擇性地實施前述複數個實施例中部分或全部技術特徵的組合，以彈性地實施本發明。
綜上所述，本揭露之用於PPG的LED驅動器以及電流驅動器能夠減少大面積開關的使用，以利於電路的小型化以及降低成本。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
100:用於PPG的LED驅動器 110:操作放大器（OP） 120:電流驅動電路 122:NMOS電晶體 124:開關電路 130:電阻電路 ND FB:回授節點 V REF:參考電壓 V FB:回授電壓 V CTRL:控制電壓 V BIAS:偏壓 V DD:供應電壓 V DD1:供應電壓 I TOTAL:電流 10:發光二極體（LED） 210:第一開關 220:第二開關 SW1:第一開關訊號 SW2:第二開關訊號 300:電流驅動器 310:操作放大器（OP） 320:電流驅動電路 322:NMOS電晶體 324:開關電路 330:電阻電路
［圖1］顯示本揭露之用於光體積變化描記圖法（PPG）的發光二極體（LED）驅動器的一實施例； ［圖2］顯示圖1之開關電路的一實施例；以及 ［圖3］顯示本揭露之電流驅動器的一實施例。
100:用於PPG的LED驅動器
110:操作放大器(OP)
120:電流驅動電路
122:NMOS電晶體
124:開關電路
130:電阻電路
NDFB:回授節點
VREF:參考電壓
VFB:回授電壓
VCTRL:控制電壓
VBIAS:偏壓
VDD:供應電壓
VDD1:供應電壓
ITOTAL:電流
10:發光二極體(LED)

Claims (10)

  1. 一種用於光體積變化描記圖法(Photoplethysmography；PPG)的發光二極體(light-emitting diode,LED)驅動器，包含：一操作放大器(operational amplifier,OP)，包含一OP輸入端、一OP反相輸入端與一OP輸出端，其中該OP輸入端用來接收一參考電壓，該OP反相輸入端用來接收一回授電壓，該OP輸出端用來輸出一控制電壓；N個電流驅動電路，其中該N為正整數，該N個電流驅動電路的每一個耦接一LED電流路徑，該N個電流驅動電路分別耦接N個LED電流路徑，該N個電流驅動電路的每一個可運作於一致能模式與一禁能模式的其中之一，並包含：一N通道金氧半導體(NMOS)電晶體，包含一汲極、一源極與一閘極，其中該汲極不經由任何開關耦接該LED電流路徑，該源極經由一回授節點耦接該OP反相輸入端，該閘極用來於該致能模式下接收該控制電壓以及於該禁能模式下接收一偏壓端的一偏壓，該回授節點的電壓為該回授電壓；以及一開關電路，用來於該致能模式下耦接該OP輸出端與該閘極，以讓該控制電壓控制該NMOS電晶體，該開關電路另於該禁能模式下耦接該偏壓端與該閘極，以讓該偏壓禁能該NMOS電晶體；以及一電阻電路，耦接於該回授節點與一低電壓端之間，用來與該回授電壓共同決定流過該N個電流驅動電路的一總電流。
  2. 如請求項1之用於PPG的LED驅動器，其中於該禁能模式下，該NMOS電晶體被關閉，此時該NMOS電晶體的該汲極仍經由該LED電流路徑電性連接一LED。
  3. 如請求項1之用於PPG的LED驅動器，其中該N大於一，該N個電流驅動電路的一部分運作於該致能模式，該N個電流驅動電路的其它部分運作於該禁能模式。
  4. 如請求項1之用於PPG的LED驅動器，其中該NMOS電晶體具有一NMOS電路面積；該開關電路包含一第一開關與一第二開關，該第一開關用來於該致能模式下耦接該OP輸出端與該閘極，該第二開關用來於該禁能模式下耦接該偏壓端與該閘極，該第一開關與該第二開關的每一個具有一開關電路面積；以及該NMOS電路面積大於該開關電路面積。
  5. 如請求項1之用於PPG的LED驅動器，其中該偏壓端與該低電壓端均為接地端。
  6. 請求項1之用於PPG的LED驅動器，其中該電阻電路的一總電阻值是可調的。
  7. 一種電流驅動器，包含：一操作放大器(operational amplifier,OP)，包含一OP輸入端、一OP反相輸入端與一OP輸出端，其中該OP輸入端用來接收一參考電壓，該OP反相輸入端用來接收一回授電壓，該OP輸出端用來輸出一控制電壓；N個電流驅動電路，其中該N為正整數，該N個電流驅動電路的每一個耦接一電流路徑，該N個電流驅動電路分別耦接N個電流路徑，該N個電流驅動電路 的每一個可運作於一致能模式與一禁能模式的其中之一，該N個電流驅動電路的每一個包含：一N通道金氧半導體(NMOS)電晶體，包含一汲極、一源極與一閘極，其中該汲極不經由任何開關耦接該電流路徑，該源極經由一回授節點耦接該OP反相輸入端，該閘極用來於該致能模式下接收該控制電壓以及於該禁能模式下接收一偏壓端的一偏壓，該回授節點的電壓為該回授電壓；以及一開關電路，用來於該致能模式下耦接該OP輸出端與該閘極，以讓該控制電壓控制該NMOS電晶體，該開關電路另於該禁能模式下耦接該偏壓端與該閘極，以讓該偏壓禁能該NMOS電晶體；以及一電阻電路，耦接於該回授節點與一低電壓端之間，用來與該回授電壓共同決定流過該N個電流驅動電路的一總電流。
  8. 如請求項7之電流驅動器，其中於該禁能模式下，該NMOS電晶體被關閉，此時該NMOS電晶體的該汲極經仍由該電流路徑電性連接一被驅動電路。
  9. 如請求項7之電流驅動器，其中該N大於一，該N個電流驅動電路的一部分運作於該致能模式，該N個電流驅動電路的其它部分運作於該禁能模式。
  10. 如請求項7之電流驅動器，其中該NMOS電晶體具有一NMOS電路面積；該開關電路包含一第一開關與一第二開關，該第一開關用來於該致能模式下耦接該OP輸出端與該閘極，該第二開關用來於該禁能模式下耦接該偏 壓端與該閘極，該第一開關與該第二開關的每一個具有一開關電路面積；以及該NMOS電路面積大於該開關電路面積。
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