TWI825874B - 光體積變化描記圖法前端接收機、電容式轉阻放大裝置以及訊號取樣方法 - Google Patents

光體積變化描記圖法前端接收機、電容式轉阻放大裝置以及訊號取樣方法 Download PDF

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Abstract

一種訊號取樣方法，可準確地消除一雜訊訊號。該方法是由一電容式轉阻放大裝置來執行，該電容式轉阻放大裝置可應用於一光體積變化描記圖法前端接收機。該方法於一取樣期間內，依據一特定取樣順序取樣一偵測訊號複數次並取樣該偵測訊號的反相複數次，以獲得該偵測訊號中的一目標訊號並消除該偵測訊號中的一雜訊訊號。該方法包含下列步驟：於一第一時槽與一第四時槽內取樣該偵測訊號；以及於一第二時槽與一第三時槽內取樣該偵測訊號的反相，其中該第一、第二、第三與第四時槽為四個連續的時槽，且包含於該取樣期間內，該偵測訊號於該第一與第四時槽內包含該目標訊號與該雜訊訊號，該偵測訊號於該第二與第三時槽內包含該雜訊訊號但不包含該目標訊號。

Description

光體積變化描記圖法前端接收機、電容式轉阻放大裝置以及訊號取樣方法
本發明是關於訊號取樣，尤其是關於能夠於一取樣期間內取樣一偵測訊號複數次以及取樣該偵測訊號的反相複數次的PPG前端接收機、電容式轉阻放大裝置以及訊號取樣方法。
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)。然而，環境中通常有其它光源(例如：太陽光、室內燈光)，該些環境光(ambient light)的影響須被消除以確保前述測量的正確性。消除環境光之影響的技術主要有下列幾種：
(1)於一第一時段取樣一PPG訊號以及於一第二時段取樣一環境光訊號，並分別對取樣到的PPG訊號與環境光訊號做類比至數位轉換，以產生一PPG訊號數位值與一環境光訊號數位值，其中該PPG訊號包含人造光訊號(例如：LED光訊號)與環境光訊號；接著，將該PPG訊號數位值減去該環境光訊號數位值，以消去該PPG訊號數位值的環境光訊號成分。上述技術稱為數位關聯複 取樣(digital correlated double sampling)，其缺點包括：該技術無法準確地消除該環境光訊號成分，這是因為對於快速變化的環境光而言，該第一與第二時段內的環境光並不一定相近；以及該技術需要做兩次的類比至數位轉換，故消耗較多能量。該技術見於：TEXAS INSTRUMENTS,“AFE4404 Ultra-Small,Integrated AFE for Wearable,Optical,Heart-Rate Monitoring and Bio-Sensing”,SBAS689D-JUNE 2015-REVISED DECEMBER 2016。
(2)在類比端中利用關聯複取樣(correlated double sampling(CDS))方式來分別取樣一PPG訊號與一環境光訊號，並在類比端中將取樣到的該PPG訊號減去取樣到的環境光訊號，以消除該取樣到的PPG訊號的環境光訊號成分。上述技術的缺點包括：當環境光在某些情形下(例如：在使用者運動情形下，一穿戴式PPG裝置因晃動而未保持貼緊皮膚)變動較大時，該技術難以準確地消除該取樣到的PPG訊號的環境光訊號成分。該技術見於：Mario Konijnenburg,Member,IEEE,Stefano Stanzione,Member,IEEE,Long Yan,Member,IEEE,Dong-Woo Jee,Member,IEEE,Julia Pettine,Roland van Wegberg,Hyejung Kim,Chris van Liempd,Ram Fish,James Schuessler,Harmke de Groot,Member,IEEE,Chris Van Hoof,Refet Firat Yazicioglu,and Nick Van Helleputte,Member,IEEE,“A Multi(bio)sensor Acquisition System With Integrated Processor,Power Management,8×8 LED Drivers,and Simultaneously Synchronized ECG,BIO-Z,GSR,and Two PPG Readouts”,IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.51,NO.11,NOVEMBER 2016。
本揭露的目的之一在於提供一種光體積變化描記圖法(Photoplethysmography(PPG))前端接收機、一種電容式轉阻放大裝置以及一種訊號取樣方法，其可用來準確地消除一環境光訊號/雜訊訊號。
本揭露之PPG前端接收機的一實施例能夠於一取樣期間內，依據一特定取樣順序取樣一光電二極體(photo diode(PD))所產生的一偵測訊號複數次並取樣該偵測訊號的反相複數次，以獲得該偵測訊號中的一可控光訊號並消除該偵測訊號中的一環境光訊號。該實施例包含一第一電容式轉阻放大器(capacitive transimpedance amplifier(CTIA))。該第一CTIA包含一第一操作放大器(operational amplifier(OP))、一第一電容、一第一開關、一第二開關、一第三開關以及一第四開關。
承上所述，該第一OP包含一第一輸入端、一第一反相輸入端與一第一輸出端，其中該第一輸入端用來接收一第一參考電壓，該第一反相輸入端用來接收該偵測訊號。該第一電容包含一第一電極與一第二電極。該第一開關耦接於該第一電極與該第一反相輸入端之間；該第二開關耦接於該第二電極與該第一輸出端之間。該第一開關與該第二開關用來於一第一時槽(time slot)內導通、於一第二時槽內不導通、於一第三時槽內不導通以及於一第四時槽內導通，因此，該第一電極與該第二電極於該第一時槽與該第四時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容於該第一時槽與該第四時槽內取樣該偵測訊號，其中該第一時槽、該第二時槽、該第三時槽與該第四時槽為四個連續的時槽，且包含於該取樣期間內。該第三開關耦接於該第二電極與該第一反相輸入端之間；該第四開關耦接於該第一電極與該第一輸出端之間。該第三開關與該第四開關用來於該第一時槽內不導通、於該第二時槽 內導通、於該第三時槽內導通以及於該第四時槽內不導通，因此，該第二電極與該第一電極於該第二時槽與該第三時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容於該第二時槽與該第三時槽內取樣該偵測訊號的反相。該偵測訊號於該第一時槽與該第四時槽內包含該可控光訊號與該環境光訊號，該偵測訊號於該第二時槽與該第三時槽內包含該環境光訊號但不包含該可控光訊號。
本揭露之電容式轉阻放大裝置的一實施例為前述的第一CTIA，其能於一取樣期間內，依據一特定取樣順序取樣一偵測訊號複數次並取樣該偵測訊號的反相複數次，以獲得該偵測訊號中的一目標訊號並消除該偵測訊號中的一雜訊訊號。
本揭露之訊號取樣方法的一實施例是由一電容式轉阻放大裝置來執行。該實施例用來於一取樣期間內，依據一特定取樣順序取樣一偵測訊號複數次，並取樣該偵測訊號的反相複數次，以獲得該偵測訊號中的一目標訊號並消除該偵測訊號中的一雜訊訊號。該實施例包含下列步驟：於一第一時槽與一第四時槽內取樣該偵測訊號而非該偵測訊號的反相；於一第二時槽與一第三時槽內取樣該偵測訊號的反相而非該偵測訊號，其中該第一時槽、該第二時槽、該第三時槽與該第四時槽為四個連續的時槽，且包含於該取樣期間內；該偵測訊號於該第一時槽與該第四時槽內包含該目標訊號與該雜訊訊號，該偵測訊號於該第二時槽與該第三時槽內包含該雜訊訊號但不包含該目標訊號。
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。
100:光體積變化描記圖法前端接收機
110:第一電容式轉阻放大器
112:第一操作放大器(OP)
114:第一電容
1142:第一電極
1144:第二電極
SW1(+):第一開關
SW2(+):第二開關
SW3(-):第三開關
SW4(-):第四開關
SPD:偵測訊號
VREF1:第一參考電壓
SWADC:開關
120:類比至數位轉換器(ADC)
SWRST1:第一重置開關
L1~L4:特定取樣順序
400:光體積變化描記圖法前端接收機
410:第二電容式轉阻放大器
412:第二操作放大器(OP)
414:第二電容
SW5:第五開關
SW6:第六開關
VREF2:第二參考電壓
420:類比至數位轉換器(ADC)
SWRST2:第二重置開關
S610~S620:步驟
〔圖1〕顯示本揭露之光體積變化描記圖法(PPG)前端接收機的一實施例；〔圖2〕顯示圖1之實施例的修改；〔圖3〕顯示本揭露之特定取樣順序如何擴展的一實施例；〔圖4〕顯示本揭露之PPG前端接收機的另一實施例；〔圖5〕顯示圖4之實施例的修改；以及〔圖6〕顯示本揭露之訊號取樣方法的一實施例。
本說明書揭露一種光體積變化描記圖法(Photoplethysmography(PPG))前端接收機、一種電容式轉阻放大裝置以及一種訊號取樣方法，其可用來準確地消除一環境光(ambient light)訊號/雜訊訊號。
圖1顯示本揭露之PPG前端接收機的一實施例。圖1的PPG前端接收機100能夠於一取樣期間內，依據一特定取樣順序取樣一光電二極體(未顯示於圖)所產生的一偵測訊號SPD複數次並取樣該偵測訊號SPD的反相複數次，以獲得該偵測訊號SPD中的可控光訊號(例如：發光二極體(LED)光訊號)並消除該偵測訊號SPD中的環境光訊號。
請參閱圖1。PPG前端接收機100包含一第一電容式轉阻放大器(capacitive transimpedance amplifier,CTIA)110。第一CTIA 110包含一第一操作放大器(operational amplifier(OP))112、一第一電容114、一第一開關 SW1(+)、一第二開關SW2(+)、一第三開關SW3(-)以及一第四開關SW4(-)，該些電路說明於底下段落。
請參閱圖1。第一OP 112包含一第一輸入端、一第一反相輸入端與一第一輸出端。該第一輸入端用來接收一第一參考電壓VREF1，該第一反相輸入端用來接收該偵測訊號SPD，其中該第一參考電壓VREF1可依實施需求而定。
請參閱圖1。第一電容114包含一第一電極1142與一第二電極1144。第一電容114可以是一固定電容(fixed capacitor)或一可調電容(adjustable capacitor)。
請參閱圖1。該第一開關SW1(+)耦接於該第一電極1142與該第一反相輸入端之間；該第二開關SW2(+)耦接於該第二電極1144與該第一輸出端之間。該第一開關SW1(+)與該第二開關SW2(+)用來於一第一時槽(time slot)內導通、於一第二時槽內不導通、於一第三時槽內不導通以及於一第四時槽內導通，因此，該第一電極1142與該第二電極1144於該第一時槽與該第四時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使第一電容114於該第一時槽與該第四時槽內取樣該偵測訊號SPD，其中該第一時槽、該第二時槽、該第三時槽與該第四時槽為四個連續的時槽，且包含於該取樣期間內。值得注意的是，圖1的PPG前端接收機100是應用於一PPG裝置(未顯示於圖)(例如：具有PPG感測器的智慧手錶)，該PPG裝置包含至少一可控光源(例如：發光二極體(light-emitting diode(LED))(未顯示於圖)，藉由開啟與關閉該可控光源，該偵測訊號SPD於該第一時槽與該第四時槽內包含一可控光訊號(例如：發光二極體(LED)光訊號)與一環境光訊號。
請參閱圖1。該第三開關SW3(-)耦接於該第二電極1144與該第一反相輸入端之間；該第四開關SW4(-)耦接於該第一電極1142與該第一輸出端之間。該第三開關SW3(-)與該第四開關SW4(-)用來於該第一時槽內不導通、於該第二時槽內導通、於該第三時槽內導通以及於該第四時槽內不導通，因此，該第二電極1144與該第一電極1142於該第二時槽與該第三時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使第一電容114於該第二時槽與該第三時槽內取樣該偵測訊號SPD的反相。值得注意的是，藉由開啟與關閉前述PPG裝置的可控光源，該偵測訊號SPD於該第二時槽與該第三時槽內包含該環境光訊號但不包含該可控光訊號。
綜合前述，該偵測訊號SPD於該第一時槽與該第四時槽內包含該可控光訊號與該環境光訊號，且第一電容114於該第一時槽與該第四時槽內取樣該偵測訊號SPD；該偵測訊號SPD於該第二時槽與該第三時槽內包含該環境光訊號但不包含該可控光訊號，且第一電容114於該第二時槽與該第三時槽內取樣該偵測訊號SPD的反相；因此，第一電容114於該第一、第二、第三與第四時槽之取樣結果的總合會是：+(可控光訊號+環境光訊號)-(環境光訊號)-(環境光訊號)+(可控光訊號+環境光訊號)=可控光訊號+可控光訊號。據上所述，該可控光訊號被保留，該環境光訊號被消除。
值得注意的是，PPG前端接收機100可進一步包含一開關SWADC、一類比至數位轉換器(analog-to-digital converter(ADC))120以及一第一重置開關SWRST1，如圖2所示。該開關SWADC耦接於該第一輸出端與ADC 120之間，於該取樣期間不導通，並於一轉換期間導通，其中該轉換期間晚於/接續該取樣期間。於該轉換期間，ADC 120將第一CTIA 110的輸出轉換為一數位值 以供分析利用。該重置開關SWRST1耦接於該第一電極1142與該第二電極1144之間，於該取樣期間及該轉換期間不導通，並於一重置期間導通，以重置第一電容114的狀態，其中該重置期間晚於/接續該轉換期間。
請參閱圖1。視實施需求(例如：在使用者劇烈運動情形下)，PPG前端接收機100可取樣該偵測訊號SPD更多次。舉例而言，該第一開關SW1(+)與該第二開關SW2(+)進一步用來於一第五時槽內不導通、於一第六時槽內導通、於一第七時槽內導通以及於一第八時槽內不導通，因此，該第一電極1142與該第二電極1144於該第六時槽與該第七時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容114於該第六時槽與該第七時槽內取樣該偵測訊號SPD，其中該第五時槽、該第六時槽、該第七時槽與該第八時槽為其它四個連續的時槽，接在該四個連續的時槽之後，並包含於該取樣期間內。該第三開關SW3(-)與該第四開關SW4(-)進一步用來於該第五時槽內導通、於該第六時槽內不導通、於該第七時槽內不導通以及於該第八時槽內導通，因此，該第二電極1144與該第一電極1142於該第五時槽與該第八時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容114於該第五時槽與該第八時槽內取樣該偵測訊號SPD的反相。藉由開啟與關閉前述PPG裝置的可控光源，該偵測訊號SPD於該第六時槽與該第七時槽內包含該可控光訊號與該環境光訊號，該偵測訊號SPD於該第五時槽與該第八時槽內包含該環境光訊號但不包含該可控光訊號，因此，第一電容114於該第五、第六、第七與第八時槽之取樣結果的總合會是：-(環境光訊號)+(可控光訊號+環境光訊號)+(可控光訊號+環境光訊號)-(環境光訊號)=可控光訊號+可控光訊號。據上所述，該可控光訊號被保留，該環境光訊號被消除。
圖3顯示前述特定取樣順序如何擴展的一實施例。圖3的階層L1、L2、L3與L4的每一個代表一特定取樣順序，且第(K+1)階層為第K階層的擴展，其中該K為正整數。上述每一階層中，符號「+」表示圖1的偵測訊號SPD包含可控光訊號與環境光訊號，此情形下，第一開關SW1(+)與第二開關SW2(+)被開啟，第三開關SW3(-)與第四開關SW4(-)被關閉；符號「-」表示圖1的偵測訊號SPD包含環境光訊號但不包含可控光訊號，此情形下，第一開關SW1(+)與該第二開關SW2(+)被關閉，第三開關SW3(-)與第四開關SW4(-)被開啟。值得注意的是，本實施例的每個特定取樣順序可確保第一電容114之第(2N-1)次取樣結果與第2N次取樣結果的和的傅利葉轉換(Fourier Transform)結果，對於環境光而言，在頻域的響應符合一正弦函數的形式，以確保所有取樣結果之和的最佳化，其中該N為正整數；簡言之，其它取樣順序(例如：++--++--...、或者+-+-+-+-...、或者+--++--+...)無法達到所有取樣結果之和的最佳化。
圖4顯示本揭露之PPG前端接收機的另一實施例。相較於圖1，圖4的PPG前端接收機400進一步包含一第二CTIA 410，其用來放大第一CTIA 110的輸出。第二CTIA 410包含一第二OP 412、一第二電容414、一第五開關SW5以及一第六開關SW6。
請參閱圖4。第二OP 412包含一第二輸入端、一第二反相輸入端與一第二輸出端。該第二輸入端經由該第五開關SW5耦接第一電容114的第二電極1144，並接收一第二參考電壓VREF2，其中該第二參考電壓VREF2同於或不同於前述第一參考電壓VREF1，可視實施需求而定。該第二反相輸入端經由該第六開關SW6耦接第一電容114的第一電極1142。
請參閱圖4。第二電容414耦接於該第二反相輸入端與該第二輸出端之間，用來於一電荷分享期間，與第一電容114分享電荷，其中第二電容414的電容值小於第一電容114的電容值，使得第二CTIA 410能夠放大第一CTIA 110的輸出，該電荷分享期間晚於/接續該取樣期間。本實施例中，第一電容114的電容值(C1)介於該第二電容414之電容值(C2)的150%與該第二電容之電容值的400%之間(亦即：1.5C2
Figure 111128021-A0305-02-0012-1
C1
Figure 111128021-A0305-02-0012-2
4C2)，然此並非本發明的實施限制。第二電容414可以是一固定電容或一可調電容。
請參閱圖4。該第五開關SW5耦接於第一電容114的第二電極1144與該第二輸入端之間；該第六開關SW6耦接於第一電容114的第一電極1142與該第二反相輸入端之間；該第五開關SW5與該第六開關SW6於前述取樣期間不導通，並於前述電荷分享期間導通，以電性連接該第一電容114與該第二電容414，使得該第一電容114與該第二電容414分享電荷。
值得注意的是，PPG前端接收機400可進一步包含一ADC 420、一第一重置開關SWRST1與一第二重置開關SWRST2如圖5所示。於該電荷分享期間，ADC 420耦接該第二輸出端，用來將第二CTIA 420的輸出轉換為一數位值以供分析利用。該第一重置開關SWRST1耦接於該第一電極1142與該第二電極1144之間，該第二重置開關SWRST2耦接於第二電容414的二電極之間，該第一重置開關SWRST1與該第二重置開關SWRST2於該取樣期間及該電荷分享期間不導通，並於一重置期間導通，以重置第一電容114與第二電容414的狀態，其中該重置期間晚於/接續該轉換期間。
本揭露之電容式轉阻放大裝置的一實施例為前述的第一CTIA 110，其能於一取樣期間內，依據一特定取樣順序取樣一偵測訊號複數次並取 樣該偵測訊號的反相複數次，以獲得該偵測訊號中的一目標訊號並消除該偵測訊號中的一雜訊訊號。該實施例可用於PPG以外的應用。由於本領域具有通常知識者能夠參酌圖1~5的實施例來瞭解上述實施例的細節與變化，重複及冗餘的說明在此省略。
本揭露之訊號取樣方法是由一電容式轉阻放大裝置(例如：圖1的第一CTIA 110)來執行。該方法用來於一取樣期間內，依據一特定取樣順序取樣一偵測訊號複數次，並取樣該偵測訊號的反相複數次，以獲得該偵測訊號中的一目標訊號並消除該偵測訊號中的一雜訊訊號。圖6顯示該方法的一實施例，包含下列步驟：
S610：於一第一時槽與一第四時槽內取樣該偵測訊號。
S620：於一第二時槽與一第三時槽內取樣該偵測訊號的反相，其中該第一時槽、該第二時槽、該第三時槽與該第四時槽為四個連續的時槽，且包含於該取樣期間內；該偵測訊號於該第一時槽與該第四時槽內包含一目標訊號與一雜訊訊號，該偵測訊號於該第二時槽與該第三時槽內包含該雜訊訊號但不包含該目標訊號。
由於本領域具有通常知識者能夠參酌圖1~5的實施例來瞭解圖6之實施例的細節與變化，重複及冗餘的說明在此省略。
請注意，在實施為可能的前提下，本技術領域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，藉此增加本發明實施時的彈性。
綜上所述，本揭露的PPG前端接收機、電容式轉阻放大裝置以及訊號取樣方法可準確地獲得一可控光訊號/目標訊號並消除一環境光訊號/雜訊訊號。
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:光體積變化描記圖法前端接收機 110:第一電容式轉阻放大器 112:第一操作放大器（OP） 114:第一電容 1142:第一電極 1144:第二電極 SW1(+):第一開關 SW2(+):第二開關 SW3(-):第三開關 SW4(-):第四開關 S PD:偵測訊號 V REF1:第一參考電壓

Claims (10)

  1. 一種光體積變化描記圖法(Photoplethysmography；PPG)前端接收機，該PPG前端接收機能夠於一取樣期間內，依據一特定取樣順序取樣一光電二極體所產生的一偵測訊號複數次並取樣該偵測訊號的反相複數次，以獲得該偵測訊號中的一可控光訊號並消除該偵測訊號中的一環境光訊號，該PPG前端接收機包含：一第一電容式轉阻放大器，包含：一第一操作放大器，包含一第一輸入端、一第一反相輸入端與一第一輸出端，其中該第一輸入端用來接收一第一參考電壓，該第一反相輸入端用來接收該偵測訊號；一第一電容，包含一第一電極與一第二電極；一第一開關，耦接於該第一電極與該第一反相輸入端之間；一第二開關，耦接於該第二電極與該第一輸出端之間，其中該第一開關與該第二開關用來於一第一時槽(time slot)內導通、於一第二時槽內不導通、於一第三時槽內不導通以及於一第四時槽內導通，該第一電極與該第二電極於該第一時槽與該第四時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容於該第一時槽與該第四時槽內取樣該偵測訊號，該第一時槽、該第二時槽、該第三時槽與該第四時槽為四個連續的時槽，且包含於該取樣期間內；一第三開關，耦接於該第二電極與該第一反相輸入端之間；以及一第四開關，耦接於該第一電極與該第一輸出端之間，其中該第三開關與該第四開關用來於該第一時槽內不導通、於該第二時槽內導通、於該 第三時槽內導通以及於該第四時槽內不導通，該第二電極與該第一電極於該第二時槽與該第三時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容於該第二時槽與該第三時槽內取樣該偵測訊號的反相，其中該偵測訊號於該第一時槽與該第四時槽內包含該可控光訊號與該環境光訊號，該偵測訊號於該第二時槽與該第三時槽內包含該環境光訊號但不包含該可控光訊號。
  2. 如請求項1之PPG前端接收機，其中：該第一開關與該第二開關用來於一第五時槽內不導通、於一第六時槽內導通、於一第七時槽內導通以及於一第八時槽內不導通，該第一電極與該第二電極於該第六時槽與該第七時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容於該第六時槽與該第七時槽內取樣該偵測訊號，該第五時槽、該第六時槽、該第七時槽與該第八時槽為其它四個連續的時槽，接在該四個連續的時槽之後，並包含於該取樣期間內；以及該第三開關與該第四開關用來於該第五時槽內導通、於該第六時槽內不導通、於該第七時槽內不導通以及於該第八時槽內導通，該第二電極與該第一電極於該第五時槽與該第八時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容於該第五時槽與該第八時槽內取樣該偵測訊號的反相，其中該偵測訊號於該第六時槽與該第七時槽內包含該可控光訊號與該環境光訊號，該偵測訊號於該第五時槽與該第八時槽內包含該環境光訊號但不包含該可控光訊號。
  3. 如請求項1之PPG前端接收機，進一步包含一第二電容式轉阻放大器，其中該第二電容式轉阻放大器包含：一第二操作放大器，包含一第二輸入端、一第二反相輸入端與一第二輸出端，其中該第二輸入端用來接收一第二參考電壓，該第二參考電壓同於或不同於該第一參考電壓；一第二電容，耦接於該第二反相輸入端與該第二輸出端之間；一第五開關，耦接於該第一電容之該第二電極與該第二輸入端之間；以及一第六開關，耦接於該第一電容之該第一電極與該第二反相輸入端之間，其中該第五開關與該第六開關於該取樣期間不導通，並於一電荷分享期間導通，以電性連接該第一電容與該第二電容，使得該第一電容與該第二電容分享電荷，該電荷分享期間晚於該取樣期間，該第一電容的電容值大於該第二電容的電容值。
  4. 如請求項3之PPG前端接收機，其中該第一電容的電容值介於該第二電容之電容值的150%與該第二電容之電容值的400%之間。
  5. 一種電容式轉阻放大裝置，該電容式轉阻放大裝置能夠於一取樣期間內，依據一特定取樣順序取樣一偵測訊號複數次並取樣該偵測訊號的反相複數次，以獲得該偵測訊號中的一目標訊號並消除該偵測訊號中的一雜訊訊號，該電容式轉阻放大裝置包含：一第一電容式轉阻放大器，包含：一第一操作放大器，包含一第一輸入端、一第一反相輸入端與一第一輸出端，其中該第一輸入端用來接收一第一參考電壓，該第一反相輸入端用來接收該偵測訊號； 一第一電容，包含一第一電極與一第二電極；一第一開關，耦接於該第一電極與該第一反相輸入端之間；一第二開關，耦接於該第二電極與該第一輸出端之間，其中該第一開關與該第二開關用來於一第一時槽(time slot)內導通、於一第二時槽內不導通、於一第三時槽內不導通以及於一第四時槽內導通，該第一電極與該第二電極於該第一時槽與該第四時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容於該第一時槽與該第四時槽內取樣該偵測訊號，該第一時槽、該第二時槽、該第三時槽與該第四時槽為四個連續的時槽，且包含於該取樣期間內；一第三開關，耦接於該第二電極與該第一反相輸入端之間；以及一第四開關，耦接於該第一電極與該第一輸出端之間，其中該第三開關與該第四開關用來於該第一時槽內不導通、於該第二時槽內導通、於該第三時槽內導通以及於該第四時槽內不導通，該第二電極與該第一電極於該第二時槽與該第三時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容於該第二時槽與該第三時槽內取樣該偵測訊號的反相，其中該偵測訊號於該第一時槽與該第四時槽內包含該目標訊號與該雜訊訊號，該偵測訊號於該第二時槽與該第三時槽內包含該雜訊訊號但不包含該目標訊號。
  6. 如請求項5之電容式轉阻放大裝置，其中：該第一開關與該第二開關用來於一第五時槽內不導通、於一第六時槽內導通、於一第七時槽內導通以及於一第八時槽內不導通，該第一電極與該第二電 極於該第六時槽與該第七時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容於該第六時槽與該第七時槽內取樣該偵測訊號，該第五時槽、該第六時槽、該第七時槽與該第八時槽為其它四個連續的時槽，接在該四個連續的時槽之後，並包含於該取樣期間內；以及該第三開關與該第四開關用來於該第五時槽內導通、於該第六時槽內不導通、於該第七時槽內不導通以及於該第八時槽內導通，該第二電極與該第一電極於該第五時槽與該第八時槽內分別耦接該第一反相輸入端與該第一輸出端，以使該第一電容於該第五時槽與該第八時槽內取樣該偵測訊號的反相，其中該偵測訊號於該第六時槽與該第七時槽內包含該目標訊號與該雜訊訊號，該偵測訊號於該第五時槽與該第八時槽內包含該雜訊訊號但不包含該目標訊號。
  7. 如請求項5之電容式轉阻放大裝置，進一步包含一第二電容式轉阻放大器，其中該第二電容式轉阻放大器包含：一第二操作放大器，包含一第二輸入端、一第二反相輸入端與一第二輸出端，其中該第二輸入端用來接收一第二參考電壓，該第二參考電壓同於或不同於該第一參考電壓；一第二電容，耦接於該第二反相輸入端與該第二輸出端之間；一第五開關，耦接於該第一電容之該第二電極與該第二輸入端之間；以及一第六開關，耦接於該第一電容之該第一電極與該第二反相輸入端之間，其中該第五開關與該第六開關於該取樣期間不導通，並於一電荷分享期間導通，以電性連接該第一電容與該第二電容，使得該第一電容與該第二電容 分享電荷，該電荷分享期間晚於該取樣期間，該第一電容的電容值大於該第二電容的電容值。
  8. 如請求項7之電容式轉阻放大裝置，其中該第一電容的電容值介於該第二電容之電容值的150%與該第二電容之電容值的400%之間。
  9. 一種訊號取樣方法，該方法是由一電容式轉阻放大裝置來執行，用來於一取樣期間內，依據一特定取樣順序取樣一偵測訊號複數次，並取樣該偵測訊號的反相複數次，以獲得該偵測訊號中的一目標訊號並消除該偵測訊號中的一雜訊訊號，該方法包含：於一第一時槽(time slot)與一第四時槽內取樣該偵測訊號而非該偵測訊號的反相；以及於一第二時槽與一第三時槽內取樣該偵測訊號的反相而非該偵測訊號，其中該第一時槽、該第二時槽、該第三時槽與該第四時槽為四個連續的時槽，且包含於該取樣期間內；該偵測訊號於該第一時槽與該第四時槽內包含該目標訊號與該雜訊訊號；該偵測訊號於該第二時槽與該第三時槽內包含該雜訊訊號但不包含該目標訊號。
  10. 如請求項9之方法，進一步包含：於一第五時槽與一第八時槽內取樣該偵測訊號的反相而非該偵測訊號；以及於一第六時槽與一第七時槽內取樣該偵測訊號而非該偵測訊號的反相，其中該第五時槽、該第六時槽、該第七時槽與該第八時槽為其它四個連續的時槽，接在該四個連續的時槽之後，並包含於該取樣期間內；該偵測訊號於該第六時槽與該第七時槽內包含該目標訊號與該雜訊訊號，該偵測訊號於該第五時槽與該第八時槽內包含該雜訊訊號但不包含該目標訊號。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7642766B2 (en) * 2004-04-27 2010-01-05 Atmel Grenoble Method and device for measuring with synchronous detection and correlated sampling
US20100282946A1 (en) * 2009-05-05 2010-11-11 Ping-Hung Yin Low Noise Pixel Readout Circuit with High Conversion Gain
US20120293229A1 (en) * 2011-04-28 2012-11-22 Zentrum Mikroelektronik Dresden Ag Circuit and method for performing arithmetic operations on current signals
TWI538408B (zh) * 2013-05-21 2016-06-11 國立交通大學 使用週期性重置積分之角度解調變裝置及其方法
US20170104480A1 (en) * 2015-10-07 2017-04-13 Sony Semiconductor Solutions Corporation Sample-and-hold circuit having error compensation circuit portion

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7642766B2 (en) * 2004-04-27 2010-01-05 Atmel Grenoble Method and device for measuring with synchronous detection and correlated sampling
US20100282946A1 (en) * 2009-05-05 2010-11-11 Ping-Hung Yin Low Noise Pixel Readout Circuit with High Conversion Gain
US20120293229A1 (en) * 2011-04-28 2012-11-22 Zentrum Mikroelektronik Dresden Ag Circuit and method for performing arithmetic operations on current signals
TWI538408B (zh) * 2013-05-21 2016-06-11 國立交通大學 使用週期性重置積分之角度解調變裝置及其方法
US20170104480A1 (en) * 2015-10-07 2017-04-13 Sony Semiconductor Solutions Corporation Sample-and-hold circuit having error compensation circuit portion

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