CMOS脈搏血氧采集傳感器信號處理電路設計*

陳力穎,倪立強,湯 勇,周小潔,譚 康

(1.天津工業(yè)大學電子與信息工程學院,天津 300387;2.天津市光電檢測技術與系統(tǒng)重點實驗室,天津 30087)

隨著社會經(jīng)濟和科學技術的快速發(fā)展,生物醫(yī)療領域在人們心中越來越受到重視。當微電子技術與生物醫(yī)學技術不斷結(jié)合并創(chuàng)新進步[1-2],越來越多生命監(jiān)測裝置被不斷改造和創(chuàng)新[3-5],使之更加便捷化、智能化、無線化和高效化。如當今比較流行的Apple Watch和小米手環(huán)[6],都將醫(yī)療保健元素不斷的向便捷式電子產(chǎn)品中引入,使得對于脈搏、血氧、體溫和血壓等表征人體健康水平的信息的獲取變得更加簡易[7]。

但由于人體脈搏信號存在幅度小、頻率低且易受干擾等特性,故信號的預處理不可或缺。高性能的信號處理電路應具備放大弱幅信號、濾除主信號頻率外的無關信號的作用,且能為后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換提供輸入保障。與此同時電路設計時應考慮不能引入過多的噪聲與失調(diào),且應具有較高的共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(PSRR)。

本文基于對低噪聲低功耗與高共模抑制比的需求設計了一款CMOS脈搏血氧采集傳感器信號處理電路,其包括電流電壓轉(zhuǎn)換器(IVC)、可變增益儀表放大器(IA)、低通濾波器(LPF)和二次放大電路,能很好的對采集到的微小信號,進行放大和濾波的處理,以確保其能達到模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入范圍,再進行RFID無線傳輸,達到快捷有效的獲取信息的目的。使用UMC 0.18 μm工藝對電路進行設計和仿真,并設計了版圖,最后對流片后的結(jié)果進行了測試。

1 信號處理電路結(jié)構(gòu)和原理

CMOS脈搏血氧采集傳感器信號處理集成電路整體框圖如圖1所示,其整體有5部分組成,分別是電源管理與偏置電路、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路(IVC)、可變增益儀表放大器(IA)、低通濾波器(LPF)和二次放大電路。

圖1 CMOS脈搏血氧采集傳感器信號處理集成電路整體框圖

由于傳感器采集到的人體脈搏信號幅度小、噪聲干擾大且頻率范圍廣,信號必須經(jīng)過預處理。信號處理的簡易流程如下:初始信號為光電探測器獲取到的電流信號,電流信號通過電流-電壓轉(zhuǎn)換器,將不易測量和分析的電流信號轉(zhuǎn)換成易測量且線性度好的電壓信號;然后,微弱信號再通過可變增益儀表放大器進行一次放大處理,其增益大約30 dB左右;再由濾波器濾除高頻信號和噪聲等干擾;最后進行二次放大,以使信號的大小達到后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入范圍,為信號的數(shù)字化無線收發(fā)提供基礎條件。

圖2 標準二級運算放大器

2 主要模塊及其電路設計

2.1 運算放大器設計

本文采用的運算放大器是標準的二級運算放大器[8-9],如圖2所示,包括由M1～M5組成的PMOS差分輸入的第1級、Rz和Cc組成的相位補償、M6和M7組成的電流源負載共源級輸出的第2級,其開環(huán)增益可達到80 dB左右。運算放大器使用PMOS作為輸入管,相對NMOS來說,PMOS能獲得更大的壓擺幅且其跨導值僅為NMOS的1/3,對電路的次極點有更好的抑制作用,加之頻率補償,使得電路的相位裕度達到60°～70°,電路更加穩(wěn)定。

另外,運算放大器采用差分對管輸入,相對單管輸入,能更好的抑制共模信號的干擾。且大面積的PMOS作為差分對管輸入,能更好的達到減小噪聲的目的。

2.2 電流電壓轉(zhuǎn)換器

脈搏血氧采集傳感器裝置采用反射式雙光束脈搏探測方法,故而得到的是由光電探測器探測到的脈搏信息的電流信號,信號幅度不大且含有噪聲。為了獲得便于測量且線性度較好的電壓信號,設計了一款靈敏度較好的電流-電壓轉(zhuǎn)換器[10-11],如圖3所示。

圖3 電流-電壓轉(zhuǎn)換器

其原理是:先將輸入電流經(jīng)過一個電阻使其產(chǎn)生一個電壓,再將此電壓經(jīng)過一個放大器以隔離輸入和輸出,使其負載不能影響電流在電阻上產(chǎn)生的電壓。其中,電容C1濾除高頻干擾,故應為pF級電容,R1應為精度高且熱穩(wěn)定性較好的電阻。其輸出電壓為:

(1)

2.3 可變增益儀表放大器

可變增益儀表放大器的作用在于放大微弱的脈搏信號[12],與二次放大電路結(jié)合使之達到模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的輸入范圍,是信號處理電路的核心部分。可變增益儀表放大器由3個穩(wěn)定且性能良好的運算放大器和若干電阻對稱組成,如圖4所示。分為前置的緩沖級和后置的減法電路。

圖4 三運放結(jié)構(gòu)可變增益儀表放大器

主要工作原理是:運算放大器A1,A2和電阻陣列[13]組成了單位增益跟隨器。電阻陣列基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 儀表放大器電阻陣列結(jié)構(gòu)圖

當系統(tǒng)處于深度負反饋時,可變電阻陣列R2兩端的電壓與輸入電壓Vin(Vin=VP-VN)相等,流過Rw的電流則為Vin/Rw。輸入的信號對于加在運放A1和A2輸入端的共模電壓,在Rw的兩端具有相等的電位值,則流過Rw的電流值為零,對于同一支路上的R1和R2,流過其的電流也為零,故放大器A1和A2將作為單位增益跟隨器工作。因此,輸入的共模信號將會以單位增益的形式通過而不被放大,而差分信號則會按一定的增益系數(shù)被放大。這也就意味著,電路的共模抑制比相比原來的差分電路增大了一定的倍數(shù)。

運算放大器A3和電阻R3～R6構(gòu)成了后置的減法電路,且當這個減法器電路中的電阻比率匹配設定后,即R1=R2,R3=R4,R5=R6,電路的增益將不再對電阻匹配有任何要求,即此減法電路的增益為確定的值,其輸出電壓為:

(2)

電路整體的差分增益為:

(3)

增益可通過改變可變電阻陣列Rw的阻值來進行改變。

傳感器探測到的信號經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后以差分信號的形式加載到VP和VN端,經(jīng)過前置緩沖級放大差分信號,后置減法電路抑制其共模信號,以達到減小噪聲和放大差分信號的作用。對于本文中的脈搏波信號,微弱信號應當放大35倍以上,即可變增益儀表放大器的增益應當為30 dB～40 dB之間,如此才能達到放大微弱信號的目的。

2.4 低通濾波器

由于脈搏信號中存在大量的干擾信號,故信號處理電路設計時,濾波問題不能忽略。因為脈搏信號的主要信息段在低頻端,其頻率范圍大約是在0.5 Hz～20 Hz之間,故而濾波器需要濾除所需信號頻率段外的信號和干擾。本文設計了一款單位增益低通KRC濾波器[14],以達到濾波的目的,如圖6所示。

圖6 單位增益低通KRC濾波器

2.5 二次放大電路

儀表放大器的增益倍數(shù)不足以達到模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的輸入范圍,因此需要一個二次放大電路進行進一步放大,因脈搏信號的幅度大致為5 mV,因此需要的放大倍數(shù)為28 dB～45 dB;儀表放大器的增益為30 dB,故而設計一個同相放大器以對信號進行兩倍放大。

2.6 偏置電路

偏置電路模塊是信號處理電路設計中的關鍵模塊之一,其為電路中的各個部分提供了基準電壓和偏置電壓。本文中的偏置電路以PTAT結(jié)構(gòu)為核心[15],得到與電源電壓和溫度無關的基準電壓。再根據(jù)所需的不同偏置需求以進行電流鏡像輸出具體的值,以獲取不同大小的偏置電壓和偏置電流。

PATA結(jié)構(gòu)能輸出與溫度成正相關的電流,PNP管再產(chǎn)生一個相同溫度系數(shù)的與溫度成負相關的電流,從而得到一個與溫度無關的電流,再經(jīng)過電阻將之轉(zhuǎn)換為一個與溫度無關的基準電壓Vref[16]。本信號處理電路系統(tǒng)中的不同偏置電壓和偏置電路都將通過該偏置電路獲得。

3 測試結(jié)果與討論

CMOS脈搏血氧采集傳感器信號處理電路,采用UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工藝制作,芯片整體面積為1.30 mm2,該芯片的顯微照片如圖7所示,測試芯片時采用自行設計的PCB電路板及其芯片bonding圖如圖8所示,其測試電路連接情況為:VCC接1.8 V直流電源、GND接公共地、VP和VN間接頻率5 Hz,振幅5 mV,偏移電壓0.4 V的正弦信號(信號發(fā)生器),Vout接示波器輸出。

圖7 芯片顯微照片

圖8 CMOS的脈搏血氧采集傳感器信號處理芯片PCB板的測試連接圖及其芯片bonding圖

測試時,環(huán)境溫度為27 ℃,電源電壓為1.8 V,采用頻率5 Hz(脈搏頻率0.5 Hz～20 Hz之間),直流電壓偏移0.4 V,振幅5 mV的正弦信號為輸入。將示波器中的數(shù)據(jù)導出繪制的輸出曲線如圖9所示。

圖9 微弱信號輸入下輸出曲線

圖10 頻率響應特性曲線-增益可變范圍

測試結(jié)果表明:芯片有對微弱信號進行放大的作用,將輸入振幅5 mV放大到0.25 V左右,放大效果近50倍,基本與仿真結(jié)果相近且滿足設計指標。

芯片頻率響應曲線如圖10所示,測試結(jié)果表明可調(diào)增益范圍為30 dB～54 dB。

與仿真結(jié)果相比,測試結(jié)果下降0.1 dB,可能是版圖設計時,電阻匹配不精確造成的損失。

圖11 輸入電壓與輸出電壓范圍的對比圖

不同輸入電壓下對芯片進行測試,結(jié)果表明,輸出電壓最大值與最小值的差值隨著輸入電壓的增加而減小,故選擇對脈搏信號進行放大的共模輸入值應在0.4 V～0.9 V之間,以達到最好的放大效果。

芯片的主要性能結(jié)果如表1所示。

表1 信號處理集成電路性能測試結(jié)果

從表1可以看出,芯片具有較高的共模抑制比,可調(diào)增益范圍較廣,整體的功耗不大,滿足便攜式、小型化的續(xù)航要求。整個系統(tǒng)集成在一個面積比較小的芯片上,核心面積不大于1.30 mm2;內(nèi)部集成了電流-電壓轉(zhuǎn)化器,可變增益儀表放大器,單位增益低通濾波器和二次放大用途的同相放大器;該芯片能將脈搏血氧采集傳感器裝置采集的電流信號進行電流電壓轉(zhuǎn)換、初次放大、濾波和二次放大等系列操作,從而得到線性度較好易被測量的信號,該信號進一步數(shù)字化后可用于無線傳輸和計算等用途。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于CMOS脈搏血氧采集傳感器信號處理電路的設計方法,整體電路包括了電流-電壓轉(zhuǎn)化器、可變增益儀表放大器、單位增益KRC低通濾波器、同相放大器和用于偏置的帶隙基準電壓源。

芯片采用UMC 0.18 μm CMOS混合信號1P6M工藝制造,整個芯片的面積為1 457 μm×893 μm。流片后的測試結(jié)果表明,在1.8V電源電壓下,芯片總體功耗為360 μW,具有較高的共模抑制比,增益可調(diào)范圍為30 dB～54 dB,能有效的對采集到的脈搏信號進行放大和濾波處理,再經(jīng)過后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換后,能為便攜式、智能化和無線傳輸提供基礎保障。

[1] 謝翔,張春,王志華. 微電子技術在生物醫(yī)學中的應用與發(fā)展[J]. 電路與系統(tǒng)學報,2003,8(2):80-85.

[2] Iddan G,Meron G,Glukhovsky A,et al. Wireless Capsule Endoscopy[J]. Nature,2000,405:417-418.

[3] 李剛,盧宗武,林凌. DDS芯片AD9854在脈搏波阻抗譜測量中的應用[J]. 傳感技術學報,2007,20(11):2494-2498.

[4] 龔渝順,吳寶明,高丹丹,等. 一種抗干擾穿戴式血氧飽和度監(jiān)測儀的研制[J]. 傳感技術學報,2012,25(1):6-10.

[5] 秦穎,張晶,蔡靖,等. 基于交直流分離的反射式血氧飽和度測量系統(tǒng)的設計[J]. 傳感技術學報,2015,28(6):933-937.

[6] 陳力穎,胡雄偉,倪立強,等. 基于CMOS工藝的脈搏血氧測量電路設計[J]. 天津工業(yè)大學學報,2017(5):1-5.

[7] 林視達,朱紀軍. 基于織物電極的可穿戴式心電監(jiān)護系統(tǒng)[J]. 傳感技術學報,2017,30(6):944-949.

[8] 畢查德·拉扎維. 模擬CMOS集成電路設計[M]. 西安交通大學出版社,2013:239-305.

[9] Lim K T,Kim S J,Kwon O K. The OP-Amplifier with offset Cancellation Circuit[C]//2003 IEEE Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits,IEEE,2003:445-447.

[10] Srinivasan V,Chawla R,Hasler P. Linear Current-to-Voltage and Voltage-to-Current Converters[C]//Circuits and Systems,2005. 48th Midwest Symposium on. IEEE,2005:675-678 Vol. 1.

[11] 樊天麒,劉巖,雷沖,等. 基于V/I轉(zhuǎn)換電路與鎖相放大器的磁阻抗測量系統(tǒng)[J]. 傳感技術學報,2016,29(10):1602-1605.

[12] 黃增躍,王云龍,袁青. 呼吸感應體積描記系統(tǒng)中弱信號鎖相放大模塊的設計[J]. 傳感技術學報,2014,27(1):17-20.

[13] 張金勇,李斌,王磊. 生物醫(yī)學信號采集的多通道信號處理集成電路[J]. 中國生物醫(yī)學工程學報,2010,29(2):283-287.

[14] 賽爾吉歐·佛朗哥. 基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M]. 西安:西安交通大學出版社,2004:93-184.

[15] 王文建. 基于BiCMOS工藝可修調(diào)的高精度低溫度系數(shù)帶隙基準源設計[J]. 傳感技術學報,2017,30(5):674-677.

[16] 李勃,毛陸虹,張世林,等. 集成于無源UHF RFID標簽的寬溫測范圍CMOS溫度傳感器[J]. 傳感技術學報,2014,27(5):581-586.