面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路

本发明涉及集成电路，尤其涉及面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路。

背景技术：

1、目前，脉搏波检测主要有光学式测量法、超声式测量法和磁共振成像法。超声式测量法的优点是测量精度高，可以显示血管的内部结构，对血管狭窄、血栓等病变的检测效果好。磁共振成像法的优点是可以对全身进行检测，非侵入性，对心脏和血管的检测效果好。但是超声式测量法和磁共振测量法都需要专业仪器设备，价格昂贵，且不能进行长时间监测。而光学式测量法，测量精度高，非侵入，且能进行长时间监测。

2、在光学式测量法中，基于光电容积脉搏波描记法(photoplethysmography，ppg)是目前广泛应用的测量方法。可以让用户在无创的情况下，连续且实时地监测人体血氧饱和度(sao2)、心率(heart rate，hr)等生命体征参数。目前基于ppg的监测方法常见的产品有脉搏血氧饱和度仪、智能手环/手表等。

3、基于ppg的血氧饱和度检测原理：光电传感器发出红光(660nm)、红外光(940nm)，人体的两种血红蛋白氧合血红蛋白和不含氧的还原性血红蛋白对红光、红外光的吸收度有差异，接收器检测到反射光的变化，并根据lambert-beer定律推算出血氧饱和度。

4、基于ppg的心率检测原理：光电传感器发射光，当心脏收缩时，血液会把皮肤中的血管充盈，使得皮肤的光反射量发生变化；当心脏舒张时，血液流动减缓，皮肤的光反射量也会相应变化。通过光电传感器接收周期性变化的反射信号频率，可以得出实时心率值。

5、然而由于环境中的光线、运动等因素会使ppg信号受到环境干扰的影响，从而恶化系统整体的信噪比(snr)，降低测量精度。其中对后级电路最主要的干扰之一是基线漂移，基线漂移会破坏后级电路的静态工作点设置情况，产生的影响包括线性失真、输出动态范围降低等问题，降低最终输出结果的准确率。

6、传统的消除环境干扰的方法，主要是使用滤波器，抑制非关心频段的噪声。其中使用较多的方法有带通滤波法、自适应滤波法、小波滤波法等。带通滤波法用于选择特定频率范围内的信号成分，并抑制其他频率范围内的信号。由于关心的心率的频率约为0.5～3hz，血氧信号的频率约为0.1～1hz，非关心的环境光干扰频率在数十到数百hz之间，呼吸和运动噪声频率在几分之一hz到几hz。故带通滤波法对于环境光干扰的滤除可以起到一定的效果，但对于与关心频率接近的呼吸和运动噪声滤除效果欠佳。自适应滤波法，可以在没有输入信号先验统计的情况下，根据设定好的判据直接利用输入信号实时调整滤波。自适应滤波电路结构由可编程滤波器、自适应算法模块构成。虽然自适应滤波法可以取得一定的效果，但其结构复杂，对于跨阻放大器的前置而言不适用，且功耗较高。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有的消除环境干扰的方法结构复杂、且功耗较高的缺点，而提出的面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路，包括发射端电路、接收端电路，以及光敏二极管、两个led发光二极管，所述发射端电路包括led驱动器、led电流控制dac和数字控制单元，所述接收端电路包括环境干扰消除电路、跨阻放大器(tia)、可编程增益放大器(pga)、采样保持低通滤波器(s&h lpf)、缓冲器和δσ模数转换器。

4、优选的，所述数字控制单元上设有控制信号，且控制信号为sign和7位的s<6:0>。

5、优选的，所述数字控制单元上连接有两种(pm和nm)差分输入管，所述pm差分输入管和nm差分输入管均设有七个。

6、优选的，所述pm差分输入管和nm差分输入管上均连接有电阻。

7、优选的，七个所述pm差分输入管上的电阻值分别为64r、32r、16r、8r、4r、2r、r，七个所述nm差分输入管上的电阻分别为64r、32r、16r、8r、4r、2r、r。

8、优选的，所述pm差分输入管连接vdd，nm差分输入管连接gnd端。

9、优选的，所述跨阻放大器(tia)上设置环境干扰消除模块的r＝190kω、vdd＝2.4v、gnd＝0v，施加的iinn、iinp电流信号模拟人体生理信号，设置为两个相位相差180度，频率为1hz、幅值为5μa的正弦信号。

10、本发明电路复杂度较低，适用于脉搏波信号检测的跨阻放大器前端，芯片面积和功耗均较低，且有着较高的环路稳定性，不产生额外的级间干扰，可以实现宽范围的环境干扰消除。

技术特征：

1.面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路，包括发射端电路、接收端电路，以及光敏二极管、两个led发光二极管，其特征在于，所述发射端电路包括led驱动器、led电流控制dac和数字控制单元，所述接收端电路包括环境干扰消除电路、跨阻放大器、可编程增益放大器、采样保持低通滤波器、缓冲器和δσ模数转换器。

2.根据权利要求1所述的面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路，其特征在于，所述数字控制单元上设有控制信号，且控制信号为sign和7位的s<6:0>。

3.根据权利要求1所述的面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路，其特征在于，所述数字控制单元上连接有pm差分输入管和nm差分输入管，所述pm差分输入管和nm差分输入管均设有七个。

4.根据权利要求3所述的面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路，其特征在于，所述pm差分输入管和nm差分输入管上均连接有电阻。

5.根据权利要求4所述的面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路，其特征在于，七个所述pm差分输入管上的电阻值分别为64r、32r、16r、8r、4r、2r、r，七个所述nm差分输入管上的电阻分别为64r、32r、16r、8r、4r、2r、r。

6.根据权利要求4所述的面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路，其特征在于，所述pm差分输入管连接vdd，nm差分输入管连接gnd端。

7.根据权利要求1所述的面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路，其特征在于，所述跨阻放大器上设置环境干扰消除模块的r＝190kω、vdd＝2.4v、gnd＝0v，施加的iinn、iinp电流信号模拟人体生理信号。

8.根据权利要求7所述的面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路，其特征在于，所述跨阻放大器上设置为两个相位相差180度，频率为1hz、幅值为5μa的正弦信号。

技术总结
本发明属于集成电路技术领域，尤其是面向脉搏波信号检测的跨阻放大器前置环境干扰消除电路，针对现有的消除环境干扰的方法结构复杂、且功耗较高的问题，现提出如下方案，其包括发射端电路、接收端电路，以及光敏二极管、两个LED发光二极管，所述发射端电路包括LED驱动器、LED电流控制DAC和数字控制单元，所述接收端电路包括环境干扰消除电路、跨阻放大器(TIA)、可编程增益放大器(PGA)、采样保持低通滤波器(S&H LPF)、缓冲器和ΔΣ模数转换器。本发明电路复杂度较低，适用于脉搏波信号检测的跨阻放大器前端，芯片面积和功耗均较低，且有着较高的环路稳定性，不产生额外的级间干扰，可以实现宽范围的环境干扰消除。

技术研发人员：唐枋,夏珑静
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16