用于光电体积描记系统的发送器架构技术方案

本文公开了一种用于光电体积描记系统的发送器架构。一种用于光电体积描记系统的LED(发光二极管)驱动器(36)，包括用于驱动晶体管(54)的开关式运算放大器(58)，该开关式运算放大器(58)具有与LED(40)串联的源漏路径。在该LED与该驱动晶体管断开的第一时钟相位中，该放大器以单位增益模式耦合，并且采样电容器(60)存储与该放大器的偏移和闪烁噪声相对应的电压；该驱动晶体管的栅极在这个第一时钟相位中被预先充电至参考电压。在第二时钟相位中，从施加到该放大器输入端的参考电压中减去电容器(60)的采样电压，以便根据该采样噪声调整该LED驱动。将信号从发送器通道(80)转发到接收通道(85)中的噪声/纹波消除器(90)，用以从接收到的信号消除发送器噪声。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2015年10月2日提交的临时申请序列号62/236,589的优先权，其通过引用结合在此。关于联邦政府赞助的研究或开发的声明不适用。
本专利技术是在用于驱动发光二极管(LED)的电路系统的领域中。实施例更具体地针对光电体积描记(PPG)系统的发送器中的LED驱动器电路系统。
技术介绍
光电体积描记(PPG)是已经证明可用在人体中的心血管功能的测量的现代技术。根据这项技术，将发光二极管(LED)的固定波长的光发射到受试人的皮肤中，并且在传输穿过皮肤以及下面的组织之后被光电二极管(PD)感测。感测到的光的特性允许测量医学参数，如氧合作用、脉搏率、呼吸功能等等。常规的PPG传感器包括熟知的脉动血氧计，例如夹在患者的手指上的类型。脉动血氧计通常由在两种不同波长下对真皮中和皮下组织中的光的吸收进行的比较来测量循环血液的血氧饱和度。所谓的“可穿戴”装置，如心率传感器，也使用这项技术，但是只需要测量单一波长下的光吸收。图1总体上示出了常规的PPG系统的架构。在这个系统中，发送器3包括LED2，通过Vdd电源电压对其阳极加偏压，并且其阴极经由LED驱动器4与接地耦合。如上所述，PPG脉动血氧计将包括以时分复用的方式进行工作的多个LED2(如红色和红外)。当通过LED驱动器4进行正向偏压时，LED2发出光进入患者体内，例如患者的食指。接收器7包括光电二极管6，其阴极在Vdd电源电压下进行偏压，并且其阳极连接至放大器8的输入端，并且其通常是反向偏压的，以便撞击光电二极管6的光子会产生放大器8可检测到的电流。以此方式，光电二极管6感测到LED2发出的光传输穿过该受试者的程度。放大器8的输出被转发到所需的该PPG系统的处理和分析电路系统，用以确定所需的医学测量，如患者血液的氧合作用。任何PPG系统准确并精确地测量感兴趣的参数的能力都是基于整个系统的信噪比(SNR)，同时考虑其发送器和接收器两者。例如，已经观察到，用于包括穿过患者组织的传输通道整个PPG系统的至少约30dB的SNR是必需的，用以测量脉搏率至1每分钟心搏次数(bpm)的精确度。在实践中的一个复杂因素是，该系统SNR取决于患者的灌注指数，如图2所示。灌注指数是由脉动性血流引起的AC信号与穿过患者的周围组织的光信号的DC背景电平的比值，并且在很大程度上取决于患者的健康和身体状况。如此，对于图1的PPG系统，灌注指数反映在接收到的光的AC脉冲相对于其DC电平的振幅(例如，如由放大器8进行输出)中。如图2所示，该系统SNR以较高的灌注指数值增加。相反地，如果PPG系统的SNR能够增加，该系统能够在更广泛的患者中测量脉搏率以及血氧合作用，尤其是健康不佳且因而具有较低灌注指数的患者。图2显示了两个SNR对灌注指数的曲线图9a、9b。曲线图9a显示了在发送器SNR是95dB的情况下的系统(发送-通道-接收)SNR与灌注指数的关系；如本领域已知的，为了达到所需的系统SNR，发送器和接收器的SNR必须都高于所需的系统SNR。在此发送SNR下，PPG系统能够测量脉搏率，只对表现出灌注指数至少是约0.06的患者达到一bpm的精确度。与此作为对比，曲线图9b显示，如果发送器能够在110dB的SNR下工作，能够对于灌注指数值低至约0.01的患者进行误差为1bpm的脉搏率测量。因此，PPG系统的发送器中的噪声是涵盖了范围广泛的患者的关键因素。所谓的“可穿戴的”电子装置，如健康监测装置，近来已经变得很大众化。除了健康监控装置以外，可穿戴的医学监测装置预期可用于健康护理，例如用以对患有医疗状况的患者的恢复或进展进行监测。如此，希望使用PPG通过可穿戴的装置(尤其是能够整天穿戴的装置)以获得氧合作用、脉搏率以及其他测量。在此背景下，电池寿命变成了关键性能。就这一点而言，电池供电的系统(如可穿戴装置)中的发送器的重要电参数是LED驱动器的“净空(headroom)”。如本领域技术人员所熟知的，希望的是，电池供电的系统在低电源电压下工作，用以降低能耗并减少电池本身的成本。在图1的发送器3中，在其工作状态下LED2两端的电压降是由其材料限定的。在图1中显示为Vhead的净空，是LED驱动器4超过LED电压降所需的电压。相反地，最小Vdd电源电压是LED2两端的电压降与LED驱动器4的净空Vhead之和。对于电池供电的系统，因此，希望的是，LED驱动器4需要的净空Vhead是最小化的，尤其是考虑到常规电池的输出电压趋于随着时间的推移而下降。如上所述，希望的是使PPG系统中的能耗最小化，尤其是用于“全天，，使用的电池供电的可穿戴的装置中的能耗。发送器3中的LED驱动器4的占空比控制是降低系统能耗的通用方法。因此希望LED驱动器4表现出快速切换以及快速稳定时间，以便能够尽可能地降低“导通”脉宽并且因此使功耗最小化。图3a到图3c显示了用于PPG系统的常规LED驱动器的实例。图3a的电路是典型的LED驱动器电路的一个实例，例如如上所述在PPG系统中使用的LED驱动器电路。在这个电路中，LED10的阳极在Vdd电源电压下，并且其阴极连接至上升时间控制n沟道MOS晶体管12的漏极。晶体管12的源极连接至n沟道驱动晶体管14的漏极，其经由可变电阻器16连接至接地。电阻器16操作用以采用通常由数字模拟转换器(DAC)设置的电阻来控制穿过LED10和晶体管12的电流消耗。晶体管12的栅极从上升时间控制器13接收控制电压，其是可调节电路块，该可调节电路块控制晶体管12的导通而用以获得LED10的导通和关断特征中所需的上升和下降时间。放大器18在其非反相(正)输入端处接收参考电压VREF，并且在其反相(负)输入端处接收来自晶体管14的源极的反馈电压。向驱动晶体管14的栅极施加来自放大器18的输出电压VGATE。根据这种安排，放大器18运行以驱动在驱动晶体管14处的栅电压VGATE，以便驱动晶体管14的源节点的参考电压VREF。对参考电压VREF进行调制，用以对LED10进行选择性的正向偏压。图3a的LED驱动器电路提供了PPG系统中的某些优点。具体地，可变电阻器16趋于降低此电路中的发送器噪声，并且此电路显示的纹波也是相当低的。然而，已经观察到这种配置易受来自放大器16的显著的输入闪烁噪声的损害，其降低发送器的性能。此LED驱动器的稳定时间也是相当慢的，是由放大器18的带宽引起的。另外，图3a的LED驱动器不利于在低电压、电池供电的应用中实现，因为其较大的净空电压，具体地是晶体管12和晶体管14的漏源过驱动电压与电阻器16两端的电压降相加的总和。图3b示出了可用于PPG系统的具有非常低的净空要求的常规LED驱动器。在这个电路中，电源20通过电感器22向LED10施加Vdd偏压。n沟道驱动晶体管26的源漏路径在电感器22与接地之间与LED10并联连接。晶体管26的栅极接收脉宽调制器(PWM)24的输出。在“关闭”脉冲过程中，晶体管26将通过电感器22的电感器电流分流至接地；在“导通”脉冲过程中，Vdd电源电压对LED10进行正向偏压，以便该电感器电流通过LED10传导至接地。图3b示出了在来自PWM24的脉冲序列上的通过LED10的输出电流Iou本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于发光二极管即LED的驱动电路，包括；驱动晶体管，其具有源极、漏极和栅极，该驱动晶体管的源漏路径与电源电压与接地节点之间的LED串联耦合；第一开关，其在该LED与该驱动晶体管的源漏路径之间耦合；放大器，其具有非反相输入端和反相输入端，并且具有与该驱动晶体管的栅极耦合的输出端；第一电容器，其具有位于采样节点处的第一板和与该放大器的非反相输入端连接的第二板；第二开关，其连接在该驱动晶体管的源极与该放大器的反相输入端之间；第三开关，其连接在参考电压输入端与该采样节点之间；第四开关，其连接在参考电压输入端与该放大器的非反相输入端之间；第五开关，其连接在该放大器的输出端与该采样节点之间；第六开关，其连接在该放大器的输出端与该采样节点之间；以及时序控制电路系统，其用于生成第一时钟相位和第二时钟相位；其中，该第四开关、第五开关和第六开关被耦合用以接收该第一时钟相位，并且在该第一时钟相位期间闭合；并且其中，该第四开关、第五开关和第六开关被耦合用以接收该第一时钟相位，并且在该第一时钟相位期间闭合。

【技术特征摘要】
2015.10.02 US 62/236,589;2016.04.18 US 15/131,8311.一种用于发光二极管即LED的驱动电路，包括；驱动晶体管，其具有源极、漏极和栅极，该驱动晶体管的源漏路径与电源电压与接地节点之间的LED串联耦合；第一开关，其在该LED与该驱动晶体管的源漏路径之间耦合；放大器，其具有非反相输入端和反相输入端，并且具有与该驱动晶体管的栅极耦合的输出端；第一电容器，其具有位于采样节点处的第一板和与该放大器的非反相输入端连接的第二板；第二开关，其连接在该驱动晶体管的源极与该放大器的反相输入端之间；第三开关，其连接在参考电压输入端与该采样节点之间；第四开关，其连接在参考电压输入端与该放大器的非反相输入端之间；第五开关，其连接在该放大器的输出端与该采样节点之间；第六开关，其连接在该放大器的输出端与该采样节点之间；以及时序控制电路系统，其用于生成第一时钟相位和第二时钟相位；其中，该第四开关、第五开关和第六开关被耦合用以接收该第一时钟相位，并且在该第一时钟相位期间闭合；并且其中，该第四开关、第五开关和第六开关被耦合用以接收该第一时钟相位，并且在该第一时钟相位期间闭合。2.如权利要求1所述的驱动电路，还包括：可变电阻器，其连接在该驱动晶体管的源极与该接地节点之间；以及数字模拟转换器即DAC，其被耦合以控制该可变电阻器的电阻。3.如权利要求2所述的驱动电路，其中，该驱动晶体管具有与该接地节点耦合的主体节点，在该放大器的输出端与该接地节点之间建立栅极到主体节点的电容。4.如权利要求1所述的驱动电路，还包括：第二电容器，其在该参考电压输入端与该接地节点之间耦合。5.一种光电体积描记系统的发送器中的发光二极管即LED的驱动方法，包括以下步骤：在第一时钟相位中：断开位于该LED与驱动晶体管的源漏路径之间的第一开关，该LED与该源漏路径在电源电压与接地节点之间串联耦合；以单位增益模式连接运算放大器；将参考电压耦合至放大器的非反相输入端，该放大器具有与该驱动晶体管的栅极耦合的输出端；并且将采样电容器连接在该放大器的输出端与非反相输入端之间，用以存储噪声电压；在第二时钟相位中：将该驱动晶体管的源节点与该放大器的反相输入端耦合；向该放大器的非反相输入端施加与参考电压减去噪声电压相应的电压；以及闭合该第一开关，用以对该LED进行正向偏压。6.如权利要求5所述的方法，还包括：在该第一时钟相位中，将该驱动晶体管的栅极预先充电至该参考电压。7.如权利要求5所述的方法，还包括：控制由该LED和该驱动晶体管在该第二时钟相位中传导的电流电平。8.如权利要求7所述的方法，其中，控制步骤包括：在该LED的串联路径和该驱动晶体管的源漏路径中设定可变电阻器的电阻。9.一种光电体积描记系统，包括：发送...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·波利，A·沙玛，S·拉马斯瓦米，S·纳拉亚南，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US