0 引言

    近年來，集成電路在醫學領域的應用越來越常見^[1]，特別是在微型化的可穿戴式醫療系統中，用于實時監測人體的重要生理參數，以達到預防高血壓、心臟病等重大疾病的目的。光電容積脈搏波（PPG）是人體重要生理信號之一，基于PPG信號的檢測，可以得到血氧、無袖帶血壓以及心率^[2]等生理信息，因此被廣泛關注。

    發光二極管發光照射皮膚表面，發生透射或反射，進而被光電接收器接收，皮膚、肌肉等部分對光的吸收在整個血液循環中保持恒定不變，而皮膚內血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，使光電接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化，當此脈動的光信號轉換成的脈動的電信號，便可反映容積脈搏波血流的變化，即光電容積脈搏波^[3]。研究用于PPG信號處理集成電路的設計方法，在不影響人們日常生活的情況下監測人體重要生命信息，不僅對重大疾病的預防、疾病的監控具有重要的實際意義，而且對于集成電路本身，也是其理論和設計方法在低頻率、微弱信號領域的完善過程。

    在設計用于PPG信號處理的集成電路時必須考慮以下幾個問題：首先，來自于光電接收器的信號由一個幅度很小的交流分量和一個幅度很大的直流分量構成，比值在0.001-001 5之間^[2，4]。由于幅度差別過大，兩部分不能同時被處理，因為較大的直流分量會令放大器飽和。為解決這個問題，可以去除直流分量，或者將直流、交流分離。第二，與電路部分相比，發光二極管（LED）部分占系統功耗的大部分，因此只追求電路部分低功耗，不能對系統功耗有很大改善。因此，為降低系統功耗，LED將由脈沖驅動，這需要與光電接收器連接的前端處理電路具備處理脈沖信號的能力。第三，PPG信號的頻率范圍在0.5-16 Hz之間，實現其處理電路的全集成化是一個很大的挑戰。

    PPG信號的交流分量包含很多信息，因此，許多研究中抑制掉直流分量，只保留交流分量，例如近紅外心率測量芯片^[2]、帶直流抑制結構的PPG信號前端處理電路^[4-6]等。另外，PPG的直流分量對于生理參數的監測也具有重要意義，例如血氧飽和度的檢測。所以，本文在直流抑制結構的基礎上，設計了新的電路結構，可以分別得到光電容積脈搏波信號的直流、交流部分。基于此PPG信號處理集成電路，可以得到心率、血壓、血氧等重要生理信息，可以廣泛應用于穿戴式多生理參數檢測系統中。

1 電路結構

    文章提出的光電容積脈搏波信號前端處理電路的整體結構如圖1所示，包括直流、交流分離電路，直流分量讀出電路，低通濾波器和矩形波發生電路。

1.1 直流交流分離電路

    直流、交流分離電路由跨阻放大器、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、采樣保持電路和反饋環路中的特殊積分電路構成，如圖2(b)所示。電路工作方式為：(1)跨阻放大器將輸入電流轉化為電壓，此電壓將被反饋環路中的積分電路以極低的截止頻率低通濾波，得到接近直流的信號，使得MOSFET M中的電流頻率也接近直流。這樣，輸入信號的直流分量從M流走，直流交流分量分離。(2)當輸入信號變化時，積分電路也將提供給M變化的柵電壓，從而實現直流、交流分量的動態分離。

    反饋環路中的積分電路采用4個串聯的MOS-Bipolar器件^[7-8]作為高阻值電阻(阻值大于10¹⁰ Ω)，從而使得積分電路的截止頻率達到接近直流的10^-6 Hz。積分電路傳輸函數可以表示為：

    其中，R_eq是MOS-Bipolar器件的等效電阻，A_I是放大器的增益。

    帶反饋環路的跨阻放大器的傳輸函數為：

    另外，在本文中LED采用脈沖控制，這樣可降低功耗的同時也在光電接收器中產生了脈沖電流。但是，為了將光電容積脈搏波信號的直流與交流分量準確分開^[4]，需要連續信號，所以加入了采樣保持電路來得到連續信號。

1.2 直流分量讀出電路

    直流分量讀出電路包括電流檢測單元和跨阻放大器，如圖2(a)所示。MOS管M′與M有相同的寬長比，將復制M的電流。共源共柵電流鏡用來更準確地復制電流，并且將電流輸入至跨阻放大器，從而將電流信號轉換為電壓信號。跨阻放大器電阻的選擇需要考慮到既要避免放大器飽和又要得到足夠的增益。

1.3 低通濾波器

    在將光電容積脈搏波信號的直流、交流分量分離后，交流分量將通過低通濾波器讀出。低通濾波器采用R-MOS-C結構^[2]，如圖3所示，它的傳輸函數表示為：

    其中，R_a是Ma的等效電阻，濾波器的增益由R₂/R₁決定，M_a和M_b作為等效的大阻值可變電阻，濾波器的截止頻率可以通過改變M_a的柵電壓V_a進行調節，而M_b的柵電壓V_b不會對濾波器的交流特性產生影響，只是影響直流工作點。

1.4 矩形波產生電路

    矩形波產生電路如圖4所示，包括一個施密特觸發器、一個PMOSFET、一個NMOSFET和一個電容。MOS管作為大阻值電阻來降低芯片面積。根據施密特觸發器的傳輸特性，在初始狀態V_C=0，V_out=V_DD。C首先通過M_P充電直至V_C=V_T+，V_out=0，通過M_N放電直至V_C=V_T-，V_out=V_DD。

    當增加M_N的柵電壓(V_N)時，M_N的電流增加，放電時間減少；當增加MP的柵電壓(V_P)時，M_P的電流減小，充電時間增加。從而可以通過改變V_N和V_P來調節所產生的脈沖信號的占空比。

    基于圖4所示的電路，可以得到用于單路光電容積脈搏波信號采集或血氧飽和度測量的控制脈沖信號，如圖5和圖6所示。在血氧飽和度測量中，需要采集在紅外/紅光下的兩路光電容積脈搏波信號，用兩路不重疊的脈沖信號控制。S_S/H表示圖2中采樣保持電路的控制脈沖信號，S_LED表示LED的控制脈沖信號。

2 仿真結果

    兩個及四個MOS-Bipolar器件的電流-電壓特性曲線如圖7所示，可見，此器件具有很大的等效電阻(10¹⁰-10¹¹)。并且根據仿真及分析結果，不同寬長比的MOS-Bipolar器件的等效電阻隨著寬長比的增加而增加。

    低通濾波器在不同V_a下的幅頻響應曲線如圖8所示，可以看到，可以通過改變V_a來調節濾波器的截止頻率。此外，同樣的方法進行仿真及分析，V_b不影響交流特性而只影響直流工作點。

    加入濾波器后的輸出電壓幅頻響應曲線如圖9所示，對于不同的輸入電流直流值，高通截止頻率及增益為0.07～0.7 Hz及124～124.4 dB。高通截止頻率會略微受到輸入電流的影響，因為ω_HP=g_MR_F/R_eqC_I，g_M=[2I_DSC_OXu_p(W/L)_M]^1/2。但是，由于光電容積脈搏波信號也是在一定范圍內變化，對于不同人，也會有所不同，所以只需要保證高通截止頻率稍低于最低信號頻率即可。

    對于矩形波發生電路，仿真得到矩形波的低電平及高電平寬度隨V_N及V_P變化的曲線如圖10、圖11所示。可以看到，當V_N為0～0.5 V時，低電平寬度0.45 s～7.4 μs，當V_P為2.7～3.3 V時，高電平寬度0.96 μs～0.45 s。通過調節V_P及V_N，信號頻率變化范圍為1.1 Hz～119.6 kHz，占空比變化范圍為2.13×10^-6～0.99。

3 結論

    本論文提出了一種新的用于光電容積脈搏波信號處理的集成電路結構，可以將光電容積脈搏波信號的直流、交流成分分開。該結構將應用于基于光電容積脈搏波信號處理的可穿戴式多生理參數檢測中，例如血氧飽和度、心率、血壓等。不僅具有重要的實際應用價值，也對于集成電路設計理論的完善具有參考價值。

參考文獻

[1] LI Y，POON C C Y，ZHANG Y T.Analog integrated circuits design for processing physiological signals[J].Reviews in Biomedical Engineering，2010(3)：93-105.

[2] WONG A K Y，PUN K P，ZHANG Y T，et al.A nearinfrared heart rate measurement ic with very low cutoff frequency using current steering technique[J].Circuits and Systems I，2005，52(12)：2642-2647.

[3] 羅志昌，張松，楊益民.脈搏波的工程分析與臨床應用[M].北京：科學出版社，2006.

[4] WONG A K Y，PUN K P，ZHANG Y T，et al.A low-power CMOS front-end for photoplethysmographic signal acquisition with robust dc photocurrent rejection[J].Biomedical Circuits and Systems，2008，2(4)：280-288.

[5] WONG A K Y，LEUNG K N，PUN K P，et al.A 0.5 Hz highpass cutoff dual-loop transimpedance amplifier for wearable nir sensing device[J].Circuit and Systems Ⅱ，2010，57(7)：531-535.

[6] LI Y，WONG A K Y，ZHANG Y T.A fully-integrated transimpedance amplifier for photoplethysmographic signal processing with two-stage miller capacitance multiplier[J].Electronics Letters，2010，46(11)：745-746.

[7] DELBR?譈CK T，MEAD C A.Adaptive photoreceptor with wide dynamic range[C].Int.Sym.on Circuits and Systems.London：IEEE，1994.

[8] HARRISON R R，CHARLES C.A low-power low-noise CMOS amplifier for neural recording applications[J].Solid-State Circuits，2003，38(6)：958-965.