一種適用于血氧飽和度檢測的電壓比較器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于血氧飽和度檢測的電壓比較器，包括依次連接的預放大級模塊A、正反饋判斷模塊B和輸出緩沖級模塊C；所述預放大級模塊A用于將兩個模擬輸入信號進行預放大處理；所述正反饋判斷模塊B用于對經過預放大級模塊A處理的信號進行比較判斷后輸出信號差；所述輸出緩沖級模塊C用于對所述信號差進行轉換，并輸出一個二進制信號。本發明采用全模擬電路，將采集并初步處理后的血氧信號與參考值比較，以實現自動增益控制，繼而檢測血氧飽和度。本發明在具有正確輸出邏輯的前提下，還具有精度高、功耗低、占用面積小等特點。
【專利說明】
一種適用于血氧飽和度檢測的電壓比較器
技術領域
[0001 ]本發明屬于模擬集成電路技術領域，更具體地，涉及一種適用于血氧飽和度檢測的電壓比較器。
【背景技術】
[0002]血氧飽和度是指血液中氧合血紅蛋白的容量占全部血紅蛋白容量的百分比，通過對血氧飽和度的檢測，能有效判斷人體生理狀態是否正常。由于不同人群在不同運動狀態下，其血氧飽和度都不盡相同，因此，血氧檢測的準確率是關注的重點。傳統的血氧飽和度檢測裝置雖然準確率高，但是佩戴不便，功耗較大，只適用于醫院，難以進入社區乃至家庭。基于此，可穿戴式血氧飽和度檢測裝置具有較好的開發價值和應用前景。
[0003]現有的可穿戴式血氧飽和度檢測裝置中，需要更多的硬件元器件和系統開銷，其功耗和體積都比較大，并且在血氧信號微弱時容易產生誤差，準確率不夠高，可靠性差。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種適用于血氧飽和度檢測的電壓比較器電路，旨在解決現有技術提供的可穿戴式血氧飽和度檢測裝置在血氧信號微弱時容易產生誤差，準確率不夠高，可靠性差的問題。
[0005]本發明提供了一種適用于血氧飽和度檢測的電壓比較器，包括依次連接的預放大級模塊A、正反饋判斷模塊B和輸出緩沖級模塊C;所述預放大級模塊A用于將兩個模擬輸入信號進行預放大處理;所述正反饋判斷模塊B用于對經過預放大級模塊A處理的信號進行比較判斷后輸出信號差;所述輸出緩沖級模塊C用于對所述信號差進行轉換，并輸出一個二進制信號。
[0006]更進一步地，所述預放大級模塊A包括:第一晶體管M1、第二晶體管M2、第三晶體管M3、第四晶體管M4、第五晶體管M5、第六晶體管M6和第七晶體管M7;所述第一晶體管Ml的源極和所述第三晶體管M3的源極連接后與電源VDD連接，所述第一晶體管Ml的漏極和所述第三晶體管M3的漏極連接后與M5的漏極連接，所述第三晶體管M3的柵極與漏極連接;所述第二晶體管M2的源極和所述第四晶體管M4的源極連接后與電源VDD連接，所述第二晶體管M2的漏極和所述第四晶體管M4的漏極連接后與所述第六晶體管M6的漏極連接，所述第四晶體管M4的柵極與漏極連接;所述第一晶體管Ml的柵極與第二晶體管M2的漏極連接，第二晶體管M2的柵極與所述第一晶體管Ml的漏極連接;所述第五晶體管M5的源極與第六晶體管M6的源極連接后再與第七晶體管M7的漏極連接，第七晶體管M7的源極接地;所述第六晶體管M6的柵極作為所述預放大級模塊A的正相輸入端，所述第五晶體管M5的柵極作為所述預放大級模塊A的反相輸入端，第五晶體管M5的漏極作為所述預放大級模塊A的正輸出端，第六晶體管M6的漏極作為所述預放大級模塊A的負輸出端。
[0007]更進一步地，所述第一晶體管M1、所述第二晶體管M2、所述第三晶體管M3和所述第四晶體管M4均PMOS管;所述第五晶體管M5、第六晶體管M6和第七晶體管M7均為NMOS管。
[0008]更進一步地，所述正反饋判斷模塊B包括:第八晶體管M8、第九晶體管M9、第十晶體管M10、第^^一晶體管M11、第十二晶體管M12、第十三晶體管M13和第十四晶體管M14;所述第八晶體管M8的源極和所述第九晶體管M9的源極連接后與電源VDD連接;所述第十晶體管MlO的漏極和所述第十二晶體管M12的漏極連接后與所述第八晶體管M8的漏極連接，所述第十晶體管MlO的源極和所述第十二晶體管M12的源極連接后與所述第十四晶體管M14的漏極連接，所述第十二晶體管M12的柵極與漏極連接;所述第十一晶體管Mll的漏極和所述第十三晶體管M13的漏極連接后與所述第九晶體管M9的漏極連接，所述第十一晶體管Ml I的源極和所述第十三晶體管M13的源極連接后與所述第十四晶體管M14的漏極連接，所述第十三晶體管M13的柵極與漏極連接;所述第十晶體管MlO的柵極與所述第十一晶體管Mll的漏極連接，所述第十一晶體管Mll的柵極與所述第十晶體管MlO的漏極連接;所述第十四晶體管M14的柵極與漏極連接，源極接地;所述第八晶體管M8的柵極作為所述正反饋判斷模塊B的正相輸入端，所述第九晶體管M9的柵極作為所述正反饋判斷模塊B的反相輸入端，第九晶體管M9的漏極作為所述正反饋判斷模塊B的正輸出端，第八晶體管M8的漏極作為所述正反饋判斷模塊B的負輸出2而。
[0009]更進一步地，所述第八晶體管M8和所述第九晶體管M9均為PMOS管;所述第十晶體管M10、所述第^^一晶體管Ml 1、所述第十二晶體管M12、所述第十三晶體管M13和所述第十四晶體管Ml 4均為NMOS管。
[0010]更進一步地，所述輸出緩沖級模塊C包括:第十五晶體管M15、第十六晶體管M16、第十七晶體管M17、第十八晶體管M18、第十九晶體管M19、第二十晶體管M20、第二十一晶體管M21、第二十二晶體管M22和第二十三晶體管M23;所述第十五晶體管M15的源極和所述第十六晶體管M16的源極連接后與電源VDD連接，所述第十五晶體管M15的漏極與所述第十七晶體管M17的漏極連接，所述第十六晶體管的漏極與所述第十八晶體管M18的漏極連接，所述第十五晶體管M15的柵極和所述第十六晶體管M16的柵極連接后與第十五晶體管M15的漏極連接;所述第十七晶體管M17的源極和所述第十八晶體管M18的源極連接后與所述第十九晶體管M19的漏極連接，第十九晶體管M19的源極接地;所述第二十晶體管M20的源極與電源VDD連接，所述第二十晶體管M20的漏極和所述第二十一晶體管M21的漏極連接，所述第二十晶體管M20的柵極和所述第二十一晶體管M21的柵極連接后與所述第十六晶體管M16的漏極連接，第二i^一晶體管M21的源極接地;所述第二十二晶體管M22的源極與電源VDD連接，所述第二十二晶體管M22的漏極和所述第二十三晶體管M23的漏極連接，所述第二十二晶體管M22的柵極和所述第二十三晶體管M23的柵極連接后與所述第二十晶體管M20的漏極連接，第二十三晶體管M23的源極接地;所述第十七晶體管M17的柵極作為所述輸出緩沖級模塊C的正相輸入端，所述第十八晶體管M18的柵極作為所述輸出緩沖級模塊C的反相輸入端，所述第二十三晶體管M23的漏極作為所述輸出緩沖級模塊C的輸出端。
[0011]更進一步地，所述第十五晶體管M15、所述第十六晶體管M16、所述第二十晶體管M20和所述第二十二晶體管M22均為PMOS管;所述第十七晶體管M17、所述第十八晶體管M18、所述第十九晶體管M19、所述第二 ^^一晶體管M21和所述第二十三晶體管M23均為NMOS管。
[0012]通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，由于通過多種方式來提高比較器的增益，能夠取得高精度的有益效果。這些提高比較器的增益方式包括以下幾點:預放大級中第一晶體管Ml的柵極與和第二晶體管M2的漏極連接，第二晶體管M2的柵極與和第一晶體管Ml的漏極連接，形成柵極交叉耦合的連接方式，構成正反饋結構，使增益有所提高;輸出緩沖級模塊中的差分運算放大器也起到了提高比較器增益的作用；最后的兩個級聯的推挽式CMOS單級放大器可以用作附加的增益級，進一步提高了增益。比較器的增益與精度的關系是密切相關的，精度隨著增益的提高而提高，因此本發明的精度最終高達lOOuV。本發明作為可穿戴式血氧飽和度檢測裝置中的一個重要環節，保證了檢測裝置在血氧信號微弱時也有很高的準確率。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明實施例提供的電路結構示意圖；
[0014]圖2是本發明實施例提供的預放大級原理圖；
[0015]圖3是本發明實施例提供的正反饋判斷級原理圖；
[0016]圖4是本發明實施例提供的輸出緩沖級原理圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0018]針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種適用于血氧飽和度檢測電壓比較器電路，它具有精度高、功耗低、占用面積小等特點，可用于可穿戴設備上。它的主要作用是將采集并初步處理后的血氧信號與參考值比較，以實現自動增益控制，繼而檢測血氧飽和度。
[0019]為實現上述目的，本發明提供了一種適用于血氧飽和度檢測的電壓比較器，包括依次連接的預放大級模塊A、正反饋判斷模塊B和輸出緩沖級模塊C;預放大級模塊A將兩個模擬輸入信號進行預放大處理后，再由正反饋判斷模塊B得到輸入信號差，最后通過輸出緩沖級模塊C完成雙端到單端的轉變，輸出比較得出的一個二進制信號，該二進制信號作為模擬前端的數字部分的輸入信號，它使得自動增益控制環路里的另一部分可控增益放大器的增益增大或減小，從而保證自動增益控制環路的輸出趨于一個穩定的值，便于后面的數字部分對血氧信號進行精確的檢測。
[0020]預放大級模塊A采用差分輸入雙端輸出的結構。第五晶體管M5和第六晶體管M6是差分輸入端;第三晶體管M3和第四晶體管M4是二極管連接的負載，這是是為獲取大帶寬而犧牲了增益，從而能迅速地驅動正反饋判斷級；但第一晶體管Ml的柵極與和第二晶體管M2的漏極連接，第二晶體管M2的柵極與和第一晶體管Ml的漏極連接，形成柵極交叉耦合的連接方式，構成正反饋結構，在不改變帶寬的條件下使增益有所提高;第七晶體管M7的柵極與固定偏置電壓Vb連接，為預放大級提供尾電流。
[0021]正反饋判斷級模塊B采用了同步的全差分正反饋結構。第八晶體管M8和第九晶體管M9構成差分輸入結構;第十二晶體管M12和第十三晶體管M13是二極管連接的負載;第十晶體管MlO和第十一晶Mll體管采用柵極交叉耦合的方式，實現正反饋，加速電路狀態的翻轉速度，改善輸入的分辨率精度，并進一步提高增益;二極管連接的第十四晶體管M14的主要作用是將判斷電路的輸出上拉。
[0022]輸出緩沖級模塊C由一個差分運算放大器和兩個級聯的CMOS反相器構成。第十七晶體管M17和第十八晶體管M18構成差分輸入結構;第十五晶體管M15和第十六晶體M16管構成電流鏡負載;與第七晶體管M7有相同固定偏置的第十九晶體管M19提供尾電流。差分運算放大器完成了從雙端到單端的轉變，并且通過提高尾電流和使用電流鏡的方法增大了比較器吸入和供出輸出電流的能力。第二十晶體管M20?第二十三晶體管M23組成兩個級聯的推挽式CMOS單級放大器，既可以用作附加的增益級，又實現了負載電容和運算放大器之間的隔離，在驅動大的容性負載時速度不受擺率的限制，提高了比較器驅動負載的能力。
[0023]與現有的技術相比，本發明實例所提供的電壓比較器，有益效果在于:為血氧飽和度檢測提供了一種精度高、功耗低、占用面積小的電壓比較器電路。
[0024]本發明提供了一種高性能的電壓比較器電路。下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實例進行進一步說明。
[0025]請參照附圖1，本發明實施例是采用了預放大鎖存比較器結構，預放大級模塊A將兩個模擬輸入信號進行預放大處理后，再由正反饋判斷模塊B得到輸入信號差，最后通過輸出緩沖級模塊C完成雙端到單端的轉變，輸出比較得出的一個二進制信號。
[0026]請參照附圖2，本發明實施例中的預放大級采用差分輸入雙端輸出結構。第一晶體管Ml?第四晶體管M4的源端均與電源電壓VDD相連;第一晶體管Ml的柵端與Vol-相連，漏端與Vol+相連;第二晶體管M2的柵端與Vol+相連，漏端與Vol-相連;第三晶體管M3的柵端和漏端都與Vol+相連;第四晶體管M4的柵端和漏端都與Vol-相連;第五晶體管M5的漏端與Vol+相連，柵端與參考電壓Vref相連，源端與NI相連;第六晶體管M6的漏端與Vol-相連，柵端與輸入被測電壓Vin相連，源端與NI相連;第七晶體管M7的漏端與NI相連，柵端與偏置電壓Vb相連，源端與地GND相連。
[0027]請參照附圖3，本發明實施例中的正反饋判斷級采用了同步的全差分正反饋結構。第八晶體管M8的源端與電源電壓VDD相連，柵端與Vol+相連，漏端與Vo2-相連;第九晶體管M9的源端與電源電壓VDD相連，柵端與Vol-相連，漏端與Vo2+相連;第十晶體管MlO的漏端與Vo2-相連，柵端與Vo2+相連;第^^一晶體管Ml I的漏端與Vo2+相連，柵端與Vo2_相連;第十二晶體管M12的漏端與柵端都與Vo2-相連;第十三晶體管M13的漏端與柵端都與Vo2+相連;第十晶體管MlO?第十三晶體管M13的源端均與N2相連;第十四晶體管M13的漏端和柵端都與N2相連，源端與地GND相連。
[0028]請參照附圖4，本發明實施例中的輸出緩沖級由一個差分運算放大器和兩個級聯的CMOS反相器構成。第十五晶體管M15的源端與電源電壓VDD相連，柵端和漏端都與N3相連；第十六晶體管M16的源端與VDD相連，柵端與N3相連，漏端與Vo3相連;第十七晶體管M17的漏端與N3相連，柵端與Vo2+相連，源端與N4相連;第十八晶體管M18的漏端與Vo3相連，柵端與Vo2-相連，源端與N4相連;第十九晶體管M19的漏端與N4相連，柵端與固定偏置電壓Vb相連，源端與地GND相連;第二十晶體管M20的源端與電源電壓VDD相連，柵端與Vo3相連，漏端與Vo4相連;第二 ^^一晶體管M21的漏端與Vo4相連，柵端與Vo3相連，源端與地GND相連;第二十二晶體管M22的源端與電源電壓VDD相連，柵端與Vo4相連，漏端與Vout相連;第二十三晶體管M23的漏端與Vout相連，柵端與Vo4相連，源端與地GND相連。
[0029]在本發明實施例的整體電路結構中，Vref為輸入參考電壓，Vin為輸入被測電壓，Vout為輸出邏輯電平。當Vin>Vref時，輸出Vout為邏輯高電平；當VirKVref時，輸出Vout為邏輯低電平。取電源電壓VDD = 3.3V，負載電容CL = 2pF，通過對各個晶體管尺寸的設定，經仿真驗證可知，本發明實施例的精度為10uV，輸入失調電壓為54uV，傳輸時延為6.6ns，靜態功耗最低可低至0.2uW，正常工作時整個電路的功耗大約是500uW。
[0030]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種適用于血氧飽和度檢測的電壓比較器，其特征在于，包括依次連接的預放大級模塊A、正反饋判斷模塊B和輸出緩沖級模塊C; 所述預放大級模塊A用于將兩個模擬輸入信號進行預放大處理； 所述正反饋判斷模塊B用于對經過預放大級模塊A處理的信號進行比較判斷后輸出信號差； 所述輸出緩沖級模塊C用于對所述信號差進行轉換，并輸出一個二進制信號。2.如權利要求1所述的電壓比較器，其特征在于，所述預放大級模塊A包括:第一晶體管Ml、第二晶體管M2、第三晶體管M3、第四晶體管M4、第五晶體管M5、第六晶體管M6和第七晶體管M7; 所述第一晶體管Ml的源極和所述第三晶體管M3的源極連接后與電源VDD連接，所述第一晶體管Ml的漏極和所述第三晶體管M3的漏極連接后與所述第五晶體管M5的漏極連接，所述第三晶體管M3的柵極與漏極連接； 所述第二晶體管M2的源極和所述第四晶體管M4的源極連接后與電源VDD連接，所述第二晶體管M2的漏極和所述第四晶體管M4的漏極連接后與所述第六晶體管M6的漏極連接，所述第四晶體管M4的柵極與漏極連接； 所述第一晶體管Ml的柵極與第二晶體管M2的漏極連接，第二晶體管M2的柵極與所述第一晶體管Ml的漏極連接； 所述第五晶體管M5的源極與第六晶體管M6的源極連接后再與第七晶體管M7的漏極連接，第七晶體管M7的源極接地； 所述第六晶體管M6的柵極作為所述預放大級模塊A的正相輸入端，所述第五晶體管M5的柵極作為所述預放大級模塊A的反相輸入端，第五晶體管M5的漏極作為所述預放大級模±夬八的正輸出端，第六晶體管M6的漏極作為所述預放大級模塊A的負輸出端。3.如權利要求2所述的電壓比較器，其特征在于，所述第一晶體管M1、所述第二晶體管M2、所述第三晶體管M3和所述第四晶體管M4均PMOS管;所述第五晶體管M5、第六晶體管M6和第七晶體管M7均為NMOS管。4.如權利要求1或2所述的電壓比較器，其特征在于，所述正反饋判斷模塊B包括:第八晶體管M8、第九晶體管M9、第十晶體管MlO、第^^一晶體管Ml 1、第十二晶體管M12、第十三晶體管M13和第十四晶體管M14; 所述第八晶體管M8的源極和所述第九晶體管M9的源極連接后與電源VDD連接； 所述第十晶體管MlO的漏極和所述第十二晶體管M12的漏極連接后與所述第八晶體管M8的漏極連接，所述第十晶體管MlO的源極和所述第十二晶體管M12的源極連接后與所述第十四晶體管M14的漏極連接，所述第十二晶體管M12的柵極與漏極連接； 所述第十一晶體管Mll的漏極和所述第十三晶體管M13的漏極連接后與所述第九晶體管M9的漏極連接，所述第十一晶體管Mll的源極和所述第十三晶體管M13的源極連接后與所述第十四晶體管M14的漏極連接，所述第十三晶體管M13的柵極與漏極連接； 所述第十晶體管MlO的柵極與所述第十一晶體管Mll的漏極連接，所述第十一晶體管Ml I的柵極與所述第十晶體管MlO的漏極連接； 所述第十四晶體管M14的柵極與漏極連接，源極接地； 所述第八晶體管M8的柵極作為所述正反饋判斷模塊B的正相輸入端，所述第九晶體管M9的柵極作為所述正反饋判斷模塊B的反相輸入端，第九晶體管M9的漏極作為所述正反饋判斷模塊B的正輸出端，第八晶體管M8的漏極作為所述正反饋判斷模塊B的負輸出端。5.如權利要求4所述的電壓比較器，其特征在于，所述第八晶體管M8和所述第九晶體管M9均為PMOS管;所述第十晶體管Ml O、所述第^^一晶體管Ml 1、所述第十二晶體管Ml 2、所述第十三晶體管M13和所述第十四晶體管M14均為NMOS管。6.如權利要求1-5任一項所述的電壓比較器，其特征在于，所述輸出緩沖級模塊C包括:第十五晶體管M15、第十六晶體管M16、第十七晶體管M17、第十八晶體管M18、第十九晶體管M19、第二十晶體管M20、第二 ^^一晶體管M21、第二十二晶體管M22和第二十三晶體管M23; 所述第十五晶體管M15的源極和所述第十六晶體管M16的源極連接后與電源VDD連接，所述第十五晶體管M15的漏極與所述第十七晶體管M17的漏極連接，所述第十六晶體管的漏極與所述第十八晶體管M18的漏極連接，所述第十五晶體管M15的柵極和所述第十六晶體管M16的柵極連接后與第十五晶體管M15的漏極連接； 所述第十七晶體管M17的源極和所述第十八晶體管M18的源極連接后與所述第十九晶體管M19的漏極連接，第十九晶體管M19的源極接地； 所述第二十晶體管M20的源極與電源VDD連接，所述第二十晶體管M20的漏極和所述第二十一晶體管M21的漏極連接，所述第二十晶體管M20的柵極和所述第二十一晶體管M21的柵極連接后與所述第十六晶體管M16的漏極連接，第二十一晶體管M21的源極接地； 所述第二十二晶體管M22的源極與電源VDD連接，所述第二十二晶體管M22的漏極和所述第二十三晶體管M23的漏極連接，所述第二十二晶體管M22的柵極和所述第二十三晶體管M23的柵極連接后與所述第二十晶體管M20的漏極連接，第二十三晶體管M23的源極接地；所述第十七晶體管M17的柵極作為所述輸出緩沖級模塊C的正相輸入端，所述第十八晶體管M18的柵極作為所述輸出緩沖級模塊C的反相輸入端，所述第二十三晶體管M23的漏極作為所述輸出緩沖級模塊C的輸出端。7.如權利要求6所述的電壓比較器，其特征在于，所述第十五晶體管M15、所述第十六晶體管M16、所述第二十晶體管M20和所述第二十二晶體管M22均為PMOS管;所述第十七晶體管M17、所述第十八晶體管M18、所述第十九晶體管M19、所述第二十一晶體管M21和所述第二十三晶體管M23均為NMOS管。
【文檔編號】A61B5/145GK105958983SQ201610259339
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】鄭朝霞, 鄒雪城, 玉冬, 鄭剛, 蔣潘婷, 曾小剛, 劉政林
【申請人】華中科技大學