用于血氧檢測的具有高動態(tài)范圍的光頻轉(zhuǎn)換器設計.pdf

1、光頻轉(zhuǎn)換器，簡稱LFC(Light to Frequency Converter)，是用來檢測光照強度，輸出頻率信號的傳感器。具有高動態(tài)范圍線性響應的光頻傳感器是現(xiàn)代醫(yī)療電子系統(tǒng)的一個關(guān)鍵組成部分。例如，在血氧檢測儀中，必須采用對光波長在660納米和940納米都敏感的光頻轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)高動態(tài)范圍和高穩(wěn)定性是設計光頻轉(zhuǎn)換的主要難點。具有低成本和高性能的光頻傳感器，在醫(yī)療電子領(lǐng)域備受關(guān)注。
　　本文提出了一種集成光電二極管的高線性動態(tài)范

2、圍光頻轉(zhuǎn)換器，整個系統(tǒng)主要包括光電二極管陣列，帶隙基準，電流檢測電路和脈沖頻率產(chǎn)生四個模塊。最先分析了用于血氧儀的光頻轉(zhuǎn)換器的工作原理和性能指標，只有抑制光電二極管的暗電流才可能達到高動態(tài)范圍和高穩(wěn)定性。本文設計的高性能光頻轉(zhuǎn)換器主要由以下三種技術(shù)來實現(xiàn)，首先，N阱/P襯底光電二極管被調(diào)節(jié)到幾乎為零的反偏電壓，以便在低光照時盡量抑制依賴反偏電壓的暗電流。其次，復制了一個運放來監(jiān)控原運放的失調(diào)電壓，避免工藝-電壓-溫度（PVT）的變化對運

3、放失調(diào)電壓的影響，保證光電二極管的反偏電壓為0。最后是采用對工藝-電壓-溫度變化不敏感的延遲電路來設計脈沖頻率調(diào)制模塊，保證輸出頻率的線性度和穩(wěn)定性。
　　本文所提出的光頻轉(zhuǎn)換器芯片是使用0.35-μm2P3M非外延CMOS工藝流片，芯片核心面積約為0.85mm2。芯片實測結(jié)果顯示，本文所設計的光頻轉(zhuǎn)換器提供高達126dB的線性檢測范圍，在光照低至0.5nW/cm2，溫度高達125℃時輸出頻率僅有0.4Hz，和目前的工業(yè)級產(chǎn)品對比