用于血氧检测的具有高动态范围的光频转换器设计

摘要

光频转换器，简称LFC(Light to Frequency Converter)，是用来检测光照强度，输出频率信号的传感器。具有高动态范围线性响应的光频传感器是现代医疗电子系统的一个关键组成部分。例如，在血氧检测仪中，必须采用对光波长在660纳米和940纳米都敏感的光频转换器，实现高动态范围和高稳定性是设计光频转换的主要难点。具有低成本和高性能的光频传感器，在医疗电子领域备受关注。
　　本文提出了一种集成光电二极管的高线性动态范围光频转换器，整个系统主要包括光电二极管阵列，带隙基准，电流检测电路和脉冲频率产生四个模块。最先分析了用于血氧仪的光频转换器的工作原理和性能指标，只有抑制光电二极管的暗电流才可能达到高动态范围和高稳定性。本文设计的高性能光频转换器主要由以下三种技术来实现，首先，N阱/P衬底光电二极管被调节到几乎为零的反偏电压，以便在低光照时尽量抑制依赖反偏电压的暗电流。其次，复制了一个运放来监控原运放的失调电压，避免工艺-电压-温度（PVT）的变化对运放失调电压的影响，保证光电二极管的反偏电压为0。最后是采用对工艺-电压-温度变化不敏感的延迟电路来设计脉冲频率调制模块，保证输出频率的线性度和稳定性。
　　本文所提出的光频转换器芯片是使用0.35-μm2P3M非外延CMOS工艺流片，芯片核心面积约为0.85mm2。芯片实测结果显示，本文所设计的光频转换器提供高达126dB的线性检测范围，在光照低至0.5nW/cm2，温度高达125℃时输出频率仅有0.4Hz，和目前的工业级产品对比，提高了50倍的暗电流抑制能力。电源电压从2.5V到5.5V变化，对输出频率仅造成±1％的波动。在性能上该光频传感器完全满足高精度的血氧检测仪的要求。

目录

1 绪论

1.1研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要工作和结构

2 光频转换器的基本理论

2.1血氧仪工作原理

2.2 光频转换器工作原理

2.3 光频转换器设计指标

3 光频转换器电路设计

3.1 光电流检测电路设计

3.2 直流偏置电路设计

3.3 运算放大器设计

4 光频转换芯片后端设计

4.1 版图设计步骤

4.2 版图优化

4.3 版图验证和后仿真

5 光频转换芯片测试

5.1 芯片流片封装

5.2 芯片测试

5.3 实验结果总结及讨论

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 未来研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文：

B. 作者在攻读学位期间发表的专利：

C. 作者在攻读学位期间获奖经历：