基于模拟电压模式比值计算电路的PPG采集系统血氧饱和度估计新方法

《IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement》：Analog-Based Ratio of Ratios Computation Circuit for Estimating SpO? in PPG Acquisition System

本文推荐一种用于光电容积脉搏波(PPG)采集系统的模拟比值计算电路，可有效解决可穿戴设备中数字信号处理器(DSP)功耗过高的问题。研究人员通过设计工作在亚阈值区的运算跨导放大器(OTA)和线性区MOSFET的混合结构，实现了仅2.216μW的超低功耗，在0.18-μm CMOS工艺下达到0.15μV/√Hz的输入参考噪声和4.27%的总谐波失真(THD)。该电路通过FPAA平台临床验证，与商用BioRadio设备相比误差小于1.5%，为远程医疗监测提供了高性能低功耗解决方案。

　　

随着可穿戴设备和医疗物联网(IoMT)技术的快速发展，远程健康监测已成为现代医疗的重要发展方向。光电容积脉搏波(PPG)作为一种成本低廉、易于获取的生物医学信号，被广泛应用于血氧饱和度(SpO₂)和心脏状况的监测。然而，传统基于数字信号处理器(DSP)的SpO₂计算方法存在功耗过高的问题，严重限制了可穿戴设备的电池续航能力。在这一背景下，研究人员开始探索在模拟域直接进行关键特征计算的创新方案。

本研究团队由Prabhat Kumar Barik、Ajishek Raj和Barathram Ramkumar组成，设计了一种创新的模拟比值计算电路，专门用于PPG信号中的SpO₂估计。该研究发表在《IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement》上，致力于解决可穿戴设备中功耗与性能之间的平衡难题。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先设计了基于电压模式除法器原理的模拟比值计算电路，核心采用工作在亚阈值区的OTA和线性区MOSFET组合结构；其次利用UMC 0.18-μm CMOS工艺实现电路设计，工作电压为±0.9V；然后通过FPAA平台进行临床验证，使用Physionet数据库信号和实时采集的PPG信号；最后与商用BioRadio设备进行性能对比验证。实验样本包括标准数据库信号和6名志愿者的实时信号，涵盖静坐、行走和跑步等多种活动状态。

电路拓扑设计与分析

研究团队提出的模拟电压模式除法器基于独特的OTA与MN1、MN2 MOSFET组合结构。当设置外部浮动电压V_F=V_TH（阈值电压）且满足V_O<<>₁,V₂的条件时，电路输出V_O=(G_m/K_n)(V₂/V₁)，实现了精确的电压除法运算。该设计的创新之处在于使OTA工作在亚阈值区，显著降低了功耗，同时利用线性区MOSFET提高了线性度。

噪声与线性度分析

噪声分析显示，电路的总输入参考噪声主要来源于热噪声和闪烁噪声。通过精心选择K_n、G_m、g_dsi和I_N2等参数，成功将输入参考噪声控制在0.15μV/√Hz。线性度分析采用蒙特卡洛方法，在不同工艺角(tt、ss、snfp、fnsp、ff)和温度条件(0°C-70°C)下进行验证，总谐波失真(THD)大多低于1%，仅在tt(27°C)角下为4.27%。

FPAA前端设计与实现

为验证电路功能，研究团队在AN231E04 FPAA平台上实现了完整的PPG采集系统。系统包含两个并行通道，分别处理550nm（绿光）和990nm（红外）LED信号。每个通道包含放大器、峰值检测器、谷值检测器和差分放大器，能够精确提取PPG信号的峰谷值特征。FPAA的可编程特性有效降低了工艺、电压和温度(PVT)变化的影响。

性能分析结果

后仿真结果表明，该电路在典型工作条件下功耗仅为2.216μW，带宽达400kHz，适用于PPG信号的低频特性(0-20Hz)。直流传输特性验证了电路在0.5V至1.75V输入范围内的除法功能，误差分析显示在大多数工作点误差低于2.5%，仅在极低输入电压时误差增大。

功能验证与临床测试

通过Physionet数据库信号和实时采集信号的测试，电路表现出优异的性能。SpO₂估计值与参考值之间的相关系数达0.96，确定系数R²为0.96。与商用BioRadio设备对比，误差小于1.5%，验证了临床应用的可靠性。针对tt(27°C)角下THD较高的情况，研究团队采用了点对点校准方法，确保了测量准确性。

本研究成功开发了一种适用于可穿戴PPG系统的低功耗模拟比值计算电路。该电路采用创新的亚阈值OTA和线性区MOSFET组合结构，在保持高性能的同时显著降低了功耗。与现有技术相比，其在功耗、噪声和线性度方面均表现出明显优势，为远程医疗监测设备的长续航运行提供了可行解决方案。未来，该电路架构还可扩展用于其他生理参数（如修正归一化脉搏体积mNVP和血压）的监测，具有广阔的临床应用前景。

研究的局限性主要在于FPAA平台无法完全实现弱反型区工作，未来可考虑在RASP 3.0 SoC FPAA板上进行进一步验证。此外，将完整系统（包括模拟前端）集成到片上系统(SoC)中并进行实际应用测试，将是下一步研究的重要方向。