降低 LED 噪声和失真以实现精确的脉搏血氧测定

脉搏血氧测定是一种测量血氧饱和度和脉搏的无创性方法，适用于医院患者、常规门诊、新生儿医疗护理和家庭健康监测。对于所有这些应用，精度都是至关重要的，但通常却难以实现，部分原因是 LED 信号的噪声过多和失真度太大。

在脉搏血氧测定中，所用的红外线和红光 LED 通常会穿透人体的半透明部位，一般是监测对象的手指和耳垂，婴儿则通常是双脚。这些光线通过人体部位进入光电二极管，由其捕捉所获光线的强度和其他特征。

3

图 1：患者将手指放在这种便携式脉搏血氧计的内部，以获取清晰的脉搏血氧水平和心率指示。（图片来源：Zacurate）

血氧饱和度是利用氧合血红蛋白 (HbO₂) 与还原血红蛋白 (Hb) 之比计算得出。为了测量脉搏，系统需要收集几个脉动血液波形样本。要精确测量这两个参数，LED 的信号必须具有低噪声和低失真。

本文将讨论典型脉搏血氧计的电子元件模块，然后介绍相应的 LED 驱动解决方案及其应用，目的是设计出低噪声、低失真的 LED 驱动电路。

脉搏血氧计电子元件

脉搏血氧计的主要电子元件模块是 LED 发射电路和光检测系统。典型脉搏血氧计的电子元件配置包括一对固定在指夹顶部的 LED，以及底部的光电探测器（图 2）。

3

图 2：在脉搏血氧计中，要实现精确的测量，必须从红光 (HbO₂) 和红外线 (Hb) 驱动电子元件获得低噪声、低失真的信号。（图片来源：Bonnie Baker）

在图 2 中，两个 LED 驱动器电路中的元件都是低噪声数模转换器 (DAC) 和紧随其后的 LED 放大器驱动器电路。红光和红外线 LED 交替发送从大电流到低电流的脉冲信号，从而产生两个穿透手指的脉冲宽度信号。这两个 LED 的驱动信号定时是偏置的，从而使接收光电探测器能够将两个信号彼此分离。这两个电流脉冲保持高电平有效的时间通常约为几百微秒。

红光和红外线 LED 的峰值波长分别为 660 nm (HbO₂) 和 940 nm (Hb)。之所以使用不同的波长，是因为 HbO₂ 和 Hb 具有不同的频谱响应。通过计算这两个值的比率，便可以估算血氧含量 (SpO₂) 的百分比。

跨阻或 I-V 光电二极管电路的元件包括运算放大器、模拟陷波滤波器和增益放大器。紧随增益放大器之后的是模数转换器 (ADC)，它将数字输出提供给 DSP 芯片。

LED 驱动器电路

脉搏血氧计电路的信号路径始于 LED 驱动器。单电源 LED 驱动器链包括电压基准 (U1)、数模转换器 (U3)、数模转换器输出缓冲器 (U4) 和晶体管电流源 (Q1)（图 3）。

3

图 3：脉搏血氧计系统的简化 LED 驱动器，带有光电二极管接收器（右侧）。（图片来源：Bonnie Baker，使用经过修改的 Analog Devices 资料）

电压基准 (U1) 适用于 16 位 DAC，并按照等式 1 来定义模拟输出电压值。

3

其中，D = DAC 寄存器，也就是十进制的数据字，N = DAC 位数。

例如，如果 U1 是 Analog Devices 的 ADR4525BRZ-R7 系列 2.5 伏特电压基准，U3 是 Analog Devices 的 AD5542AACPZ-REEL7 16 位串行 DAC，则等式 1 变成：

3

得出的 DAC 中位电压为 1.25 伏特，最低有效位 (LSB) 大小为 V_REF /(2^N) = 2.5/65,536 = 38.1 微伏 (µV)。

ADR4525 设计为高精度、低噪声（1.25 毫伏 (mV) p-p，0.1 Hz 至 10 Hz）的温度稳定型基准。该器件具有较低的输出电压温度系数（最大值 2 ppm/°C）和长期输出电压漂移（60˚C 温度下超过 1000 小时仍可保持 25 ppm），可确保系统随着时间推移和温度变化保持精度。ADR4525B 的初始室温误差最大值为 ±0.02%。

LED 驱动器噪声分析

在 LED 驱动器电路噪声分析中，16 位 DAC 可为周围器件的选择指引方向。换而言之，如果 DAC 分辨率为 12 位，则 LSB 大小为 601.35 mV，这会放宽电压基准和运算放大器的噪声要求。

但是，在 LED 驱动器电路中，近 DC 噪声和非线性度会影响 LED 亮度级别。产生近 DC 噪声源的原因包括：

• DAC 的积分和差分非线性度
• 电压基准的 1/f 噪声和放大器的 1/f 噪声
• 放大器的共模失真

这些噪声源值得我们重点研究。

DAC 的积分和差分非线性度：差分非线性度 (DNL) 是实际步长与 1 LSB 理想值之间的差。小于 –1 LSB 的 DNL 误差可能导致遗漏码。AD5542A 16 位 DAC 的差分误差介于大约 ±0.4 LSB 范围内（图 4）。

3

图 4：AD5542A 16 位 DAC 的差分非线性度和编码对照图显示，差分误差介于大约 ±0.4 LSB 范围内。（图片来源：Analog Devices）

积分非线性度 (INL) 误差是在测量的偏移和增益误差均清零的情况下，输出电压与理想转换曲线的相应输出电压的最大偏差。AD5542A 的 INL 误差介于大约 -0.6 LSB 至 0.25 LSB 范围内（图 5）。

3

图 5：AD5542A 的积分非线性度和编码对照图显示，积分非线性度误差介于大约 -0.6 至 +0.25 LSB 范围内。（图片来源：Analog Devices）

根据图 4 和图 5 的非线性度图，最大模拟噪声可能是最坏情况下的非线性度的三分之一（也就是 0.6 LSB），即等于：

3

1/f 电压基准和放大器噪声：1/f 噪声的频率范围为 0.1 Hz 至 10 Hz。电压基准 (U1) 和基准缓冲器 (U2) 直接馈入到 DAC (U3)。合并 U1 和 U2 的 1/f 噪声占比时，适合使用平方和求根 (RSS) 计算（等式 3）。

3

如果 U1 是 ADR4525 系列的 2.5 伏特电压基准，则 1/f 噪声为 1.25 mV_P-P。此外，U2 和 U4 各是 Analog Devices 的 ADA4500-2（10 MHz、14.5 nV/√Hz、轨至轨 I/O、零输入交越失真的运算放大器）的一半。对于 ADA4500-2，1/f 噪声为 2 mV_P-P。

使用等式 3，计算进入 DAC REFF 引脚的总 1/f 噪声为：

电压基准 (U1) 和缓冲放大器 (U2) 的噪声远小于 DAC 的 LSB 大小。

放大器的共模失真：U4 DAC 缓冲运算放大器的输入和输出摆幅覆盖了轨至轨范围。典型的轨至轨输入放大器使用两个差分对实现轨至轨输入摆幅。在共模范围的低端，底部的差分对有效，在共模范围的高端，另一个差分对有效。每个差分对都有自身的补偿电压。这种典型的互补双差分对导致了交越失真（图 6）。同样，放大器的补偿电压变化导致了 DAC 缓冲器的非线性（图 7）。

3

图 6：由于有两个输入差分对，补偿电压在共模输入电压范围内产生失真。（图片来源：Bonnie Baker）

3

图 7：具有两个差分输入结构的放大器输出缓冲器的 DAC 非线性度。（图片来源：Analog Devices）

图 7 显示了运算放大器的非线性度。当共模电压增加时，有效差分对从 P 型对变成 N 型对，导致交越失真。交越失真则导致从 +4 LSB 至 −15 LSB 的误差摆动。

但是，ADA4500-2 不是典型的放大器，因为它仅使用一个差分输入对来实现轨至轨输入摆动，因此不存在交越失真。它能做到这一点，是凭借在输入结构中使用正电压充电泵来实现完整的轨至轨输入摆动。

这种情况下还增加了另外一个优势，即可使用双运算放大器 ADA4500-2 的另一半来形成 DAC 缓冲放大器 (U4) 。正如上文所述，第一半用于 U2，也就是电压基准的缓冲放大器。

DAC (U3) 的输出阻抗是恒定的（通常为 6.25 kΩ），且不受编码的影响。输出缓冲器 (U4) 需要低输入偏置电流和高输入阻抗，以最大程度减小误差。这些要求使得 ADA5400-2 成为理想的选择，因为它具有室温下低至 2 皮安 (pA) 的输入偏置电流和较高的输入阻抗，而且在 -40˚C 至 125˚C 温度范围内的最高输入偏置电流仅为 190 pA。

噪声测量

这一完整 LED 驱动系统的目标噪声是小于 15 mV_P-P。根据规格书中具体规格，所选元件的噪声占比为：

• U3：DAC AD5542A：
  • 16 位 DAC
  • 0.134 μV_P-P
• U1：电压基准 ADR4525：
  • 2.5 伏特输出基准
  • 1.25 μV_P-P
• U2：放大器 ADA4500-2（基准缓冲器）：
  • 零共模交越失真
  • 2 μV_P-P
• U4：放大器 ADA4500-2（DAC 缓冲器）：2 μV_P-P
  • 零共模交越失真
  • 2 μV_P-P

规格书中所列的 U1 – U4 元件的 RSS 噪声为 3.1 mV_P-P。

此电路的实际噪声测量方法是：将增益为 10,000 V/V 的噪声测量盒与 0.1 Hz 至 10 Hz 滤波器结合使用（图 8）。

3

图 8：测量 0.1 Hz 至 10 Hz 噪声的测试设置，增益为 10,000。（图片来源：Analog Devices）

Analog Devices 提供的 EVAL-CN0370_PMDZ 评估套件可为电路（如图 3 所示）生成测量数据。在差分输入短接的情况下，测量盒的噪声输出和所连接电路的噪声分别为 7.81 mV_P-P（图 9）和 9.6 mV_P-P（图 10）。

3

图 9：输入至噪声测量盒短接的情况下，输出噪声的测量结果为 78.1 mV_P-P（或 7.81 μV_P-P，以输入为基准）。（图片来源：Analog Devices）

3

图 10：连接 Analog Devices 的 EVAL-CN0370-PMDZ 时，输出噪声的测量结果为 96 mV_P-P（或 9.6 μV_P-P，以输入为基准）。（图片来源：Analog Devices）

使用 RSS 公式组合来自两个系统的不相关噪声，结果如下：

驱动 LED 的噪声电流等于 5.58 mV_P-P 除以 124 Ω，即 45 nA_P-P。

3

图 11：EVAL-CN0370-PMDZ 电路评估板是完整的单电源、低噪声 LED 电流源驱动器，由 16 位 DAC 控制，采用 PMOD 外形尺寸。（图片来源：Analog Devices）

结语

在脉搏血氧计中，我们使用红外线和红光 LED 进行无创性血氧饱和度和脉搏测量。它们的作用是发出足够的光线来穿透患者的手指，根据在光电二极管上接收到的能量来测量 HbO₂ 与 Hb 的比率。

系统设计人员面临的挑战是确保 LED 由低噪声、低失真的电流驱动。正如文中所述，我们可以结合使用 16 位 DAC、1/f 区域内的低噪声器件以及具有零交越失真的轨至轨 LED 驱动器放大器来应对这种挑战。