研究目的
开发一种单片集成光频转换器，在可穿戴设备的血氧饱和度（SpO2）检测中平衡低功耗与快速跟踪速度的需求，通过基于光强的自适应功率调节来解决这两项特性之间的矛盾。
研究成果
所提出的光频转换器成功实现了低功耗（可在1.9毫安至0.7毫安范围内调节）和快速追踪（两个输出周期内完成），适用于血氧饱和度检测。模拟域的自适应功率调节技术能在不增加噪声的情况下降低功耗，使其适合可穿戴设备使用。测量结果证实其性能与行业标准相当，不过改进信号处理算法可提升低灌注条件下的检测精度。
研究不足
该传感器在极低灌注指数条件下（例如低脉率时可能出现高达14%的偏差）可能显示血氧饱和度测量偏差。正常使用无需校准，但低灌注应用可能需要校准。该设计依赖特定CMOS技术（0.35微米），这可能限制向更先进制程扩展的可能性。
1：实验设计与方法选择：
该设计采用开关电容积分器方案，结合自适应偏置电流缩放技术。生成与光强正相关的（LIPC）控制电压以动态调节放大器偏置电流，在低光照条件下降低功耗且不引入开关噪声。芯片采用0.35微米CMOS工艺制造。
2：35微米CMOS工艺制造。 样本选择与数据来源：
2. 样本选择与数据来源：光电探测器由7×7 N阱-P衬底光电二极管阵列构成。使用Keysight示波器MSO9254A和LED光积分球进行噪声与性能评估测量。血氧仪系统测试以Fluke Index2血氧模拟器作为黄金标准。
3：实验设备与材料清单：
设备包括Keysight MSO9254A示波器、LED光积分球、Fluke Index2血氧模拟器、STM32F103微控制器及多种光源（660纳米红光与960纳米红外LED）。材料包含制造的CMOS芯片、光电二极管阵列及带隙基准、LDO等外围电路。
4：实验流程与操作步骤：
测试芯片在不同光照强度下的输出频率噪声、瞬态脉冲响应、电流消耗及动态范围。血氧仪系统中测量红光与红外光输出频率计算SpO2值，并与商用产品对比。
5：数据分析方法：
通过示波器测量频率与噪声数据，采用统计方法计算标准差与信噪比。SpO2精度通过与Fluke模拟器的偏差计算进行评估。
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microcontroller
STM32F103
STMicroelectronics
Used in the blood oximeter system for signal processing and driving LEDs.
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oximeter simulator
Index2
Fluke
Used as a gold standard for measuring blood oxygen concentration and pulse rate in system tests.
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oscilloscope
MSO9254A
Keysight
Used for measuring frequency noise and transient responses in the experiment.
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light-to-frequency converter
TSL237
Texas Advanced Optoelectronic Solutions (TAOS)
Reference industry product used for performance comparison in noise measurements.
-
light-to-frequency converter
TSL235R
Texas Advanced Optoelectronic Solutions (TAOS)
Reference product mentioned in comparisons.
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