被配置为使用倾斜响应来点亮LED的匹配滤波器技术的制作方法

a.技术领域

本披露总体上涉及匹配滤波器，并且更具体地涉及led驱动器中的匹配滤波器。

b.

背景技术：

发光二极管(led)在各行业中具有广泛应用。与传统白炽光源相比，led具有多个优点，诸如更低能耗、更长寿命、改进的物理鲁棒性、更小尺寸、更低成本、以及更快的切换。

led已经广泛用于消费者电子产品、可穿戴电子产品或生物传感器，诸如脉搏血氧仪。非常重要的是，led以高功率效率操作，以便为具有有限能量存储的电池提供较长的使用寿命。

在心率和血氧(spo2)测量应用中，led驱动器消耗大量的功率。典型的脉搏血氧仪使用电子处理器和一对较小led来发射穿过用户身体的半透明部位(诸如，指尖、耳垂、或脚趾)的红光和/或红外光。并入在脉搏血氧仪内的光学传感器(如光电二极管)捕获透射光(未被吸收的)以用于分析。

典型的脉搏血氧仪的led模块通常使用矩形脉冲来驱动，所述矩形脉冲并不总是与同光电二极管相关联的滤波器的时间镜像脉冲响应相匹配。因此，血氧仪可能无法操作用于实现固定功率量的理论最大信噪比(snr)；发射形状和接收形状可能不匹配。

将期望使用优化的波形来驱动led以在有限的功率量下实现高snr。

技术实现要素：

本发明的实施例涉及一种使用期望波形来驱动led以获得高snr的匹配滤波器以及其实现方法。

在各实施例中，披露了一种电子设备，所述电子设备包括用于驱动led模块的匹配滤波器。所述匹配滤波器接收传入矩形脉冲并且输出调制驱动信号以驱动所述led模块。来自所述led的光学输出被诸如光电二极管等光学传感器捕获以用于分析。在实施例中，所述光学传感器包括用于降低所捕获信号的采样率和量化噪声的抽取滤波器。从所述匹配滤波器输出的调制驱动信号维持调制器与led电流之间的相关性并且近似于抽取滤波器的镜像脉冲响应。

在一些实施例中，所述抽取滤波器是三阶抽取滤波器并且因此具有二次脉冲响应。所述匹配滤波器是无源滤波器，所述无源滤波器能够将矩形脉冲调制成具有与二次脉冲响应很好近似的调制信号。所述匹配滤波器仅包括诸如电阻器和电容器等无源部件，并且因此易于实现。

在一些实施例中，匹配滤波器是高通电阻器-电容器(rc)滤波器，所述高通电阻器-电容器滤波器包括第一电阻器、第二电阻器和电容器。第一电阻器和第二电阻器两者都使一端接地并且另一端耦合至电容器。匹配滤波器在第一电阻器侧上接收矩形脉冲并且从第二电阻器侧输出调制信号。在实施例中，所述第二电阻器具有比所述第一电阻器高的电阻。此外，所述第二电阻器和所述电容器中的至少一者可调节或可编程以获得期望的调制信号。

在一些实施例中，可以通过以下操作实现期望的调制信号：合成期望数字波形、经由数字/模拟转换器(dac)将合成的数字波形转换成模拟信号、并且然后使用模拟信号驱动led模块。

对本披露的各种修改将根据详细描述、权利要求以及附图而变得明显。详细描述和具体示例旨在仅用于说明的目的并且并不旨在限制本披露的范围。

附图说明

将参照本发明的在附图中展示的示例性实施例。这些附图旨在为说明性的，而并非限制性的。尽管总体上在这些实施例的上下文中描述了本发明，但通过这样做不旨在将本发明的范围限制成所描绘或所描述的实施例的具体特征。

图1是根据本发明的各实施例的电子设备的框图。

图2是根据本发明的各个实施例的具有led模块的匹配滤波器的示意图。

图3是根据本发明的各个实施例的三阶脉冲响应与负指数的近似。

图4是根据本发明的各实施例的电子设备的替代性框图。

本领域技术人员将认识到可以根据说明书来实践本发明的各实施方式和实施例。所有这些实施方式和实施例都旨在被包括在本发明的范围内。

具体实施方式

在以下描述中，为了解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的理解。然而，本发明可以在不具有这些细节中的一些或全部的情况下进行实践。以下描述的本发明的实施例可以并入多个不同的电子部件、电路、设备和系统。在框图中示出的结构和设备是本发明的示例性实施例的展示，并不是用作由其模糊本发明的广泛教导的托辞。在图内的部件之间的连接不旨在局限于直接连接。而是，在部件之间的连接可以被中间部件修改、重新格式化或以其他方式改变。

当本说明书参照“一个实施例”或参照“实施例”时，旨在意味着，结合所讨论的实施例描述的具体特征、结构、特性或功能被包括在本发明的至少一个设想的实施例中。因此，短语“在一个实施例中”在本说明书中的不同地方出现并不构成对本发明的单个实施例的多个引用。

本发明的各实施例用于led驱动器的匹配滤波器以及其实现方法。匹配滤波器维持调制器与led电流之间的相关性，并且近似于led光感测电路内的抽取滤波器的镜像脉冲响应。

图1示出了根据本发明的各实施例的电子设备100的框图。电子设备100包括控制器110、匹配滤波器120、led模块130、光学传感器140、模数转换器(adc)150。电子设备100可以是便携式电子设备、可穿戴生物传感器，诸如可穿戴心跳传感器、spo2(外围毛细血管血氧饱和度)传感器等。在实施例中，电子设备100还可以是集成在智能电话或可穿戴设备内的补充。匹配滤波器120接收来自控制器110的驱动信号112并且输出调制驱动信号122以驱动led模块130，以便获得期望的led光132输出。诸如光电二极管等光学传感器140感测led光132并且输出电信号142以供adc150处理或分析。

adc150将电信号142转换成具有期望比特率和分辨率的数字信号。在实施例中，adc150可以实施用于模拟到数字转换的δ-σ(δσ)调制。adc150可以进一步并入诸如抽取滤波器152等抽取结构，以获得期望的信号处理性能。所述抽取是通过整数因子、有理数因子、或无理数因子来降低信号的采样率的过程。除了下采样并且因此降低时钟频率之外，抽取滤波器还执行移除带外信号和噪声。抽取滤波器可以是一阶、二阶、三阶、或甚至更高阶滤波器。在实施例中，抽取滤波器可以是sinc滤波器或级联积分梳状滤波器(cic)。

抽取滤波器具有取决于抽取滤波器的阶数的特定脉冲响应。例如，一阶滤波器脉冲响应具有矩形形状；二阶滤波器具有三角形(线性)脉冲响应；而三阶滤波器脉冲响应具有二次响应。对于功率效率，期望使led电流(因此led光)与抽取滤波器的时间镜像脉冲响应相匹配，以在固定功率量下获得或接近理论上的最大信噪比(snr)。

在实施例中，为了便于设计和实现，来自控制器110的驱动信号112是以期望或预定频率的方形矩形脉冲。匹配滤波器120接收方形矩形脉冲信号并且输出调制驱动信号122以驱动led模块130，以便获得期望的led光132输出。在实施例中，方形矩形脉冲信号可以是电流信号或电压信号。

图2是根据本发明的各个实施例的具有led模块的匹配滤波器的示意图。如图2中的实施例所示出的，匹配滤波器120是不包含有源部件的无源滤波器。在实施例中，无源滤波器是包括第一电阻器122、第二电阻器124和电容器126的高通电阻器-电容器(rc)滤波器。第一电阻器122和第二电阻器124两者都使一端接地并且另一端耦合至电容器126。匹配滤波器120在第一电阻器侧上接收矩形脉冲以进行初始衰减并且从第二电阻器侧输出调制信号。在实施例中，第二电阻器124具有比第一电阻器122高得多的电阻。此外，第一电阻器122、第二电阻器124和电容器126中的至少一者可变或可编程以获得期望的调制信号。

led模块130包括led134、运算放大器(oa)135、可控开关136、和可调电阻器137。oa135在正输入侧上接收来自匹配滤波器的调制信号并且输出用于控制开关136的控制信号，所述开关可以是具有栅极、漏极、和源极的金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)开关。开关136接收栅极上的控制信号122，以进行开/关控制。开关136还耦合至源极上的可调电阻器138。led134耦合在开关的漏极侧与电源vled之间。来自匹配滤波器的调制信号控制开关136并且还成形led的电流(或led光)。在实施例中，由升压转换器提供vled，使得led电压是可控的以便获得甚至更高性能或效率。

本领域的普通技术人员应当理解，led132可以是单个led或包括多个led的led串。led132可以是绿光led、红光led、红外led等。来自匹配滤波器的调制信号可以用于驱动一个或多个led驱动器。例如，生物传感器可以使用红光led和红外led两者并且测量在肢体中对红光和红外光的吸收。氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白之间吸收的差异使得计算成为可能。这些变体旨在被包括在本发明的范围内。

本领域的普通技术人员应当理解，图2仅是匹配滤波器和led模块的一个实施例。本领域技术人员将认识到的是，可以实践匹配滤波器和led模块的各种修改和实施例。所述修改可以包括滤波器的附加部件、不同可控开关等。所有这些实施方式和实施例都旨在被包括在本发明的范围内。

图3是根据本发明的各个实施例的三阶脉冲响应与负指数之间的模拟比较。如图3中示出的，线310表示三阶抽取滤波器的示例性二次脉冲响应，线320是rc衰减响应(exp(-t/τ)，其中，τ＝0.3623)，所述rc衰减响应非常近似于二次脉冲响应310。

使用rc衰减响应来近似三阶抽取脉冲响应实现了简单而有效的方法来在固定功率量的情况下提高snr，因此提高了功率效率，这对于可穿戴电子产品应用是非常有益的。rc衰减响应仅需要用于互补的无源部件(诸如，电阻器和电容器)，因此非常具有成本效益。

图4是根据本发明的各实施例的电子设备的替代性框图。图4中的实施例使用与图1中示出的实施例不同的方法来生成用于驱动led模块130的期望调制信号。合成器410根据光学传感器140和adc150(包括在adc150内使用的抽取滤波器)的规范来合成期望的数字波形412。然后经由数字/模拟转换器(dac)420将数字波形412转换成模拟信号422。模拟信号422然后驱动led模块以进行led光控制，从而获得期望的led光图案。

这种使用合成器的方法可能增加复杂性并且将消耗附加的功率。然而，其提供了用于驱动led模块的增强的灵活性，以便为不同的抽取滤波器配置提供可控的led光图案，从而实现最佳snr。因此，这种方法还可以应用于需要高灵活性和多样性的应用。

出于清晰和理解的目的，已经描述了对本发明的前述描述。并未旨在将本发明限制为所披露的确切形式。在本申请的范围和等同物内可以进行各种修改。意图是，在阅读本说明书和研究附图之后对本领域技术人员而言显而易见的所有排列、增强、等效物、组合以及对其的改进包括在本公开的真实精神和范围内。还应注意的是，可以不同地安排任何权利要求中的元素，包括具有多种相关性、配置和组合。