정확한 산소 포화도 측정을 위해 LED 잡음 및 왜곡 줄이기

산소 포화도 측정은 병원 환자, 일반 의사 방문, 신생아 치료 및 가정용 건강 모니터링을 위해 혈중 산소 포화도와 맥박수를 측정하는 비침습 방식입니다. 모든 응용 분야에서 정확도가 중요하지만 LED 신호의 과도한 잡음 및 왜곡으로 인해 정확한 측정이 어려운 경우가 있습니다.

산소 포화도 측정에 사용되는 적외선 LED와 빨간색 LED는 일반적으로 주체의 손가락, 귓불, 유아의 발 등 신체의 반투명한 부분을 통해 빛납니다. 빛이 광 다이오드를 통과할 때 광 다이오드에서 빛의 강도와 기타 특성을 캡처합니다.

그림 1: 정확한 산소 포화도와 심박 수를 얻기 위해 환자가 휴대용 산소 포화도 측정기 안에 손가락을 넣습니다. (이미지 출처: Zacurate)

혈중 산소 포화도는 산소를 공급받는 헤모글로빈(HbO₂)과 감소된 헤모글로빈(Hb)의 비율로 계산합니다. 맥박수 측정을 위해 시스템에서 다양한 혈액 파형 샘플을 채취합니다. 이 두 파라미터를 정확하게 측정하려면 LED 신호의 잡음과 왜곡이 모두 낮아야 합니다.

이 기사에서는 일반 산소 포화도 측정기의 전자 블록에 대해 설명한 후 저잡음, 저왜곡 LED 구동 회로의 설계에 적합한 LED 구동 솔루션과 해당 응용 분야를 소개합니다.

산소 포화도 측정기 전자 기기

산소 포화도 측정기의 기본 전자 블록은 LED 전송 회로망과 광 검출 시스템입니다. 일반 산소 포화도 측정기의 전자 기기는 손가락 장갑 위에 부착되는 LED 쌍과 하단의 광검출기로 구성됩니다(그림 2).

그림 2: 산소 포화도 측정기로 정확하게 측정하려면 빨간색(HbO₂) 및 IR(Hb) 구동 전자 기기의 신호 잡음과 왜곡이 낮아야 합니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

그림 2에서 두 LED 구동기 회로에는 저잡음 디지털 아날로그 컨버터(DAC)와 그 뒤에 LED 증폭기 구동기 회로가 있습니다. 빨간색 LED와 적외선(IR) LED는 교류 펄스 신호를 높은 전류 레벨에서 낮은 전류 레벨로 전송하여 손가락을 통과하는 두 펄스 폭 신호를 생성합니다. 수신 광검출기에서 신호를 구분할 수 있도록 두 LED에 대한 구동 신호의 타이밍이 오프셋됩니다. 일반적으로 이러한 전류 펄스가 High 활성 상태인 시간은 약 수백 마이크로초입니다.

빨간색 LED와 IR LED의 피크 파장은 각각 660nm(HbO₂) 및 940nm(Hb)입니다. HbO₂와 Hb는 스펙트럼 반응이 다르므로 서로 다른 파장이 사용됩니다. 이 두 값의 비율 계산을 통해 혈중 산소 함량(SpO₂)의 예상 비율을 구합니다.

트랜스 임피던스 또는 I-V 광 다이오드 회로의 소자는 연산 증폭기, 아날로그 노치 필터, 이득 증폭기로 구성됩니다. 이득 증폭기 뒤에는 DSP 칩에 디지털 출력을 제공하는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)가 있습니다.

LED 구동기 회로

산소 포화도 측정기 회로의 신호 경로는 LED 구동기에서 시작됩니다. 단일 공급 LED 구동기 체인에는 전압 레퍼런스(U1), DAC(U3), DAC 출력 버퍼(U4) 및 트랜지스터 전원(Q1)가 있습니다(그림 3).

그림 3: 광 다이오드 수신기(오른쪽)가 장착된 산소 포화도 측정기 시스템의 간소화된 LED 구동기. (이미지 출처: Bonnie Baker, 수정된 Analog Devices 소재 사용)

전압 레퍼런스(U1)는 16비트 DAC에 사용되며 방정식 1에 따라 아날로그 출력 전압 값을 정의합니다.

D = DAC 레지스터, 십진수 데이터 워드, N = DAC 비트 수

예를 들어, U1이 Analog Devices의 ADR4525BRZ-R7 계열 2.5V 전압 레퍼런스이고 U3가 Analog Devices의 AD5542AACPZ-REEL7 16비트 계열 DAC인 경우 방정식 1은 다음과 같습니다.

결과적으로 DAC 중간 범위 전압은 1.25V이고, 최하위 비트(LSB) 크기는 V_REF/(2^N) = 2.5/65,536 = 38.1V입니다.

ADR4525는 고정밀, 저잡음(1.25mV p-p, 0.1Hz ~ 10Hz), 온도에 안정적인 레퍼런스로 설계되었습니다. 장치의 낮은 출력 전압 온도 계수(2ppm/°C 최대) 및 낮은 장기적 출력 전압 변동 추이(60˚C에서 1,000시간 동안 25ppm)는 시간 및 온도 변화에 따른 시스템 정확도를 보장합니다. ADR4525B의 초기 실온 오차는 최대 ±0.02%입니다.

LED 구동기 잡음 분석

LED 구동기 회로 잡음 분석에서 16비트 DAC는 주위 장치 선택을 안내합니다. 즉, DAC 분해능이 12비트면 LSB 크기는 601.35mV이며, 전압 레퍼런스 및 연산 증폭기의 잡음 요구 사항을 완화합니다.

하지만 LED 구동기 회로에서는 인접 DC 잡음과 비선형성이 LED 휘도 레벨에 영향을 줍니다. 주위 DC 잡음 출처는 다음을 생성합니다.

• DAC의 집적 비선형성 및 차등 비선형성
• 전압 레퍼런스의 1/f 잡음 및 증폭기의 1/f 잡음
• 증폭기의 공통 모드 왜곡

이러한 잡음 출처는 자세히 살펴볼 가치가 있습니다.

DAC의 집적 비선형성 및 차등 비선형성: 차등 비선형성(DNL)은 실제 단계 크기와 이상적인 1LSB 값 사이의 차이입니다. DNL 오차가 1LSB보다 작은 경우 코드가 누락될 수 있습니다. AD5542A 16비트 DAC의 차등 오차는 약 ±0.4LSB 이내입니다(그림 4).

그림 4: AD5542A 16비트 DAC 차등 비선형성과 코드를 비교하여 약 ±0.4LSB 이내의 차등 오차를 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

집적 비선형성(INL) 오차는 측정된 오프셋과 이득 오차가 제로인 상태인 이상적인 전송 곡선의 해당 출력 전압을 기준으로 출력 전압의 최대 편차입니다. AD5542A의 INL 오차는 약 -0.6LSB ~ 0.25LSB 이내입니다(그림 5).

그림 5: AD5542A의 집적 비선형성과 코드 비교 그래프는 집적 비선형성 오차가 약 -0.6LSB ~ +0.25LSB 사이임을 보여 줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 4와 그림 5의 비선형성 그래프에서 최대 아날로그 잡음은 최저 비선형성의 1/3 또는 0.6LSB(아래 방정식 참조)입니다.

1/f 전압 레퍼런스 및 증폭기 잡음: 1/f 잡음의 주파수 범위는 0.1Hz ~ 10Hz입니다. 전압 레퍼런스(U1) 및 레퍼런스 버퍼(U2)가 DAC(U3)에 직접 제공됩니다. U1과 U2의 1/f 잡음 기여를 결합할 때 RSS(root-sum-of-square) 계산을 사용하는 것이 좋습니다(방정식 3).

U1이 ADR4525 계열 2.5V 전압 레퍼런스인 경우 1/f 잡음은 1.25mV_P-P입니다. 또한 U2 및 U4는 각각 Analog Devices의 ADA4500-2, 10MHz, 14.5nV/√Hz, 레일 투 레일 I/O, 제로 입력 크로스오버 왜곡 연산 증폭기의 절반에 해당합니다. ADA4500-2의 경우 1/f 잡음은 2mV_P-P입니다.

방정식 3을 사용하여 DAC REFF 핀으로 이동하는 총 1/f 잡음은 다음과 같습니다.

전압 레퍼런스(U1) 및 버퍼 증폭기(U2)의 잡음은 DAC의 LSB 크기보다 훨씬 작습니다.

증폭기의 공통 모드 왜곡: U4 DAC 버퍼 연산 증폭기의 입력 및 출력 스윙은 레일 투 레일 증폭기에서 이동합니다. 일반적인 레일 투 레일 입력 증폭기는 두 차동 회로를 사용하여 레일 투 레일 입력 스윙을 실현합니다. 낮은 공통 모드 범위에서는 하단 차동 회로가 활성화되고 높은 범위에서는 다른 회로가 활성화됩니다. 각 차동 회로에는 자체 오프셋 전압이 있습니다. 이 일반적인 보완 이중 차동 회로에서는 크로스오버 왜곡이 발생합니다(그림 6). 마찬가지로 증폭기의 오프셋 전압이 변경되면 DAC 버퍼형 비선형성이 발생합니다(그림 7).

그림 6: 두 입력 차동 회로의 오프셋 전압은 공통 모드 입력 전압 범위 전체에서 왜곡을 생성합니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

그림 7: 두 차등 입력 구조를 가진 증폭기 출력 버퍼를 포함하는 DAC 비선형성 (이미지 출처: Analog Devices)

그림 7은 연산 증폭기의 비선형성을 보여줍니다. 공통 모드 전압이 증가하면 활성 차동 회로가 P형 회로에서 N형 회로로 변경되어 크로스오버 왜곡이 발생합니다. 크로스오버 왜곡은 +4LSB ~ 15LSB 사이의 오차 스윙을 발생합니다.

하지만 ADA4500-2는 차동 입력 회로를 하나만 사용하여 레일 투 레일 스윙을 생성하는 일반적인 증폭기가 아니므로 크로스오버 왜곡이 없습니다. 이를 위해 입력 구조에서 양전압 충전 펌프를 사용하여 전체 레일 투 레일 스윙을 생성합니다.

이 경우 이중 연산 증폭기 ADA4500-2의 후반부로 DAC 버퍼 증폭기(U4)를 형성할 수 있다는 추가적인 이점이 있습니다. 앞에서 설명한 것처럼 전반부는 전압 레퍼런스 버퍼 증폭기로 U2에 사용됩니다.

DAC(U3)의 출력 임피던스는 일정하고(일반적으로 6.25kΩ) 코드에 종속되지 않습니다. 출력 버퍼(U4)에서 오차를 최소화하기 위해 낮은 바이어스 전류와 높은 입력 임피던스가 필요합니다. 이러한 요구 사항으로 인해 실온에서 입력 바이어스 전류가 2pA이고, 입력 임피던스가 높고, -40˚C ~ 125˚C 온도 범위인 환경에서 최대 입력 바이어스 전류가 190pA인 ADA5400-2를 사용하는 것이 좋습니다.

잡음 측정

이 완성형 LED 구동 시스템의 대상 잡음은 15mV_P-P 미만입니다. 규격서 사양에서 선택된 부품의 잡음 기여는 다음과 같습니다.

• U3: DAC AD5542A:
  • 16비트 DAC
  • 0.134μV_P-P
• U1: 전압 레퍼런스 ADR4525:
  • 2.5V 출력 레퍼런스
  • 1.25μV_P-P
• U2: 증폭기 ADA4500-2(레퍼런스 버퍼):
  • 공통 모드 크로스오버 왜곡 제로
  • 2μV_P-P
• U4: 증폭기 ADA4500-2(DAC 버퍼): 2μV_P-P
  • 공통 모드 크로스오버 왜곡 제로
  • 2μV_P-P

U1 ~ U4 부품의 규격서 RSS 잡음은 3.1mV_P-P입니다.

이 회로의 실제 잡음은 0.1Hz ~ 10Hz 필터와 결합된 이득이 10,000V/V인 잡음 측정 박스를 사용하여 측정합니다(그림 8).

그림 8: 이득이 10,000인 0.1Hz ~ 10Hz 잡음 측정을 위한 테스트 설정 (이미지 출처: Analog Devices)

Analog Devices의 EVAL-CN0370_PMDZ 평가 키트는 회로에 대한 측정 데이터를 생성합니다(그림 3). 차동 입력을 단축한 박스의 잡음 출력과 회로 연결 잡음은 각각 7.81mV_P-P(그림 9) 및 9.6mV_P-P(그림 10)입니다.

그림 9: 입력대 잡음비 측정 박스를 단축한 상태의 출력 잡음은 78.1mV_P-P(또는 7.81μV_P-P, 입력 레퍼런스)입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 10: Analog Devices의 EVAL-CN0370-PMDZ를 연결한 상태의 출력 잡음은 96mV_P-P(또는 9.6μV_P-P, 입력 레퍼런스)입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

두 시스템의 비상관 잡음을 RSS 공식과 결합하여 다음을 구합니다.

LED를 구동하는 잡음 전류는 5.58mV_P-P를 124Ω 또는 45nA_P-P로 나눈 값과 같습니다.

그림 11: EVAL-CN0370-PMDZ 회로 평가 기판은 모두 PMOD 폼 팩터에서 16비트 DAC로 제어되는 완벽한 단일 공급, 저잡음 LED 전원 구동기입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

IR LED 및 빨간색 LED는 산소 포화도 측정기에서 비침습 방식으로 혈중 산소 포화도와 맥박수를 측정하는 데 사용됩니다. 이 LED는 광 다이오드에서 수신된 에너지를 기준으로 HbO₂와 Hb의 비율을 측정할 수 있도록 환자의 손가락을 충분히 비추는 역할을 합니다.

시스템 설계자는 LED가 저잡음 저왜곡 전류로 구동되는지 확인해야 합니다. 위에 설명한 바와 같이 16비트 DAC, 1/f 영역의 저잡음 장치, 크로스오버 왜곡이 제로인 레일 투 레일 LED 구동 증폭기를 결합하면 이 문제가 해결됩니다.