技术领域
[0001] 本发明是关于一环境光消除电路，尤其是关于作为一多阶滤波器以滤除一环境光信号的一环境光消除电路。
相关背景技术
[0002] 一般的光体积变化描记图法(Photoplethysmography(PPG))装置以可控光源(例如：发光二极管(LED))照射皮肤并测量光吸收的变化量，以实现多种应用(例如：心律与血氧的测量)。然而，环境中通常有其它光源(例如：太阳光、室内灯光)，该些环境光(ambient light)的影响须被消除以确保前述测量的正确性。环境光可透过硬件电路来滤除，但目前的环境光消除技术未教示如何以简单的硬件电路实现一多阶滤波器，以适当地滤除环境光。
具体实施方式
[0016] 本说明书公开一种环境光消除电路，其作为一多阶滤波器以滤除一环境光信号。该环境光消除电路适用于一光体积变化描记图法(Photoplethysmography(PPG))装置。
[0017] 图1显示本公开之环境光消除电路的一实施例。图1的环境光消除电路100能够于一取样期间内取样一光检测电路(例如：光电二极管)(未显示于图)所产生的一检测信号SPD(K+1)次，以作为一K阶滤波器，从而滤除该检测信号SPD中的一环境光信号，其中该K为正整数(例如：不小于2的整数)。
[0018] 请参阅图1。环境光消除电路100包含一电容式转阻放大电路110。电容式转阻放大电路110包含一放大器112、一电容电路114以及一开关电路116。该些电路分述于底下段落。
[0019] 如图1所示，放大器112包含一输入端(亦即：放大器112中的符号+)、一反相输入端(亦即：放大器112中的符号‑)与一输出端。该输入端用来接收一参考电压VREF，该反相输入端用来接收该检测信号SPD，其中参考电压VREF可依实施需求而定。
[0020] 如图1所示，电容电路114包含一第一电容路径1142。第一电容路径1142包含一第一电容C1。该第一电容C1包含两个电极，该两个电极分别为一第一电极C11与一第二电极C12。
[0021] 如图1所示，开关电路116包含一第一开关SW1(+)、一第二开关SW2(+)、一第三开关SW3(‑)与一第四开关SW4(‑)。该第一开关SW1(+)耦接于该第一电极C11与该反相输入端之间；该第二开关SW2(+)耦接于该第二电极C12与该输出端之间；该第三开关SW3(‑)耦接于该第二电极C12与该反相输入端之间；该第四开关SW4(‑)耦接于该第一电极C11与该输出端之间。该第一开关SW1(+)与该第二开关SW2(+)用来于N个时槽(time slot)内导通，并于M个时槽内不导通，使得该第一电极C11与该第二电极C12于该N个时槽内分别耦接该反相输入端与该输出端，从而使该第一电容C1于该N个时槽内取样该检测信号SPD，其中该N个时槽与该M个时槽包含于该取样期间内，该N与该M均为正整数，且该N与该M的和不大于(K+1)(例如：(N+M)＝(K+1))。该第三开关SW3(‑)与该第四开关SW4(‑)用来于该M个时槽内导通，并于该N个时槽内不导通，使得该第二电极C12与该第一电极C11于该M个时槽内分别耦接该反相输入端与该输出端，以使该第一电容C1于该M个时槽内取样该检测信号SPD的反相。值得注意的是，该检测信号SPD的定义以及该检测信号SPD之反相的定义是相对应的，故可互换。
[0022] 请参阅图1。该检测信号SPD于I个时槽内包含一可控光信号(例如：发光二极管(LED)的光信号)与该环境光信号；该检测信号SPD于J个时槽内包含该环境光信号但不包含该可控光信号；该I个时槽为该N个时槽或该M个时槽；当该I个时槽为该N个时槽时，该J个时槽为该M个时槽；当该I个时槽为该M个时槽时，该J个时槽为该N个时槽。举例而言，当环境光消除电路100应用于一PPG装置时，该可控光信号源自于该PPG装置的至少一可控光源(例如：LED)，该可控光源于该N个时槽内发光，而于该M个时槽内不发光；而该环境光信号通常会随着环境的变化而变。基于上述，由于开关电路116于该N个时槽内以一非交错方式耦接放大器112与电容电路114，电容电路114取样该检测信号SPD，并产生N个混合光取样结果；由于开关电路116于该M个时槽内以一交错方式耦接放大器112与电容电路114，电容电路114取样该检测信号SPD的反相，并产生M个环境光取样结果。上述(N+M)个取样结果反映于电容电路114之储存电荷的变化，也反映于放大器112之输出端的电压的变化。值得注意的是，对开关电路116的控制可藉由已知/自行开发的技术来实现。另值得注意的是，对开关电路116的控制会对应对前述可控光源的控制，但对该可控光源的控制不在本公开的范围内。
[0023] 请参阅图1。开关电路116控制放大器112与电容电路114之间的耦接，使得电容式转阻放大电路110在时域(time domain)进行Z域(Z‑domain)的取样如图2所示，以取得该N个混合光取样结果与该M个环境光取样结果，其中时域与Z域的定义为本技术领域的通常知识。在(M+N)＝(K+1)的情形下，该K阶滤波器(亦即：环境光消除电路100)的转换方程式可表0 ‑1 ‑2 ‑K
示为“c0z+c1z +c2z +…+cKz ”，其中c0～cK为该K阶滤波器的系数，可依实施需求而决定
0 ‑K
及/或调整，z ～z 为(K+1)个依取样时间点顺序(亦即：图2之T0、T1、T2、T3、…、TK的顺序)得到的取样结果，也就是该N个混合光取样结果与该M个环境光取样结果。举例而言，若(M+N)＝(K+1)且N＝M＝2，该K阶滤波器为三阶滤波器，当该(M+N)个取样结果的产生顺序为“混合光取样结果、环境光取样结果、环境光取样结果、混合光取样结果”时，该三阶滤波器的转换
0 ‑1 ‑2 ‑3 0 ‑1 ‑2 ‑3
方程式可表示为“1z‑z ‑z +z ”，也就是说该三阶滤波器的滤波结果为z、‑z 、‑z 与z
0
的总和；本例中，该三阶滤波器得到该四个取样结果后，再输出总体的取样结果(亦即：z 、‑‑1 ‑2 ‑3
z 、‑z 与z 的总和)给一后端电路(例如：模拟至数字转换电路)。
[0024] 前述转换方程式“c0z0+c1z‑1+c2z‑2+…+cKz‑K”的滤波器系数c0～cK可依实施需求而定或动态地调整。举例而言，如图3a～图3b所示，电容电路114进一步包含一第二电容路径1144，其与第一电容路径1142并联，并包含一第二电容开关SWC2与一第二电容C2。图3a～图
3b中，该第二电容C2的电容值同于第一电容路径1142之第一电容C1的电容值，两者均为因此，该二电容C1、C2的并联电容值为 请参阅图2与图3a，于第零与第二时槽内(亦即：图2的T0、T2)，开关电路116以该非交错方式耦接放大器112与电容电路114，且该第二电容开关SWC2导通，因此，该二电容路径1142、1144同时取样该检测信号SPD(亦即：该二电容C1、C2同时被充电/放电)；若单位时间ΔT内的充电量/放电量为Q1，放大器112之反相输入端与输出端之间的电压差会是 请参阅图2与图3b，于第一时槽内(亦即：图2的T1)，开关电路116以该交错方式耦接放大器112与电容电路114，且该第二电容开关SWC2不导通，因此，只有电容路径1142取样该检测信号SPD的反相(亦即：只有该电容C1被放电/充电)；若单位时间ΔT内的放电量/充电量为Q2，放大器112之反相输入端与输出端之间的电压差会是 若Q2≈Q1，V2≈‑2V1。根据上述，环境光消除电路100作为一二阶滤
0 ‑1 ‑2
波器，并产生一滤波结果为“1z‑2z +z ”，该滤波结果可藉由已知的/自行开发的模拟或数字方式加以缩放。值得注意的是，关于图3a～图3b的例子，该K例如是不小于1的整数。
[0025] 图3a～图3b的例子可进一步修改如图4a～图4c所示。请参阅图4a～图4c，电容路径114包含从第1电容路径(包含电容n1×C)至第j电容路径(包含电容nj×C)等j个电容路径，其中每个电容路径包含一电容，该第j电容路径进一步包含一第j电容开关SWCj，n1～nj的每一个代表一倍数，且可依实施需求而定，C代表一单位电容值，该j为大于2的整数。图4a、图4b与图4c依序显示于连续三个时槽(亦即：图2的T0、T1、T2)内的取样方式。就图4a～图
4c而言，环境光 消除电路100作为二阶滤波器 ，并产生一滤波结果为
该滤波结果可藉由已知的/自行开发的模拟或
数字方式加以缩放。本领域具有通常知识者可依图3a～图4c及其说明推衍出更多例子。
[0026] 本发明的实施例还包括：
[0027] 相较于图3a～图3b，第二容开关SWC2可设置于第二电容C2的另一侧如图5所示；以及相较于图4a～图4c，第j电容开关SWCj可设置于第j电容njC的另一侧如图6所示。
[0028] 参阅图2与图3a～图3b，于第零与第二时槽内(亦即：图2的T0、T2)，开关电路116以该非交错方式耦接放大器112与电容电路114，且该第二电容开关SWC2不导通；于第一时槽内(亦即：图2的T1)，开关电路116以该交错方式耦接放大器112与电容电路114，且该第二电容开关SWC2导通；因此，环境光消除电路100产生一滤波结果为
[0029] 参阅图3a～图3b，当开关电路116于某一时槽内以该非交错方式耦接放大器112与电容电路114时，第二容开关SWC2可选择性地不导通或导通，其中该某一时槽可以是或不是前述N个时槽的其中之一；当开关电路116于某一时槽内以该交错方式耦接放大器112与电容电路114时，第二电容开关SWC2可选择性地导通或不导通，其中该某一时槽可以是或不是前述M个时槽的其中之一。
[0030] 参阅图1～图4c，电容电路112之任一电容可以是一固定电容或一可调电容。举例而言，第一电容路径1142的第一电容C1为一可调电容；于电容式转阻放大电路110进行取样的每一时槽内，该可调电容的电容值可依想要的滤波效果来设定。
[0031] 该N个时槽的任二个具有相同的时间长度(例如：数微秒(microseconds))或不同的时间长度，且该M个时槽的任二个具有相同的时间长度(例如：数微秒)或不同的时间长度。
[0032] 该N个时槽之每一个的时间长度同于该M个时槽之每一个的时间长度(例如：2微秒)。
[0033] 图3a～图3b的例子可进一步修改如图7所示。图7中，电容电路114包含多个电容路径以并联方式耦接，该多个电容路径包括第一电容路径1142。该多个电容路径中，除了第一电容路径1142外，每个电容路径包含一开关与一电容，其中该开关于各时槽的状态(亦即：导通/不导通)以及该电容的电容值是依实施需求而定，以决定该K阶滤波器(亦即：环境光消除电路100)的系数，从而实现一想要的滤波效果。
[0034] 请注意，在实施为可能的前提下，本技术领域具有通常知识者可选择性地实施前述任一实施例中部分或全部技术特征，或选择性地实施前述多个实施例中部分或全部技术特征的组合，藉此增加本发明之实施的弹性。
[0035] 综上所述，本公开的环境光消除电路作为一多阶滤波器以滤除一环境光信号。相较于先前技术，本公开的环境光消除电路提供丰富的实施弹性，以实现一想要的滤波效果。
[0036] 虽然本发明之实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明之明示或隐含之内容对本发明之技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求之专利保护范畴，换言之，本发明之专利保护范围须视本说明书之申请专利范围所界定者为准。
[0037] 【符号说明】
[0038] 100：环境光消除电路
[0039] 110：电容式转阻放大电路
[0040] 112：放大器
[0041] 114：电容电路
[0042] 1142：第一电容路径
[0043] 116：开关电路
[0044] VREF：参考电压
[0045] SPD：检测信号
[0046] C1：第一电容
[0047] C11：第一电极
[0048] C12：第二电极
[0049] SW1(+)：第一开关
[0050] SW2(+)：第二开关
[0051] SW3(‑)：第三开关
[0052] SW4(‑)：第四开关
[0053] T0、T1、T2、T3、…、TK：取样时间点
[0054] z0～z‑K：取样结果
[0055] 1144：第二电容路径
[0056] SWC2：第二电容开关
[0057] C2：第二电容
[0058] n1～nj：倍数
[0059] 单位电容值：C
[0060] SWCj：第j电容开关。
