Date of Award

4-2026

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Electrical Engineering

Department

Electrical and Communication Engineering

First Advisor

Dr. Mohamed Atef Abdelaal

Second Advisor

Dr. Falah Awwad

Fourth Advisor

Dr. Nabil Albastaki

Abstract

Photoplethysmography (PPG) sensing is an important technology used for measuring health parameters like, heart rate, respiratory rate, blood oxygen saturation, and blood pressure (BP). The PPG sensing is used for individuals who have to periodically monitor their health due to chronic health conditions. The basic requirements of a wearable PPG sensor include non-invasiveness, prolonged battery life, and being userfriendly. These type of sensors have great demand in the healthcare applications and there is a significant rise in the demand of these sensors. The basic objective of these PPG sensors is to make the continuous vital health monitoring easier without the need for frequent medical supervision. Low power consumption and high integration are the basic specifications these PPG sensors need to meet, inorder to match the needs of modern healthcare.

This thesis introduces a novel design of a PPG sensor with a transimpedance amplifier (TIA). A Direct Current (DC) compensation loop is incorporated in the TIA. This circuit provides high gain, low noise, and minimized power consumption. The system also improves the dynamic range (DR). The DC compensation loop incorporated in the circuit reduces the noise at low PPG signal levels. This helps the circuit in enhancing system performance. The DC compensation loop maintains the signal integrity even at higher PPG signal levels. This helps the system in removing the DC components effectively. The system also introduces an automatic light control (ALC) module. The incorporation of this module eliminates the need for an analog-to-digital converter (ADC). The ALC has the ability to reduce the LED driving current especially during high PPG signal levels. This helps the system minimize the power consumption and also extend the dynamic range of the PPG sensory system.

Secondly, the thesis introduces a capacitive feedback common drain feedback transimpedance amplifier (CF-CDF-TIA) into the PPG sensory system. This CF-CDFTIA helps the PPG sensor system maintain a balance between power efficiency and noise reduction. The CF-CDF-TIA introduced in the PPG sensor, helps the PPG sensor achieve high sensitivity. The CF-CDF-TIA also integrates an ALC module into the circuit. This inclusion helps the circuit manage the LED current levels and hence maintain the signal quality. This means that the ALC can reduce the LED current when the input photocurrent is high. This helps in improving the overall system performance. All these features makes the sensor suitable for high dynamic range, wearable, health monitoring applications.

Thirdly, the output from the integrated PPG sensor is fed into a Fast Fourier Transform (FFT) to extract Heart Rate (HR). A single-Path Delay Commutator Processing Element (SDC-PE) is incorporated in the FFT design. The SDC-PE helps in optimizing the hardware utilized by reducing the number of adders and other memory modules to a much lesser number compared to that used in traditional FFT designs. This factor helps in enhancing the efficiency of pipelined FFT operations.

Arabic Abstract


مستشعر قياس ضغط الدم الضوئي المتكامل منخفض الضوضاء وعالي الكسب لمراقبة العلامات الحيوية بشكل مستمر

تُعد تقنية تصوير التغير الحجمي الضوئي (Photoplethysmography - PPG) من التقنيات المهمة المستخدمة في قياس المؤشرات الصحية مثل معدل ضربات القلب، ومعدل التنفس، وتشبع الأكسجين في الدم، وضغط الدم. وتُستخدم هذه التقنية بشكل خاص للأفراد الذين يحتاجون إلى مراقبة دورية لحالتهم الصحية نتيجة الإصابة بأمراض مزمنة. وتشمل المتطلبات الأساسية لمستشعرات PPG القابلة للارتداء أن تكون غير جراحية، وذات عمر بطارية طويل، وسهلة الاستخدام. وتشهد هذه المستشعرات طلباً متزايداً في

التطبيقات الصحية، مع ارتفاع ملحوظ في استخدامها. ويكمن الهدف الأساسي من هذه المستشعرات في تسهيل المراقبة المستمرة للعلامات الحيوية دون الحاجة إلى إشراف طبي متكرر. كما يُعد انخفاض استهلاك الطاقة وارتفاع مستوى التكامل من أهم المواصفات التي يجب أن تلبيها هذه المستشعرات لتواكب متطلبات الرعاية الصحية الحديثة.

تقدم هذه الرسالة تصميماً مبتكراً لمستشعر PPG يعتمد على مضخم تحويل التيار إلى جهد (Transimpedance Amplifier – TIA). وقد تم دمج حلقة تعويض التيار المستمر (DC) داخل هذا المضخم، حيث يوفر هذا التصميم كسباً عالياً، وضوضاء منخفضة، واستهلاكاً منخفضاً للطاقة، بالإضافة إلى تحسين المدى الديناميكي للنظام. وتعمل حلقة تعويض التيار المستمر على تقليل الضوضاء عند مستويات إشارات (PPG) المنخفضة، مما يسهم في تحسين أداء النظام. كما تحافظ هذه الحلقة على سلامة الإشارة عند مستويات الإشارة المرتفعة، وتساعد في إزالة المركبات المستمرة بفعالية. كذلك، يقدم النظام وحدة تحكم تلقائي في الإضاءة (Automatic Light Control – ALC) حيث يُغني دمج هذه الوحدة عن الحاجة إلى محول تماثلي-رقمي (ADC). و تمتاز وحدة ALC بقدرتها على تقليل تيار قيادة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) خاصة عند ارتفاع مستوى إشارة PPG مما يساهم في تقليل استهلاك الطاقة وزيادة المدى الديناميكي للنظام.

ثانياً، تقدم الرسالة مضخم تحويل تيار إلى جهد يعتمد على تغذية راجعة سعوية وبنية المصرف المشترك (Capacitive Feedback Common Drain Feedback TIA - CF-CDF-TIA) ضمن نظام مستشعر PPG. ويساعد هذا التصميم في تحقيق توازن بين كفاءة استهلاك الطاقة وتقليل الضوضاء، كما يساهم في رفع حساسية المستشعر. ويتضمن هذا المضخم أيضاً وحدة التحكم التلقائي في الإضاءة (ALC) مما يساعد في تنظيم تيار LED والحفاظ على جودة الإشارة. حيث تقوم وحدة ALC بتقليل تيار LED عند ارتفاع التيار الضوئي الداخل، مما يؤدي إلى تحسين الأداء العام للنظام. وتجعل هذه الميزات النظام مناسباً لتطبيقات المراقبة الصحية القابلة للارتداء ذات المدى الديناميكي العالي.

ثالثاً، يتم تمرير خرج مستشعر PPG المتكامل إلى خوارزمية تحويل فورييه السريع (FFT) لاستخراج معدل ضربات القلب. وقد تم دمج عنصر معالجة يعتمد على بنية المسار الأحادي مع التأخير (Single-Path Delay Commutator Processing Element - SDC-PE) في تصميم FFT مما يساهم في تحسين كفاءة العتاد من خلال تقليل عدد المجاميع ووحدات الذاكرة مقارنة بالتصاميم التقليدية ويساعد هذا الأمر في تحسين كفاءة عمليات FFT المعتمدة على الأنابيب (pipelined FFT).

Download

Share

COinS