更小、更精確的血糖監(jiān)測(cè)儀

作者：德州儀器(TI) 時(shí)間：2019-10-22 來源：電子產(chǎn)品世界

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據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)，全球糖尿病患者人數(shù)約為1.55億，預(yù)計(jì)到2025年將增加至3億。由于人體內(nèi)血糖值的高或低都會(huì)嚴(yán)重威脅健康，因此采取預(yù)防和監(jiān)測(cè)措施變得非常重要。所以，您可以想象，未來可能會(huì)有百萬臺(tái)個(gè)人便攜式血糖監(jiān)測(cè)儀（BGMs）的需求。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201910/406121.htm

現(xiàn)代血糖監(jiān)測(cè)儀需要在更小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)高度集成，以便人們攜帶。同時(shí)，為了滿足患者的日常需求，該種高性能設(shè)備還需要具備只需少量血液就可準(zhǔn)確測(cè)量血糖水平的功能。

血糖監(jiān)測(cè)儀傳感器前端的精密多路復(fù)用器無需糖尿病患者使用指尖進(jìn)行多次測(cè)量。盡管多路復(fù)用器似乎只能處理在不同信號(hào)通道之間切換的簡(jiǎn)易工作，但實(shí)際上，它在準(zhǔn)確測(cè)量從傳感帶接收到的信號(hào)方面起著重要作用。

選擇正確的精密多路復(fù)用器可幫助設(shè)計(jì)小型血糖監(jiān)測(cè)儀的工程師克服有關(guān)電流泄漏、電容導(dǎo)通和尺寸限制等方面的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。了解這些參數(shù)的重要性可幫助工程師更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)，而糖尿病患者可減輕疼痛并改善生活質(zhì)量。

超低泄漏電流（I_LEAKAGE）

血糖監(jiān)測(cè)儀使用試紙與患者的血液相互作用，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并借助特殊的傳感帶產(chǎn)生電流信號(hào)。該電流信號(hào)很小，通常可在跨阻放大器（TIA）級(jí)中轉(zhuǎn)換為放大的電壓信號(hào)。來自傳感器帶的電流信號(hào)通過可配置的增益設(shè)置被饋送到TIA，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，通常處在微控制器內(nèi)部）進(jìn)行采樣。

圖1：血糖監(jiān)測(cè)儀模擬前端中的精密多路復(fù)用器使用示例

圖1所示為一個(gè)通道4:1多路復(fù)用器，為運(yùn)算放大器(op-amp)的可配置增益切換四個(gè)不同的反饋元件。外部電阻器R_F（如圖1所示），或者利用四個(gè)通道中始終關(guān)閉的一個(gè)通道，可確保放大器不在開環(huán)配置下工作。盡管圖1中所示為四個(gè)反饋電阻，但根據(jù)所需的不同增益設(shè)置，甚至可以增加或減少電阻數(shù)量

根據(jù)試紙的電流輸出，這些增益設(shè)置是必須的，其范圍可能在10μA至80μA之間，具體取決于血糖水平的高低。也可更改范圍，以便在不同時(shí)間或針對(duì)不同患者測(cè)量血糖水平。

為此，設(shè)計(jì)人員不僅需要低導(dǎo)通電阻（R_ON），而且還需超低泄漏多路復(fù)用器來提高ADC精度。

原因很簡(jiǎn)單：當(dāng)開關(guān)接通時(shí)，來自多路復(fù)用器的泄漏電流會(huì)加到來自傳感帶的電流信號(hào)中，并流經(jīng)反饋電阻，從而導(dǎo)致在運(yùn)算放大器的輸出端提供錯(cuò)誤讀數(shù)。然后，此錯(cuò)誤輸出電壓值會(huì)饋送到ADC，這使得ADC在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)會(huì)在顯示屏上顯示不精確的讀數(shù)。

所以，綜上所述，多路復(fù)用器的漏電流越小，輸出端獲得的讀數(shù)就越精確。

TI已發(fā)布一系列滿足超低泄漏要求的精密多路復(fù)用器。TMUX1104（在圖1中突出顯示）提供了極低的導(dǎo)通泄漏（25°C時(shí)為3pA-_TYP和50pA-_MAX）。由于超低漏電流，TMUX1104能夠?qū)⑿盘?hào)從高源阻抗輸入切換到高輸入阻抗運(yùn)算放大器，且具有最小的偏移誤差。

低電容（C_ON）

影響血糖監(jiān)測(cè)儀應(yīng)用中多路復(fù)用器性能的另一個(gè)重要參數(shù)是導(dǎo)通電容C_ON。C_ON會(huì)影響多路復(fù)用器的沉降性能，從而影響系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。

忽略多路復(fù)用器的C_ON規(guī)范時(shí)，TIA電路可能會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。多路復(fù)用器的C_ON可能會(huì)引起振蕩，從而導(dǎo)致信號(hào)鏈的瞬態(tài)性能較差。盡管系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能不會(huì)有意在設(shè)計(jì)中增加電容，但多路復(fù)用器的C_ON可能足夠大，以至于影響系統(tǒng)。

選擇低C_ON的多路復(fù)用器可幫助最大限度地減少由這些常見電路挑戰(zhàn)引起的問題。當(dāng)多路復(fù)用器通道導(dǎo)通時(shí)，多路復(fù)用器的C_ON代表系統(tǒng)看到的等效于接地的電容。模擬多路復(fù)用器的C_ON典型值范圍從幾十微微法拉（pF）到超過400pF不等。但是，TMUX1104器件的C_ON低至35pF。

如果使用四通道單刀單擲（1:1）開關(guān)進(jìn)行可配置的增益控制，如圖2所示，則每個(gè)單獨(dú)通道都有自己的C_ON。當(dāng)所有通道導(dǎo)通時(shí)，C_ON將并聯(lián)放置。保持四個(gè)通道中的一個(gè)通道始終關(guān)閉可確保放大器不在開環(huán)配置下工作。如果未選擇多路復(fù)用器來優(yōu)化導(dǎo)通電容，則1:1開關(guān)的單個(gè)通道通?？删哂?0pF的電容。因此，在所有四個(gè)通道均導(dǎo)通的情況下，反饋路徑的總C_ON將為280pF。相反，如果使用僅具有35pF C_ON的TMUX1104，則在所有通道都導(dǎo)通的情況下，總反饋電容僅為140pF。

圖2：可配置的增益控制

小型血糖監(jiān)測(cè)儀的注意事項(xiàng)

無論是手機(jī)、筆記本電腦還是平板電腦，更智能、更小、更輕的解決方案是大勢(shì)所趨。血糖監(jiān)測(cè)儀等便攜式醫(yī)療設(shè)備也是如此?；颊吒矚g可提供精確讀數(shù)且易于攜帶的小型血糖監(jiān)測(cè)儀。這給設(shè)計(jì)人員尋找精確、小巧的新型解決方案時(shí)帶來了挑戰(zhàn)。

TMUX11x精密多路復(fù)用器系列支持采用小引線和無引線封裝的寬工作電源（1.08V至5.5V單電源或±2.5V雙電源）。這些器件具有極低導(dǎo)通電流、低C_ON和小封裝選項(xiàng)，使其可用于需要高精度測(cè)量的便攜式醫(yī)療應(yīng)用。TMUX1104是業(yè)界最小的單通道4:1精密多路復(fù)用器之一（如圖3所示）。該器件具有超低泄漏電流（3pA__TYP）和8_nA的低電源電流，極其適合諸如由電池供電的血糖監(jiān)測(cè)儀等便攜式醫(yī)療應(yīng)用。