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更小、更精確的血糖監(jiān)測儀

本文作者：德州儀器點擊： 2019-10-22 12:16

前言：

據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計，全球糖尿病患者人數(shù)約為1.55億，預計到2025年將增加至3億。由于人體內(nèi)血糖值的高或低都會嚴重威脅健康，因此采取預防和監(jiān)測措施變得非常重要。所以，您可以想象，未來可能會有百萬臺個人便攜式血糖監(jiān)測儀（BGMs）的需求。

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

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

選擇正確的精密多路復用器可幫助設計小型血糖監(jiān)測儀的工程師克服有關電流泄漏、電容導通和尺寸限制等方面的主要設計挑戰(zhàn)。了解這些參數(shù)的重要性可幫助工程師更好地進行設計，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（ILEAKAGE）
血糖監(jiān)測儀使用試紙與患者的血液相互作用，產(chǎn)生化學反應，并借助特殊的傳感帶產(chǎn)生電流信號。該電流信號很小，通常可在跨阻放大器（TIA）級中轉(zhuǎn)換為放大的電壓信號。來自傳感器帶的電流信號通過可配置的增益設置被饋送到TIA，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，通常處在微控制器內(nèi)部）進行采樣。

圖1：血糖監(jiān)測儀模擬前端中的精密多路復用器使用示例

圖1所示為一個通道4:1多路復用器，為運算放大器(op-amp)的可配置增益切換四個不同的反饋元件。外部電阻器RF（如圖1所示），或者利用四個通道中始終關閉的一個通道，可確保放大器不在開環(huán)配置下工作。盡管圖1中所示為四個反饋電阻，但根據(jù)所需的不同增益設置，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，以便在不同時間或針對不同患者測量血糖水平。

為此，設計人員不僅需要低導通電阻（RON），而且還需超低泄漏多路復用器來提高ADC精度。

原因很簡單：當開關接通時，來自多路復用器的泄漏電流會加到來自傳感帶的電流信號中，并流經(jīng)反饋電阻，從而導致在運算放大器的輸出端提供錯誤讀數(shù)。然后，此錯誤輸出電壓值會饋送到ADC，這使得ADC在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行處理時會在顯示屏上顯示不精確的讀數(shù)。

所以，綜上所述，多路復用器的漏電流越小，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用器。TMUX1104（在圖1中突出顯示）提供了極低的導通泄漏（25°C時為3pA-TYP和50pA-MAX）。由于超低漏電流，TMUX1104能夠?qū)⑿盘枏母咴醋杩馆斎肭袚Q到高輸入阻抗運算放大器，且具有最小的偏移誤差。

低電容（CON）

影響血糖監(jiān)測儀應用中多路復用器性能的另一個重要參數(shù)是導通電容CON。CON會影響多路復用器的沉降性能，從而影響系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。

忽略多路復用器的CON規(guī)范時，TIA電路可能會出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。多路復用器的CON可能會引起振蕩，從而導致信號鏈的瞬態(tài)性能較差。盡管系統(tǒng)設計人員可能不會有意在設計中增加電容，但多路復用器的CON可能足夠大，以至于影響系統(tǒng)。

選擇低CON的多路復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。當多路復用器通道導通時，多路復用器的CON代表系統(tǒng)看到的等效于接地的電容。模擬多路復用器的CON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CON低至35pF。

如果使用四通道單刀單擲（1:1）開關進行可配置的增益控制，如圖2所示，則每個單獨通道都有自己的CON。當所有通道導通時，CON將并聯(lián)放置。保持四個通道中的一個通道始終關閉可確保放大器不在開環(huán)配置下工作。如果未選擇多路復用器來優(yōu)化導通電容，則1:1開關的單個通道通常可具有70pF的電容。因此，在所有四個通道均導通的情況下，反饋路徑的總CON將為280pF。相反，如果使用僅具有35pF CON的TMUX1104，則在所有通道都導通的情況下，總反饋電容僅為140pF。

圖2：可配置的增益控制

小型血糖監(jiān)測儀的注意事項

無論是手機、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所趨。血糖監(jiān)測儀等便攜式醫(yī)療設備也是如此。患者更喜歡可提供精確讀數(shù)且易于攜帶的小型血糖監(jiān)測儀。這給設計人員尋找精確、小巧的新型解決方案時帶來了挑戰(zhàn)。

TMUX11x精密多路復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通電流、低CON和小封裝選項，使其可用于需要高精度測量的便攜式醫(yī)療應用。TMUX1104是業(yè)界最小的單通道4:1精密多路復用器之一（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)測儀等便攜式醫(yī)療應用。

圖3：TMUX1104DQA（10-USON封裝）

設計精確的血糖監(jiān)測儀時，無需權衡系統(tǒng)的精確性或穩(wěn)定性。只需在傳感器前端選擇一個具有極低泄漏電流、低CON并采用小封裝的精密多路復用器即可。

其他資源

• 閱讀使用低損耗多路復用器來改善穩(wěn)定性。
• 了解更多有關1.8V邏輯控制的多路復用器和開關的信息。

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