更小、更精确的血糖监测仪

作者：德州仪器

据世界卫生组织的统计，全球糖尿病患者人数约为1.55亿，预计到2025年将增加至3亿。由于人体内血糖值的高或低都会严重威胁健康，因此采取预防和监测措施变得非常重要。所以，您可以想象，未来可能会有百万台个人便携式血糖监测仪（BGMs）的需求。

现代血糖监测仪需要在更小的尺寸内实现高度集成，以便人们携带。同时，为了满足患者的日常需求，该种高性能设备还需要具备只需少量血液就可准确测量血糖水平的功能。

血糖监测仪传感器前端的精密多路复用器无需糖尿病患者使用指尖进行多次测量。尽管多路复用器似乎只能处理在不同信号通道之间切换的简易工作，但实际上，它在准确测量从传感带接收到的信号方面起着重要作用。

选择正确的精密多路复用器可帮助设计小型血糖监测仪的工程师克服有关电流泄漏、电容导通和尺寸限制等方面的主要设计挑战。了解这些参数的重要性可帮助工程师更好地进行设计，而糖尿病患者可减轻疼痛并改善生活质量。

超低泄漏电流（ILEAKAGE）

血糖监测仪使用试纸与患者的血液相互作用，产生化学反应，并借助特殊的传感带产生电流信号。该电流信号很小，通常可在跨阻放大器（TIA）级中转换为放大的电压信号。来自传感器带的电流信号通过可配置的增益设置被馈送到TIA，然后由模数转换器（ADC，通常处在微控制器内部）进行采样。


图1：血糖监测仪模拟前端中的精密多路复用器使用示例

图1所示为一个通道4:1多路复用器，为运算放大器(op-amp)的可配置增益切换四个不同的反馈元件。外部电阻器RF（如图1所示），或者利用四个通道中始终关闭的一个通道，可确保放大器不在开环配置下工作。尽管图1中所示为四个反馈电阻，但根据所需的不同增益设置，甚至可以增加或减少电阻数量

根据试纸的电流输出，这些增益设置是必须的，其范围可能在10μA至80μA之间，具体取决于血糖水平的高低。也可更改范围，以便在不同时间或针对不同患者测量血糖水平。

为此，设计人员不仅需要低导通电阻（RON），而且还需超低泄漏多路复用器来提高ADC精度。

原因很简单：当开关接通时，来自多路复用器的泄漏电流会加到来自传感带的电流信号中，并流经反馈电阻，从而导致在运算放大器的输出端提供错误读数。然后，此错误输出电压值会馈送到ADC，这使得ADC在转换为数字信号进行处理时会在显示屏上显示不精确的读数。

所以，综上所述，多路复用器的漏电流越小，输出端获得的读数就越精确。

TI已发布一系列满足超低泄漏要求的精密多路复用器。TMUX1104（在图1中突出显示）提供了极低的导通泄漏（25°C时为3pA-TYP和50pA-MAX）。由于超低漏电流，TMUX1104能够将信号从高源阻抗输入切换到高输入阻抗运算放大器，且具有最小的偏移误差。

低电容（CON）

影响血糖监测仪应用中多路复用器性能的另一个重要参数是导通电容CON。CON会影响多路复用器的沉降性能，从而影响系统的瞬态性能。

忽略多路复用器的CON规范时，TIA电路可能会出现稳定性问题。多路复用器的CON可能会引起振荡，从而导致信号链的瞬态性能较差。尽管系统设计人员可能不会有意在设计中增加电容，但多路复用器的CON可能足够大，以至于影响系统。

选择低CON的多路复用器可帮助最大限度地减少由这些常见电路挑战引起的问题。当多路复用器通道导通时，多路复用器的CON代表系统看到的等效于接地的电容。模拟多路复用器的CON典型值范围从几十微微法拉（pF）到超过400pF不等。但是，TMUX1104器件的CON低至35pF。

如果使用四通道单刀单掷（1:1）开关进行可配置的增益控制，如图2所示，则每个单独通道都有自己的CON。当所有通道导通时，CON将并联放置。保持四个通道中的一个通道始终关闭可确保放大器不在开环配置下工作。如果未选择多路复用器来优化导通电容，则1:1开关的单个通道通常可具有70pF的电容。因此，在所有四个通道均导通的情况下，反馈路径的总CON将为280pF。相反，如果使用仅具有35pF CON的TMUX1104，则在所有通道都导通的情况下，总反馈电容仅为140pF。


图2：可配置的增益控制

小型血糖监测仪的注意事项

无论是手机、笔记本电脑还是平板电脑，更智能、更小、更轻的解决方案是大势所趋。血糖监测仪等便携式医疗设备也是如此。患者更喜欢可提供精确读数且易于携带的小型血糖监测仪。这给设计人员寻找精确、小巧的新型解决方案时带来了挑战。

TMUX11x精密多路复用器系列支持采用小引线和无引线封装的宽工作电源（1.08V至5.5V单电源或±2.5V双电源）。这些器件具有极低导通电流、低CON和小封装选项，使其可用于需要高精度测量的便携式医疗应用。TMUX1104是业界最小的单通道4:1精密多路复用器之一（如图3所示）。该器件具有超低泄漏电流（3pA_TYP）和8_nA的低电源电流，极其适合诸如由电池供电的血糖监测仪等便携式医疗应用。


图3：TMUX1104DQA（10-USON封装）

设计精确的血糖监测仪时，无需权衡系统的精确性或稳定性。只需在传感器前端选择一个具有极低泄漏电流、低CON并采用小封装的精密多路复用器即可。