作者：德州儀器 Andrew Wallace
設計可攜式診斷的訊號鏈
可攜式診斷系統有多種應用，包括偵測 COVID-19、流感、呼吸道融合病毒 (RSV) 和鏈球菌。在本文中，我將概述可攜式診斷設備中使用的兩種訊號鏈類型 — 電化學核酸擴增 (NAAT) 和光學 NAAT。我也將重點介紹允許這些系統以無線方式報告測試資料的 Bluetooth Low Energy (BLE) 裝置。
電化學 NAAT 系統概要：
為了實施採用電化學的 NAAT 測試器，設計人員需要精確的類比前端，首先對電化學感測器進行偏壓處理，然後放大結果訊號，由精密類比轉數位轉換器 (ADC) 進行採樣。這些低雜訊和高靈敏度的訊號鏈能夠以較小的差異偵測感測器輸出，藉此減少感測器讀取時間並提高準確度。
離散式和整合式訊號鏈均可用於此應用，允許設計人員根據系統需求選擇高度設計客製化或整合。這種彈性有助於行動平台設計人員達到最佳的成本、測試時間、尺寸和功耗。
整合式電化學訊號鏈
LMP91000 是整合式前端，能夠透過整合式轉阻放大器 [TIA]、偏壓設定、參考和驅動器運算放大器來縮減設計時間和解決方案尺寸。此裝置也提供 I2C 介面，允許主機 MCU 進行自訂配置。然後可以透過 ADC 對此裝置的輸出進行採樣。下方的圖 1 顯示連接到 3 引線電化學電池的 LMP91000 原理圖。
圖 1：LMP91000 電化學電池介面
離散式電化學訊號鏈
在離散式電化學訊號鏈實作中，TI 的 OPA391 運算放大器為設計人員提供低雜訊 (30 nV/√Hz)、超低偏壓電流 (10 fA) 和低 IQ(24 µA) 的元件。圖 2 顯示使用 OPA391 放大器和 ADS1120 ADC 對於 3 引線電化學電池介面進行的離散式訊號鏈實作。
圖 2：離散式電化學電池訊號鏈
光學 NAAT 系統概要：
可攜式診斷設備中使用的一種光學 NAAT 測試是快速聚合酶鏈反應 (PCR) 測試。在 PCR 測試器中，目標核糖核酸序列經過逐一循環擴增；然後光電探測器測量樣本的螢光以量化樣本中的病毒載量。電流輸入積分器或 TIA 將光電流轉換為電壓以供 ADC 採樣。PCR 的一些變體使用熱電冷卻來循環樣本的溫度，因此可能更加需要能夠在寬溫度範圍內達到高效能的裝置。此外，由於許多光學 NAAT 應用具有低訊號幅度，這些系統中的光電探測器可能有相當低的輸出電流，因此更加需要有極低輸入偏壓電流 (IB) 和低溫度漂移的 TIA 或積分器。
整合式光訊號鏈
TI 提供大量整合式光訊號鏈；DDC112 AFE 就是此系列中的此類裝置。這些裝置提供用於與光電探測器連接的整合式訊號鏈。對於兩個輸入中的每個輸入，DDC112 結合電流到電壓轉換、連續積分、可程式編輯的全刻度範圍、A/D 轉換和數位濾波，藉以達到精確、寬動態範圍的數位結果。DDC 系列裝置內部的完整訊號鏈 (多達 256 個通道) 的整合可節省空間，同時達到高處理能力、降低設計複雜性，並縮短上市時間。圖 3 顯示使用 DDC112 系列裝置的整合式光訊號鏈。
圖 3：PCR 的 DDC 整合式光訊號鏈
離散式光訊號鏈
離散式光訊號鏈允許特定系統的客製化，並為較低通道數的設計提供絕佳的準確度和靈敏度。OPA392 放大器具有低雜訊 (4.4 nV /√Hz)、超低偏壓電流 (10 fA ) 和高增益頻寬 (13MHz)。ADS127L11 是 24 位元 400kSPS Δ-Σ ADC，具有高動態範圍 (111.5dB)、低 THD (-120dB) 和 0.9 ppm FS 的 INL。這些裝置可供設計人員使用離散式元件實作高精度和可客製化的訊號鏈。圖 4 是 PCR 系統的離散式光訊號鏈有關的概要。
圖 4：PCR 的離散式光訊號鏈
使用 TINA-TI 系統模擬來評估 OPA392 做為 TIA 同時與光電二極體連接的效能。可以在 OPA392 產品頁面的「設計工具和模擬」索引標籤下或直接透過此連結下載模擬。
可攜式診斷的連接性：
SimpleLink Bluetooth® 裝置 (例如 CC2640 系列裝置) 有助於解決將 Bluetooth Low Energy 加入到健康診斷設備的設計挑戰。
例如：
- 小尺寸 (CC2640R2F 晶圓晶片級封裝中最低 2.7 mm x 2.7 mm 和整合式被動裝置的 7 mm x 7 mm CC2652RSIP 系統級封裝模組) 適合設計到空間受限的應用。
- 我們的SimpleLink 感測器控制器產品組合中的超低功耗裝置使用最低 0.94 µA 的待機電流，有助於盡可能延長電池壽命。
- 這些裝置也具有安全優勢，例如安全啟動、128 位元和 256 位元進階加密標準、真實亂數產生器等等。
