(57)【要約】【課題】  入力における寄生直列抵抗の影響を低減する高精度の電流・電圧変換回路を提供する。【解決手段】  第１の電流（ＩＳ）を示す出力電圧に第１の電流を変換する集積化電流・電圧変換回路は、第１の抵抗（Ｒ）に接続可能な第１の接触パッド（ＣＰ１）、第２の接触パッド（ＣＰ２）、および第３の接触パッド（ＣＰ３）を含む。第１の演算増幅器（ＯＰ１）は、第１の電圧を生成する第１の接触パッドに接続される第１の入力、基準電圧（Ｖｒｅｆ）を受け取る第２の入力、および第３の接触パッド（ＣＰ３）に接続される第１の出力を有する。第２の電圧（Ｖ１）が第３の接触パッドに現れる。第２の演算増幅器（ＯＰ２）は、第３の電圧（Ｖ２）が現れる第２の出力、第２の出力に接続される第１の入力、および第２の接触パッド（ＣＰ２）に接続される第２の入力を有する。出力電圧は、第２の電圧（Ｖ１）と第３の電圧（Ｖ２）との差とほぼ等しい。
2005538341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電流を該第１の電流を示す出力電圧に変換するために、第１の接触パッド、第２の接触パッド、および第３の接触パッドを含み、前記第１の接触パッドおよび第２の接触パッドは第１の抵抗に接続可能に構成された、集積化電流・電圧変換回路であって、
前記第３の接触パッドに接続される第１の電圧を生成する第１の入力、基準電圧を受け取る第２の入力、および第２の電圧が現れる前記第１の接触パッドに接続される第１の出力を有する、第１の演算増幅器と、
第２の出力、該第２の出力に接続される第１の入力、および前記第２の接触パッドに接続される第２の入力を有し、前記第２の出力において第３の電圧を生成する第２の演算増幅器と、
を備え、
前記出力電圧が前記第２の電圧と前記第３の電圧との差とほぼ等しい、集積化電流・電圧変換回路。
【請求項２】
前記抵抗は外部抵抗である、請求項１に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項３】
前記第２の接触パッドと前記第３の接触パッドとの間に接続されるトランスファーゲートをさらに備える、請求項２に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項４】
前記トランスファーゲートは寄生抵抗を含む、請求項３に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項５】
前記トランスファーゲートと前記第３の接触パッドとの間に接続される第１の静電気放電抵抗をさらに備える、請求項３に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項６】
前記第２の接触パッドと前記トランスファーゲートとの間に接続される第２の静電気放電抵抗をさらに備える、請求項５に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項７】
前記出力電圧は、前記第１の静電気放電抵抗および前記第２の静電気放電抵抗とは実質的に依存しない、請求項６に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項８】
前記第２の演算増幅器はユニティゲインの演算増幅器である、請求項７に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項９】
第１の物質に第１の電圧を印加して、前記第１の物質中の第２の物質の濃度を示す第１の電流を前記第１の物質に誘導する第１の接触パッドと、第１の抵抗に接続可能な、前記第１の電流を流す第２の接触パッドおよび第３の接触パッドとを含むタイプの集積化電流・電圧変換回路であって、
前記第１の接触パッドに接続される前記第１の電圧を生成する第１の入力、基準電圧を受け取る第２の入力、および第２の電圧が現れる前記第３の接触パッドに接続される第１の出力を有する、第１の演算増幅器と、
第２の出力、該第２の出力に接続される第１の入力、および前記第２の接触パッドに接続される第２の入力を有し、前記第２の出力において第３の電圧を生成する第２の演算増幅器と、
を備え、前記第２の電圧と前記第３の電圧との差は前記濃度を示す、集積化電流・電圧変換回路。
【請求項１０】
前記第１の物質は血液であり、前記第２の物質はグルコースである、請求項９に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項１１】
前記第１の抵抗は高精度抵抗である、請求項１０に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項１２】
前記抵抗は外部抵抗である、請求項１１に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項１３】
前記第１の接触パッドと前記第２の接触パッドとの間に接続されるトランスファーゲートをさらに備える、請求項１２に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項１４】
前記トランスファーゲートは寄生抵抗を含む、請求項１３に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項１５】
前記第１の接触パッドと前記トランスファーゲートとの間に接続される第１の静電気放電抵抗をさらに備える、請求項１３に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項１６】
前記トランスファーゲートと前記第２の接触パッドとの間に接続される第２の静電気放電抵抗をさらに備える、請求項１５に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項１７】
出力電圧は、前記第１の静電気放電抵抗および前記第２の静電気放電抵抗に実質的に依存しない、請求項１６に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項１８】
出力電圧は前記寄生抵抗に依存しない、請求項１６に記載の集積化電流・電圧変換回路。
【請求項１９】
バイオセンサ上の血液サンプル中におけるグルコースの濃度を測定する装置であって、
前記濃度を示す出力電圧を生成する集積化電流・電圧変換回路であって、第１の電圧を前記バイオセンサに印加して、前記濃度を示す第１の電流を前記バイオセンサに誘導する、第１の接触パッドを含み、かつ第２の接触パッドおよび第３の接触パッドを含み、さらに、
前記第２の接触パッドと前記第３の接触パッドとの間に接続される、前記第１の電流を流す第１の抵抗、
前記第１の接触パッドに接続される前記第１の電圧を生成する第１の入力、基準電圧を受け取るように接続される第２の入力、および第２の電圧が現れる前記第３の接触パッドに接続される第１の出力を有する、第１の演算増幅器、および
第２の出力、該第２の出力に接続される第１の入力、および前記第２の接触パッドに接続される第２の入力を有し、第３の電圧を生成する第２の演算増幅器
を備え、前記出力電圧は、前記第２の電圧と前記第３の電圧との差とほぼ等しい、前記集積化電流・電圧変換回路と、
前記出力電圧のデジタル表現を生成するアナログ・デジタル変換器と、
前記デジタル表現を受け取って処理し、前記濃度を求めるプロセッサと、
を備える、バイオセンサ上の血液サンプル中におけるグルコースの濃度を測定する装置。
【請求項２０】
前記第１の抵抗は高精度抵抗である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１の接触パッドと前記第２の接触パッドとの間に接続されるトランスファーゲートをさらに備える、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１の接触パッドと前記トランスファーゲートとの間に接続される第１の静電気放電抵抗をさらに備える、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第２の接触パッドと前記トランスファーゲートとの間に接続される第２の静電気放電抵抗をさらに備える、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記第１の出力電圧は、前記第１の静電気放電抵抗および前記第２の静電気放電抵抗によらない、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記電流・電圧変換回路と前記アナログ・デジタル変換器との間に接続されて、前記第１の出力電圧を修正する信号処理回路をさらに備える、請求項１９に記載の装置。
【請求項２６】
前記信号処理回路に接続される、前記濃度を表示するディスプレイをさらに備える、請求項２５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には電流・電圧変換器に関し、より詳細には、入力における寄生直列抵抗の影響を低減する高精度の電流・電圧変換回路に関する。さらにより詳細には、本発明は、血糖含量を測定する高精度の装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
グルコースは、身体、特に脳の重要なエネルギー源である単糖である。グルコースはグリコーゲンの形態で体内に蓄積される。通常、血液中のグルコース濃度は、インスリンおよびグルカゴン等のホルモンにより約５ｍｍｏｌ／ｌに維持される。血糖濃度がこの値よりも下がると、低血糖症等の神経症状および他の症状が生じる場合がある。一方、血糖値が正常値を越える（例えば、約１０ｍｍｏｌ／ｌより高い）と、真性糖尿病の症状である高血糖症が発症する場合がある。したがって、血液中のグルコースの濃度を適切な値に維持せねばならないことが極めて重要である。
【０００３】
残念ながら、人によっては、おそらく疾患または外傷が原因で血液中のグルコースを適切な値に維持することができない。このような場合、血糖濃度は通常、例えば血液中のグルコース量を減らすインスリンの使用によって、適切な値に変更することができる。これとは反対に、静注入液の注入により、またはある特定の食品／液体を食べる／飲むことにより、グルコースを血液に追加することもできる。当然、血糖値濃度を正しく調整できる前に、現在または既存の値を正確に測定する必要がある。
【０００４】
グルコース濃度を測定するための１つの実行可能な技法は、血液サンプルをバイオセンサにかけることを伴う。次に、制御された電圧をバイオセンサに印加する。その結果生じる電気化学反応により、グルコース濃度に符合する大きさの電流がサンプルに流れる。この電流は、例えば血糖測定器の電流・電圧（Ｉ／Ｖ）変換回路の入力に印加される。Ｉ／Ｖ変換器は、グルコース濃度に符合する電圧を生成し、この電圧は次に、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器に印加することができる。続いて、Ａ／Ｄ変換器はＩ／Ｖ変換器により供給された電圧の正確な（例えば、１０〜１６ビットの）デジタル表現を生成する。次に、このデジタル表現はプロセッサに供給され、プロセッサは、以前に求められた較正を適用することによってデジタル表現を解釈して、血糖値を定量的に求める。次に、この値の処理、履歴作成のための保存、表示等を行ってもよい。明らかに、得られる血糖測定の精度は、Ｉ／Ｖ変換器が生成する電圧の精度に大いに依存する。
【０００５】
Ｉ／Ｖ変換器は、入力として基準電圧を受け取る集積化演算増幅器を備えていてもよく、その基準電圧を増幅器のオフセット電圧（事実上無視してよい）と合わせて、血液サンプルに接続された第１のポートまたは接触パッドに供給する。この第１のポートは第２のポートまたは接触パッドにも接続され、増幅器の出力は第３のポートまたは接触パッドに接続される。次に、サンプルで生じる電流は、第２のポートまたは接触パッドと第３のポートまたは接触パッドとの間に接続された高精度の外部帰還抵抗（すなわちチップの外部）に流れる。理論上、外部抵抗の両端の電圧降下は、血液サンプルで生じる電流を非常に正確に反映する。しかしながら、集積化回路は通常、全ての入力ポートまたはパッドに関して静電気放電（ＥＳＤ）防護を必要とするため、問題が生じる。この防護の必要部分は、ポートまたはパッドに接続されたオンチップの寄生抵抗の形態になる。このような抵抗は温度に伴ってドリフトする場合があるため、電流・電圧変換プロセスの誤差および変動の原因となる。
【０００６】
それ自体が寄生抵抗を有するトランスファーゲートがＩ／Ｖ変換器の回路部に導入される場合、問題はさらに複雑になる。血糖測定器のポート数が限られているため、このようなトランスファーゲートが必要な場合があり、また、Ｉ／Ｖ変換器回路部に関係ない他の目的（例えば、オンチッププロセッサとの通信、血液検出等）のために、上記の第１のポートまたは接触パッドを用いることが必要な場合がある。トランスファーゲートは、Ｉ／Ｖ変換器を電気的に含むかまたは絶縁する（electrically include or isolate）ためにオンおよびオフに切り替えることができるスイッチとしての役割を果たす。トランスファーゲートの寄生抵抗は、電流・電圧変換プロセスにさらなる誤差をもたらす。
【０００７】
したがって、得られる出力電圧への寄生抵抗の影響を実質的に低減する、血糖測定器で用いる高精度の電流・電圧変換器回路が必要である。
［発明の概要］
本発明の態様によると、第１の電流を示す出力電圧に第１の電流を変換する集積化電流・電圧変換回路が提供される。回路は、第１の接触パッド、第２の接触パッド、および第３の接触パッドを含み、第１の接触パッドおよび第２の接触パッドは第１の抵抗に接続可能である。第１の演算増幅器は、第３の接触パッドに接続される第１の電圧を生成する第１の入力、基準電圧を受け取る第２の入力、および第１の接触パッドに接続される第１の出力を有する。第２の演算増幅器は、第３の電圧が現れる第２の出力、第２の出力に接続される第１の入力、および第２の接触パッドに接続される第２の入力を有する。出力電圧は、第２の電圧と第３の電圧との差とほぼ等しい。
【０００８】
本発明のさらなる態様によると、血液サンプル中のグルコースの濃度を測定する装置が提供される。集積化電流・電圧変換回路は、血糖濃度を示す出力電圧を生成し、第１の電圧をサンプルに印加して血糖濃度を示す第１の電流をサンプルに誘導する第１の接触パッドを含む。第１の抵抗が、第２の接触パッドと第３の接触パッドとの間に接続されて、第１の電流を流す。第１の演算増幅器は、第１の接触パッドに接続される第１の電圧を生成する第１の入力、基準電圧に接続される第２の入力、および第３の接触パッドに接続される第２の電圧を生成する第１の出力を有する。第２の演算増幅器は、その出力において第３の電圧を生成し、その出力に接続される第１の入力、および第２の接触パッドに接続される第２の入力を有する。出力電圧は、第２の電圧と第３の電圧との差とほぼ等しい。アナログ・デジタル変換器は、出力電圧を示すデジタル表現を生成し、デジタル表現はプロセッサで受け取られて処理される。
【０００９】
以下の図面は、本発明の特定の実施形態を示しており、したがって本発明の範囲を制限するものではなく、本発明の正しい理解を導くことを助けるために提示されている。図面は（特記されない限り）一定の縮尺ではなく、以下の詳細な説明の内容とともに用いられることが意図される。本発明は、添付図面とともに本明細書中以下で説明され、添付図面において、同様の参照符号は同様の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の説明は本来例示であり、本発明の範囲、適用可能性、または構成を限定するものではない。むしろ、以下の説明は、本発明の例示的な実施形態を実施するのに便利な説明を提供する。本発明の範囲から逸脱せずに、本明細書で説明される要素の機能および構成に関して、説明される実施形態に種々の変更を行うことができる。
【００１１】
図１は、血糖測定器のブロック図である。電流・電圧変換器１２が、血液サンプル１０に電圧を印加する。これにより生じる電気化学反応により、バイオセンサに電流が生じ、この電流の大きさはバイオセンサのグルコース濃度によって異なる。次に、電流・電圧変換器１２がこの電流をアナログ電圧に変換し、アナログ電圧は、信号調整回路１４に印加される。信号調整回路１４は、アナログ・デジタル変換器１６に印加するのに適するように、電流・電圧変換器１２が生成した電圧に作用する。例えば、信号調整回路は、レベルシフタ、ゲイン調整回路、シングルエンド・差動変換器等、または電流・電圧変換器１２が生成する電圧をアナログ・デジタル変換器１６による入力および変換に適した形にするのに必要な任意の他の回路部を備えていてもよい。
【００１２】
アナログ・デジタル変換器１６は、その入力に印加されるアナログ電圧信号の高分解能デジタル変換を行なう。例えば、アナログ・デジタル変換器１６は、最下位ビットが血液サンプル１０において生じるナノアンペアの電流を示す、１６ビットアナログ・デジタル変換器を含んでもよい。
【００１３】
次に、信号調整回路１４の出力に現れる電圧のデジタル表現が、アナログ・デジタル変換器１６によって、デジタルプロセッサ１８の入力に供給される。プロセッサ１８は、以前に求められた較正に従ってアナログ・デジタル変換器１６により供給されるデジタル表現を解釈して、血糖濃度を定量的に求める。次に、この濃度値がディスプレイ２０（例えば、ＬＣＤディスプレイ）に表示され、血糖濃度履歴の作成のために保存され、または任意の他の所望の方法で処理されてもよい。デジタルプロセッサ１８は、制御部２２の影響下で動作し、制御部２２は、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ、測定開始スイッチ、ディスプレイスイッチ等のような血糖測定器を操作する適当な手動制御部を含む。
【００１４】
図２は、図１に示す血糖測定器で用いる理想的な集積化電流・電圧変換器の概略図である。回路は、演算増幅器ＯＰ１、および高精度の零温度係数の外部帰還抵抗Ｒを備える。外部抵抗Ｒは、集積化回路上の接触パッドＣＰ２およびＣＰ３に接続される。演算増幅器ＯＰ１は、接触パッドＣＰ３に接続される出力と、接触パッドＣＰ１および接触パッドＣＰ２に接続される反転入力と、端子２４の基準電圧Ｖ２を受け取るように接続される非反転入力とを有する。第２の電圧Ｖ１が、接触パッドＣＰ３に接続される出力端子２６に現れる。最後に、図２に示されるように、バイオセンサ１０が接触パッドＣＰ１に接続される。
【００１５】
図２に示す電流・電圧変換器は以下のように動作する。基準電圧Ｖ２が、演算増幅器ＯＰ１の非反転入力に印加される。演算増幅器の特性は、その非反転入力および反転入力に現れる電圧を同じにすることであるため、Ｖ２とほぼ等しい電圧と演算増幅器ＯＰ１のオフセット電圧とを合わせたものが接触パッドＣＰ１に現れる。演算増幅器ＯＰ１のオフセット電圧（すなわち、Ｖｉｏ１）は極めて小さくすることができ、無視できるものと見なしてよいことを、始めに留意するべきである。接触パッドＣＰ１に現れる電圧は、バイオセンサ１０において電気化学反応を起こさせ、これにより電流ＩＳが生成されてバイオセンサ１０を流れる。電流は演算増幅器ＯＰ１の入力に流れることができないため、電流ＩＳは、高精度の外部抵抗Ｒに流れなければならない。したがって、誘導電流ＩＳを示す出力電圧は、次式で与えられる。
【００１６】
【数１】
2005538341.tif 000003
式中、ＩＳは血液サンプル中に誘導された電流であり、Ｒは帰還抵抗の抵抗値Ｒであり、Ｖｉｏ１は演算増幅器ＯＰ１のオフセット電圧である。
【００１７】
図２に示す回路は、電流・電圧変換プロセスに誤差を導く上述のＥＳＤ抵抗を含まないという点で理想的である。さらに、前述のタイプのトランスファーゲートが電流・電圧変換器の回路部に導入される場合、さらなるトランスファーゲートオン抵抗、したがってさらなる誤差が、変換プロセスに導かれる。したがって、より現実的な状況を図３に示す。
【００１８】
図３は、通常の電流・電圧変換器の概略図である。前述のように、得られる血糖測定値の精度は、電流・電圧変換器が生成する電圧の精度に大いに依存し、Ｖ１−Ｖ２は高精度外部抵抗Ｒに流れる誘導電流ＩＳと概ね等しいため、非常に正確な血糖測定を行うことができる。残念ながら、集積化回路は通常、全ての入力ポートまたは接触パッドに静電気放電防護が施されていることを必要とする。これは通常、接触パッドに接続されたオンチップ抵抗の形態で見られ、温度に伴ってドリフトして、回路に誤差を導く可能性がある。図３を参照すると、静電気放電抵抗ＥＤＲ１、ＥＤＲ２、ＥＤＲ３、およびＥＤＲ４が、図２に示す回路に追加されている。さらに、制御端子２８を有するトランスファーゲートＴＧが、静電気放電抵抗ＥＤＲ１とＥＤＲ２との間に挿入されている。したがって、静電気放電抵抗ＥＤＲ１は、ノード３０とトランスファーゲートＴＧの第１の端子との間に設置され、第２の静電気放電抵抗ＥＤＲ２は、トランスファーゲートＴＧの第２の端子と接触パッドＣＰ２との間に設置され、第３の静電気放電抵抗ＥＤＲ３は、ノード３０と演算増幅器ＯＰ１の反転入力との間に設置され、第４の静電気放電抵抗ＥＤＲ４は演算増幅器ＯＰ１の出力と接触パッドＣＰ３との間に設置されている。ここで、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差は、次式で与えられる。
【００１９】
【数２】
2005538341.tif 000004
式中、ＲＴＧはトランスファーゲートＴＧにおける抵抗である。項を組み合わせると、以下となる。
【００２０】
【数３】
2005538341.tif 000005
式（３）の括弧内の抵抗による電圧降下は、これらの抵抗がプロセスおよび温度ドリフトを受けるため、電流・電圧変換器プロセスの誤差および変動の原因となることを理解すべきである。
【００２１】
図４は、図３に関連して述べた問題をほぼ回避する、本発明の電流・電圧変換器の概略図である。ユニティゲインの演算増幅器ＯＰ２の出力は端子２４および反転入力に接続され、非反転入力は静電気放電抵抗ＥＤＲ５を介して接触パッドＣＰ２に接続される。さらに、演算増幅器ＯＰ１の非反転入力は、ここでは端子３２の基準電圧（ＶＲＥＦ）に接続される。
【００２２】
ここで、端子２６および２４にそれぞれ現れる電圧Ｖ１およびＶ２は以下のように表すことができる。
【００２３】
【数４】
2005538341.tif 000006
式中、Ｖｉｏ２は演算増幅器ＯＰ２のオフセット電圧である。したがって、端子２６および２４にそれぞれ現れる電圧Ｖ１および電圧Ｖ２の差は、以下で与えられる。
【００２４】
【数５】
2005538341.tif 000007
すなわち、演算増幅器ＯＰ２のオフセット電圧は極めて小さく、したがって無視できるため、電圧 Ｖ１−Ｖ２  は、高精度抵抗Ｒに流れる誘導電流ＩＳと概ね等しい。したがって、電圧 Ｖ１−Ｖ２  は、血液サンプル１０中に誘導される電流ＩＳの非常に正確な電圧変換を示す。静電気放電抵抗ＥＤＲ３およびＥＤＲ５には電流が流れないため、これらが上記の式（４）、（５）、および（６）の因子ではなかったことは明らかである。
【００２５】
上記明細書では、特定の実施形態に関して本発明を説明した。しかしながら、添付の特許請求項に記載される本発明の範囲から逸脱せずに、種々の変更および変形を行うことができることを理解すべきである。したがって、本明細書および図は限定的なものではなく例示的なものと見なすべきであり、全てのかかる変更は、本発明の範囲内に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】血糖測定器のブロック図である。
【図２】理想的な電流・電圧変換器の概略図である。
【図３】通常の電流・電圧変換器の概略図である。
【図４】本発明による電流・電圧変換器の概略図である。
【図１】
2005538341.tif 000008
【図２】
2005538341.tif 000009
【図３】
2005538341.tif 000010
【図４】
2005538341.tif 000011
【国際調査報告】
2005538341.tif 000012
2005538341.tif 000013
2005538341.tif 000014