（微电子学与固体电子学专业论文）基于自组装膜生物传感微阵列的数字读出电路研究.pdf

中文摘要 摘要 自组装膜( s a m s ) 生物传感微电极阵列( 微阵列) 是生化领域与微电子领域 的重要结合，是本世纪的热点研究方向。本课题针对l 5 安培型s a m s 传感微阵 列的微弱电流信号，对其c m o s 模拟读出电路以及与模数转换器( a d c ) 结合的 关键技术进行了研究，为生物微传感器的单芯片集成打下基础。 首先，以安培型s a m s 生物传感微阵列为研究对象，分析了其输出信号的特 点，根据传感微电极的反应特性，建立了传感微电极的电学模型。 其次，采用恒电位仪电流积分结构，将传感微电极的信号引入到读出电路中， 隔离模拟读出电路部分与传感微阵列部分，使两部分的信号之间不会互相干扰， 保证了传感微阵列正常稳定的工作；同时恒电位仪中的运算放大器采用了5 个运 算放大器共享一个半边的电路结构，有效降低了电路的功耗，节省了版图面积， 保证了读出电路工作的稳定性。最后，对该单元进行了s p e c 仃e 模拟仿真。在读出 电路中，相关双采样( c d s ) 技术是目前应用最为成功的噪声抑制技术。c d s 可 以降低读出电路的噪声。提出了一种新的相关双采样电路，并对其进行了s p e c 仃e 模拟仿真。 然后，采用了一种适合生物传感微阵列读出电路的中速、低功耗a d c 逐 次逼近型( s a r ) a d c 把读出电路的模拟信号转换成数字信号，实现生物传感器 信号的数字化。高速比较器是采用三级运算放大器级联结构设计的；d a c 则是采 用了高位按电荷等比例缩放、低位按电压等比例缩放的优化组合方案实现。 最后，对整体电路进行了s p e c 仃e 模拟仿真，并采用o 6 md p d mn 阱标准 c m o s 工艺规范，设计了读出电路版图。 仿真结果表明：与其它文献相比，生物传感器输出随输入变化的等间距效 果更好，c d s 保持电路对积分电压具有良好的响应度。生物传感器读出电路的 输出转换电压在生物电流从0 5 0 n a 的范围内变化时具有很好的线性关系，传感器 单元具有宽的动态响应范围，输出电压具有大于3 v 的较大输出摆幅。a d c 能 很好的完成模数转换功能，其最大积分非线性误差( i n l ) 为1 l s b ，在采样电压 为3 v 、采样速率为5 0 k s p s 情况下，功耗仅为0 9 3 m w 。数字读出电路对传感 微阵列信号有着良好的线性关系。 关键词：自组装膜，生物微传感阵列，读出电路，相关双采样，逐次逼近a d c 英文摘要 a b s t r a c t s e l f a s s e n l b l e d m o n o l a y e r s( s a m s ) b i o s e n s o rm i c r o a r r a y s a r e i m p o n a i l t 伽s s d i s c i p l i n 哪r e s e a r c ha r e ao v e rb o t h b i o c h 锄i c a lf i e l da n dm i c r o e l e c 仃o n i cf i e l d i t h a sb e e i l a t 仃a c t i n gm u c h 扰e n t i o n 嬲an o v e lt e c h n o l o g yo ft h i sc e n t u 够 t h i s d i s s e r t a t i o np r e s e l l t sat h o r o u g hs m d yo nt h ew e a k 吼盯e n tr e a d o u tc i r c u i ta sw e l la st h e i n t e 铲a t i o no fa d cu s e df o rl 5s a m sa m p e r o m e t r i cb i o s e n s o rm i c r oa r r a y sw h i c h f o m l i n gs o m ef o u n d a t i o nf o rm o n o l i t h i ci n t e 黟a t i o no fb i o s e n s o r s f i r s t l y ，a i m i n g a tm es a m ：s a m p e r o m 嘶cb i o s e n s o r m i c r o a 仃a y s ， t h e c h a r a c t 耐s t i c so ft h es i g n a l 行o mi t sm i c r o e l e c t r o d e s o u t p u th a sb e e ns t u d i e d a c c o r d i n gt ot h er e a c t i o n 州n c i p l eo f t h em i c r o e l e c 们d e s ，ap r o p e rc i r c u i tm o d e lo ft h e s e ! i l s o ri sb u i l t s e c o n d l y ，ap o t e n t i o s t a tc 岫r e l l ti n t e g m t i o nu n i ti su s e dt ot h er e a d o u tc i r c u i t ；i t c o u l d 仃a n s d u c e rt l l es i 朗a lo fm i c r 0e l e c t r o d e st 0t h ec m o sr e a d o u tc i r c l l i ta n d s 印a r a t i n gm er e a d o u tc i r c u i ta i l dt h em i c ma r r a y s ，m a l ( i n gs u r et 1 1 e r ei sn oi n t e r f h e n c e b e 觚e e i lt l l e 俩op a r t s s o ，t 1 1 eb i o s e l l s o rm i c r oa r r a y sc a i lw o r ki i las t a b l es t a t e a tt l l e s a m et i m e ，f i v e 锄p l i f i e r si i lm ep o t e n t i o s t a tc i r c u i ts h a r eac o m m o nh a l f c i r c u i t ，w i m t l ：l i sm e m o d ，m ep o w e rs u p p l yc o u l db er e d u c e da 1 1 dt h ei cl a y o u ta r e ao ft h ec i r c u i t c o u l db es a v e d ，a i l dt h es t a b i l i t yo ft h ec i r c u i tc a i lb ee n s u r e d 1 1 1 eu 硫i ss i m u l a t i o n v e r i f i e dw i t hs p e c t r es i m u l a t o r c d si saw i d e s p r e a dn o i s er e d u c t i o nm e m o df o r d i s c r e t e t i m eo u t p u ts i 印a 1 an e wc d sc i r c u i ti sd e s i 盟e da n ds i m u l a t i o nv e r i f i e d 1 1 1 i r d l y ，w eu s eas u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o n ( s a r ) a d ct oc o n v e na l l a l o gs i 印a l s i n t od i 西t a ls i g n a l sf o rr e a d o u tc i r c u i t ，t oa c h i e v eb i o s e n s o rd i g i t a l s i g n a l i t sa m e d i u m - s p e e d ，l o wp o w e ra d ct h a ti ss u i t a b l ef o rm i c r oa r r a y sb i o s e i l s o rr e a d o u t c i r c u i t t h ek 曲s p e e dc o m p a r a t o ri su s e dm es 伽l c t l l r eo fm r e e t i e rc a s c a d eo p e r a t i o n a l 锄p l i f i e r ；a i l dd a c i sr e a l i z e do fap o r t f o l i oo p t i m i z a t i o np r o 鲫n ，t l l em s bi su s e d c h a 玛es c a l i n gd a c a n dl s bi su s e dv o l t a g es c a l i n gd a c f i n a l l y ，t h ew h o l ed i 西t a lr e a d o u tc i r c u i ti s s i m u l a t i o nv 鲥f i e dw i t l ls p e c t r e s i m u l a t o r a i l d 廿l el a y o u to fd i 百t a lr e a d o u tc i r c u i ti sd e s i g n e dw i t h0 6 p md p d m n w e l lc m o s p m c e s s 1 l l es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ef o i l o w s c o m p a r e dw i mo t h e rl i t e r a t u r e s ，t h eo u t p u t c h a l l g e db ya l m o s ts y n c h r o n i z e st ot h ei n p u ts i 舶a l s c d sh o l d i n gc i r c u i th a sag o o d r e s p o n s i v e i l e s st oi n t e 铲a 1v o l t a g e t h eo u t p u tt r a i l s f e rv o l t a g eo fm i c r ob i o s e i l s o r i i l 重庆人学硕七学俺论文 r e a d o u tc i r c u i tp r e s e n t sag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pa tm er a n g eo f0t o5 0 n ao fb i o l o 舀c a l c u r r e n t ，aw i d ed y n 锄i cr e s p o n s er a n g ea n d 觚o u t p u ts w i n go fg r e a t e rt h a n3 v a r ea l s o o b t a i n e d t h ea d ch a sag o o dp e r f o m a i l c et oc o m p l e t ea n a l o gt 0d i 舀t a lc o n v e r s i o n ， i t sm a x i m u mi n t e 黟a ln o n l i n e a r i t y r ( i n l ) i s - 1l s b ，i n 也es 锄p l ev o l t a g ei s3 vm e s a m p l i n gr a t eo f5 0 k s p sc i r c u m s t a n c e s ，t h ep o w e rc o n s 啪p t i o no fa d ci so l l l y 0 9 3 m w m ed i 西t a l r e a d o u tc i r c u i tp r e s e n t sag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pf o r b i o s e n s o r m i c ma 1 1 r a y ss i g n a l k e yw o r d s ：s a m s ，b i o s e n s o rm i c r 0a m y s ，r e a d o u tc i r c u i t ，c d s ，s a ra d c i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的 士 学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彩仁勃 导师签名： 签字日期：少罗工话 签字日期：卅r 以厂 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程 ) ，愿意将本人的一士学位论文c d o r i c 匕= t l l 咖i s t o r l i g h t 匕= = f i b e r ，p h o t o m e t e r - m a s s 匕= p i e z o c 巧s t a l se t cr m o l e c u l e r e c o 印1 1 0 n 图2 1 生物传感器的传感原理 生物传感器是生物活性材料( 酶、蛋白质、d n a 、抗体、抗原、生物膜等) 与物理、化学传感器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术和生命科学必不 重庆人学硕十学侮论文 可少的一种先进的检测方法与监控手段，也是物质分子水平的快速、微量分析方 法 5 】，其原理如图2 1 所示，待测物质经扩散作用进入固定化生物敏感膜层( 生物功 能性膜) ，经分子识别，发生生物化学反应，产生的信息被相应的化学或物理换能 器转变成可定量和可处理的电信号，再经检测电路放大及仪器检测并输出，便可 知道待测物参数。 2 1 2 自组装成膜技术 s a m s 是分子通过化学健相互作用自发吸附在固一液或气一固界面形成的热 力学稳定和能量最低的有序膜。当吸附分子存在的情况下，局部已形成的无序单 层可以自我再生成更完善的、有序的s a m s ，其主要特征如下【6 】：原位自发形 成；热力学稳定；无论基底形状如何，其表面均可形成均匀一致的覆盖层； 高密度堆积和低缺陷浓度；分子有序排列；可人为设计分子结构和表面 结构来获得预期的界面物理和化学性质；有机合成和制膜有很大的灵活性。与 其他方法相比，s a m s 具有更好的稳定性和化学结构、氧化还原活性，它简单易得， 取向有序，性质多样化，还可以预期膜的结构，被喻为是单分子膜化学修饰电极 发展的最高形式，成为研究有关表面和界面各种复杂现象的理想模型体系【7 】。 s a m s 作为最为理想的人工仿生生物膜，而目前关于s 川s 的大部分研究大多 仍然是在传统的电极上研究化学修饰电极。传感器的研究应朝着微型化、多功能 化和集成化的方向发展。 2 1 3 微阵列简介 电化学生物传感器是具有电化学信号转换器的生物传感器，一般认为电化学 信号转换器是一个化学修饰电极。以电导、半导体或者离子导电的材料构成电化 学电极作为信号转换器，涂上一层生物化学或生物薄膜作为敏感元件，最后以电 信号为特征检测信号。根据电信号测定方式的不同，一般可分为电流式、电位式 和电导式三类，电流式和电位式占主导地位。 微电极一般指电极的一维尺寸至少在一个方向上是微米级。电极的微型和超 微型化的意义不仅在于可以节省稀有样品和贵重材料，满足特殊和微小场合下的 测试，更重要的是它表现出许多优良的电化学特性，如【8 l ：高稳态电流密度。 由于非线性扩散增加了它的传质速率，使电极电流能迅速达到稳态；高信噪比。 微电极上的峰电流i p 与电极半径的倒数1 厂呈线性关系，而充电电流密度i c 只与 扫描速率成正比，与电极半径无关，因此电极半径减小时，电极的信噪比( i p i c ) 增大；极小时间常数。微电极能够快速响应，其时间常数可低于l p s ；低溶 液电位降。微电极上的极化电流一般在1 0 。9 a 数量级，甚至可达l o d 2 a 数量级， 欧姆压降小。同时，超微电极的尺寸很小，在检测过程中基本不破坏被测物体， 用于生物活体分析。因此，在快速电极过程的研究、高阻抗电解质体系中的测量 6 2 自组装膜微电极传感器 和生命科学领域都得到了应用。 微阵列由同时制作在硅基上排成阵列的多个微电极构成。其几何尺寸、布局， 可随应用的要求而改变，典型电极尺度为直径3 0 5 0 m ，间隙l o o 2 0 0 “m 。微 电极的表面镀有一层金属材料例如铂、金、钛氮化物和铟锡氧化物等。由于微阵 列具有优异的电化学特性，以微阵列为基础电极的各类化学传感器发展相当迅速， 现正朝着微型化、集成化和智能化的方向发展。 2 2 传感器工作原理 本课题的s a m s 的微阵列生物传感芯片具有多目标同时检测功能，即根据传 感微阵列的每个单元固定化生物组分的不同，可实现不同目标的检测。既可以一 个单元固定化一种生物组分，以实现一个单元完成一种目标检测，如a l d e r o n b i o s c i e n c e s 公司的电化学生物传感器提供了9 6 个电极的阵列，即同时可以进行9 6 个样本的检测，也可以多个单元固定化同一种生物组分，实现同一目标的多次检 测，从而提高检测的可靠性。 下面以安培型酶免疫传感器来说明其工作原理。与测定抗原抗体反应有关的 传感器称为免疫传感器，即是将免疫测定法与传感技术相结合而构建的一类新型 生物传感器。电流型免疫传感器代表了生物传感中高度发达的领域，已有部分产 品已商品化。它们测量的是恒定电压下通过电化学室的电流，待测物通过氧化还 原反应在传感电极上产生的电流与电极表面的待测物浓度成正比。 安培型酶免疫传感器是利用抗原体之间的特异性亲和作用以及酶的催化作 用，完成生物量和电化学量之间的转化，从而实现定量及其量化的免疫检测的分 析设备【9 】。通过抗原体之间的特异性亲和作用，传感器能够实现对待测分子特异性 识别作用；通过标识酶与其底物之间的氧化还原反应产生电化学信号的变化，使 传感器实现从生物量到电化学量的转化；变化的电化学反应信号反映在电极上， 产生可测的电流信号，通过检测产生的电流信号实现检测，其反应原理如图2 2 所 示【l o 】。 在对抗原或抗体进行定量监测时，反应中加入抗原和抗体的浓度与形成免疫 复合物的浓度成函数关系，根据免疫复合物产生的多少来推算样品中的抗原( 或 抗体) 的含量：在一定的反应条件下，加入的已知抗体( 或抗原) 的浓度一定， 反应产生的免疫复合物多少与待检测样品中含有相应抗原( 或抗体) 量成正比。 也就是抗体浓度一定时，免疫复合物越多则样品中的抗原量也越多。可用实验性 标准曲线推算出样品中抗原( 或抗体) 的含量。 重庆人学硕十学位论文 酶标 抗原 抗体 图2 2 免疫反应原理 f 培2 21 1 1 e 州n c i p l eo fi i m 吼o r e a c t i o n 2 3 传感微电极的输出信号及其电学模型 由于c m o s 工艺的制造周期长、环节多、制程复杂、成本高，所以流片前的 电路仿真成为设计的重要环节。然而，传感微阵列及其输出信号无法与读出电路 一起在e d a 软件上进行整体的模拟仿真，因此不能有效地保证所设计的生物微传 感芯片的仿真结果与实际结果保持一致。因此，建立电路器件的高精度电学模型， 是保证计算机电路仿真准确性的关键。 2 1 3 1 传感微电极的输出信号 当传感器工作时，微电极浸入到被测溶液中，在两端恒定电压的作用下产生 微弱的直流电流信号。图2 3 给出了浓度为5 5 n 咖1 的某待测溶液反应6 0 0 秒时间 内的输出信号曲纠1 1 】。 在图2 4 中给出了传感器在四种不同浓度溶液下的输出信号曲线【i i 】。从图中可 以看出传感器输出电流随待测溶液浓度增加而单调增加。由此可见，传感器的信 号可以反映溶液的特性。同时，可以从图2 5 中看出传感器信号也有一定的重复性， 批内相对标准偏差仅为4 0 8 l i 。 从图中的曲线变化趋势可以看出，由于氧化还原反应需要一定的时间，因此 从溶液歼始反应到建立稳定的电流信号有个过渡过程，不是瞬间完成的，这个 过程大概有6 0 0 秒的时间( 传感微电极的输出参考一般取时间为3 0 0 秒时的输出 值) 。 2 白组装膜微电极传感器 乏 。3 o 甚 箬 j 2 j 导 j o r e s p o n t i i l l e ( s ) 图2 3 传感微电极的输出电流 f i g 2 3t h eo u t p u tc u r r to f m i c r oe l e c 仃o d 髓 r e s p o n s et i i i l e ( s ) 图2 4 传感器信号随溶液浓度的变化 f i g 2 4s e n s o rs i g n a l sc h 锄g ew i mn l es o l u t i o nc o n c e n 仃a t i o n r e s p o n s et i m e ( s ) 图2 5 传感器的重复性测试 f 嘻2 5s e i l s o r 哪t a b i l i 哆t 嚣t 9 一，o一一_ii芒ju芎9jo o一一_g匕；u；etlo 重庆人学硕十学位论文 同时，从图中可以看出，该条件下反应的输出电流照大值约为2 5 r 1 a ，为满足 一般反应的要求，设计的读出电路能椅测传感微阵列的输出电流范崮为o p a 5 0 n a 。 2 3 2 微电极的结构及其电路模型 传感微阵列是s a m s 生物传感芯片的中固定化的载体，也足生化反应进行的 场所。电流型传感器的一个发展方向即是研究微电极和纳米电极，对电极修饰以 在有效的敏感面积内固定化更多的酶，其目的是用于测定活体单细胞和细胞中各 种离千、分子的活度或浓度， 微阵，4 ，七物传感器的研究工具为微电极，微电极相对于常规电极而占，具有 高稳态电流密度、高信噪比、极小时删常数和低溶液电位降等优点。微电极的极 化电流一般在1 09 a 数量绒甚至町达1 0 4 2 a 数量级吼 常见的电流型微电极是溶解氧微电极，电极的工作原理可咀用极谱分析中的 扩散电流理论米解释。通常情况下，微电极的输出电流大小与主体溶液中的溶解 氧浓度成正比关系”。 ，n 剐s 。d ，气、 z ， 。 其中一为转移电子数，为法拉第常数，爿为微电极阴极面积，为氧分压， z 卅是生物膜的厚度，岛和巩分别是膜中氧的溶解系数和扩散系数。 一种双电极的微电极结构示意图【1 1 如图26 所示。该电极以s l 为衬底，主要 由反应池、传感池、工作电极( w e ) 和对电极( c e ) 等构成。 罔26 微电极的结构图 26 a n h i t e c m h f e l m d d 。 凹27 微电极上作原理 n 9 27 t no h g p f i i l c p l e 图27 给出了微电极s a m s 生物传感的工作原理图，将微电极的一对电极置于 某恒定的电位f ( 03 v 06 v ) 放入待测溶液中，微电极发生氧化还原反应后产 2 白组装膜微电极传感器 生一个与溶液浓度成正比的直流电流信号，其数量级为p a n a 级。 r f c j c 坤 c j r f w e c e c c o 姊 氏n l p ( a ) ( b ) w e c e ( c ) w e c e ( d ) 图2 8 微电极的r c 模型( a ) r c 串联支路模型( b ) 串联转换成并联( c ) r c 并联支路 模型( d ) 最终的r - c 集总模璎 f i g 2 8r - cm o d e l i n go f l em i c r oe l e c 仃o d e ( a ) m o d e l 、) l ，i t l ls 丽骼r - c ( b ) c 0 n v e r s i o no f s 嘶e s - c o 仰e c t e dt op a r a l l e l - c o i l i l e c t e d ( c ) m o d e lw i mp m l l e lr c ( d ) f i n a ll u m 】) e dr c 上飞乡， 重庆人学硕七学位论文 根据文献 1 4 】，图2 8 给出了微电极的模型。微电极的阻抗近似的由欧姆电阻 ( l i i i l i 。) 、法拉第电阻( r f ) 、结电容( c j ) 和平板电容( c p p ) 串联作为单元，然 后等值的进行并联构成。在图2 8 ( a ) 中，每个工作电极与对电极之间都可以描 绘成一系列的r c 串联支路组成；图2 8 ( b ) 是每个串联支路转换为并联支路； 图2 8 ( c ) 为r c 总体的并联支路模型；最后等效成图2 8 ( d ) 中的r c 总模型。 2 4 本章小结 在设计传感器的读出电路之前，必须对传感器的信号特征以及等效电学模型 进行相应的研究。 本章简要的介绍了自组装膜生物传感微阵列，并对传感器的工作原理进行了 分析，对传感微电极的输出信号特征、传感微电极的结构及等效电路模型进行了 介绍，为电路的设计做好了铺挚工作。 1 2 3 传感微阵列模拟读出电路的设计 3 传感微阵列模拟读出电路的设计 3 1 微弱电流信号检测 3 1 1 检测原理 随着生物微传感器的发展，对于微弱信号，尤其是微弱电流信号的检测，提 出了越来越高的要求。微弱信号读出电路的设计，必须克服器件中的匹配偏差和 噪声问题，因而需要研究和开发相应的读出电路及设计方法。 微弱电流信号的检测和放大，最基本的原理就是电流一电压的变换【1 5 】。其原 理图如图3 1 所示。 图3 1 微弱电流信号获取原理图 f i g 3 1t h es c h 锄a t i co f1 0 wc u n e 盯td e t e c t i n g 微电流信号源可以看作内阻非常大的电流源厶，对于输入阻抗和放大倍数为 无穷大的理想运算放大器，电路输出电压与输入电流成比例，即： = 如雎 ( 3 1 ) 理论上，只要电阻肚足够大，即使电流如很小，也可得到较大的输出电压 。例如，肿= 1 0 0 0 m q ，如= l n a ，= 如砰= 1 v 。但在实际应用中，运算放 大器是非理想的，运放输入阻抗不是无穷大，电阻尺f 的增大要受到运放输入阻抗 的限制。 3 1 2 微弱电流信号检测常用方法 由于c m o s 集成电路工艺的发展，微弱电流信号检测不再局限于电化学分析 仪、锁相放大器等大型仪器，一些基于分立元器件电路和c m o s 设计的检测方法 由于成本低廉、性能和精度也越来越好，得到了快速度的发展。微弱电流信号检 测有分立元件检测、c m o s 电流镜积分电路检测、c m o s 开关电容电路检测和 c m o s 电流模电路检测等方法。 分立元件检测电路 分立元件检测电路主要研究重点在器件的选择、布线的讲究、外界噪声的屏 重庆人学硕十学位论文 蔽等问题【1 6 】【18 1 。电路结构一般为取样电阻法和运算放大器电流反馈法两种。 取样电阻法测量微弱电流的原理图如3 2 所示。电路的输出为： + 研 一 图3 2 取样电阻法原理图 f i g 3 2s c h 锄a t i c s 、，i e wo fs a i i l p l i n gr e s i s t a n c e ：叻( 竺些) 批( 竺尝) ( 3 2 ) 心代2 在微弱电流的检测中，除了电路结构，影响测量精度的因素还有很多，如元 器件选择、印刷板布线和安装工艺等。元件的性能在很大程度上决定着电路的性 能，不同功能的电路对电子元器件有不同的要求。在检测微弱电流时要选择输入 级为场效应管的、高增益、低噪声的集成运放；电路中所用电阻应选择温度特性 和频率特性均较好的低噪声高精度金属膜电阻；为降低噪声，应尽量选择低噪声 电容，如云母或瓷介电容及漏电小的钽电容。同时，各元件之间的参数应匹配。 元器件的工作温度稳定是保持微弱信号分辨率的关键环节，电路设计中要尽可能 采取必要的措施，降低元器件的工作温度，如尽可能减低所需的电源电压，因为 内部功耗是器件自热的主要来源，限制输出负载大小以有效减小负载对功耗的影 响。 c m 0 s 电流镜积分电路检测 c m o s 电流镜积分电路也常用作微弱电流信号的检测【1 9 h 2 。袁祥辉【1 9 】、h a l u k k u l a h 【1 8 】等人分别将电流镜积分电路应用于固体图像传感器和红外焦平面阵列。 图3 3 给出了h a l u kk u l a h 等人设计的电流镜积分放大电路。光电二极管的电流 流经m n l 并被m p l m p 4 组成的高摆幅的电流镜镜像给m n 2 。由于m n l 和m n 2 连接成一个电流镜，其栅源电压是相等的，这就导致了二极管偏压近似为零。同 时该结构具有较低的输入阻抗，因此，即使探测器的阻抗较低，也能保证大部分 传感电流注入该读出电路。同时，探测器的感生电流能复制并传送给晶体管m p 5 和m p 6 ，并通过调整的晶体管的尺寸来调整的电流镜的电流增益。电路中c i m 为积 1 4 3 传感微阵列模拟读出电路的设计 分电容，m p 7 和m p 8 构成源随器。电路的电流增益为： 舻等。嚣2 c 嘞c 删， 1 0 图3 3 电流镜积分放大电路 f i g 3 3c u n 勋tm i 仃。血gi n t e g r a t i o n ( c m i ) a m p l i f i e rc 硫u i t ( 3 3 ) c m o s 开关电容电路检测 开关电容是在模拟数据采样技术中为了取代电阻，只由m o s f e t 开关、电容 和运算放大器组成的电路，己成为用标准c m o s 工艺实现模拟信号处理电路的一 种常用方法。开关电容电路其信号处理功能的精度与电容比值的精度成比例。 开关电容经常用来检测微弱电流，t r e i m 猢等人【2 2 】利用开关电容原理来实现 微弱电流的放大。 c m o s 电流模电路检测 电流模( 电流型) 电路是以电流的变化作为信息载体的电路。输入和输出信 号均为电流，整个电路中除晶体管结电压以外，再无其它电压参量的电路，称之 为电流模电路【2 3 】。采用电流模电路检测微弱电流，国内外均有应用【2 4 】【2 9 1 。 3 2 恒电位仪电流检测 在安培型生物微传感器读出电路系统中，恒电位仪是必不可少的组成部分。 它的主要作用是在工作电极和对电极之间保持一个恒定的电压，保证微电极进行 氧化还原反应。同时在传感器部分和读出电路之间起到隔离作用，保证微电极的 化学反应不受读出电路的影响。 恒电位仪电流积分电路对微弱电流信号进行积分，其原理框图如图3 4 所示。 将微电极的一对电极置于某一恒定的电位下( v 耐= o 3 v 0 6 v ) 放入待测溶液中， 重庆人学硕十学位论文 微电极发生反应后产生一个与溶液浓度成正比的直流电流信号厶，该电流信号经 m n 对电容c i n l 进行充电，在电容上形成一个与传感器电流信号毛成比例的积分信 号肿图中，p m o s 晶体管m p 为积分电容c i n t 的复位管，r e s e t 信号为复位信 号。可以看出运算放大器a 工作在负反馈状态，从而维持微电极上有一个固定的 偏压p 同时保证电路稳定性。得到的积分信号，送入后续电路进行去噪，得 到低噪声的积分信号。 f 图3 4 微阵列生物传感器单元读出电路原理图 f i g 3 4s c h 锄a t i c 访e wo fm i c r o 撇yb i o s e i l s o ru n i tr e a d o u tc i r c u i t 3 3 数字读出电路方案 数字读出电路完整的读出电路原理框图如图3 5 所示，主要包括模拟读出电路 和逐次逼近模数转换器( s a r a d c ) 组成。 微电极恒电位仪 o u t p u t s a r 电流信号 积分电路 c d s a d c 图3 5 生物传感微阵列读出电路原理框图 f i g 3 5b 1 0 c kd i a g r a mo fr e a d o u tc i r c u i to fb i o s e n s o rm i c r oa m y s 微电极在恒定的电位下进行氧化还原反应，并产生一个微弱的电流信号，该 电流信号经恒电位仪积分电路，形成一个与传感微电极的输出电流信号成比例的 积分电压信号，此电压信号已经被恒电位仪进行相应的放大；该电压信号被送往 相关双采样单元，相关双采样单元对积分电压信号进行采样保持后，得到模拟读 1 6 3 传感微阵列模拟读出电路的设计 出信号；模拟读出信号经过一个逐次逼近模数转换器，传感器的信号最后由数字 信号方式直接输出。其中的相关双采样单元可以有效地降低传感芯片的噪声，从 而提高了检测的灵敏度。 3 4 恒电位仪积分电路单元的设计 在s a m s 生物传感器的恒电位仪积分电路中，恒电位仪是最重要的一个部分， 它的主要作用是在工作电极和对电极之间保持一个恒定的电压，保证微电极进行 氧化还原反应。同时在传感器部分和读出电路之间起到隔离作用，保证微电极的 化学反应不受读出电路的影响。它的性能的好坏直接影响电化学测量的准确度。 恒电位仪的核心是运算放大器。 3 4 1 运算放大器的设计 运算放大器是模拟集成电路设计中最常用的模块电路。在理想情况下，运算 放大器具有无限大的差模电压增益、无限大的输入电阻和零输出电阻。实际上， 运算放大器的性能指标只能接近这些值。 运算放大器设计可以分成两个与设计相关的步骤，它们在很大程度上互不相 关【3 0 1 。第一步是选择或构造运算放大器的基本结构，确定各晶体管间的拓扑关系。 第二步是选择直流电流，确定各晶体管的尺寸及补偿电路。 决定合适的结构 仔细研究技术指标后，确定所需要的结构类型。很多情况下，必须构建一定 的结构以满足特定的应用。 确定满足指标所需要的补偿类型 有许多方法可以对运算放大器进行补偿。某些独特的方式适用于某些结构或 指标，在设计过程中的第l 步和第2 步有可能是反复进行的。 设计管子尺寸以满足直流、交流和瞬态性能 根据近似公式手工计算，包括补偿元器件在内各管子的尺寸。每个器件的尺 寸初步确定后，再用仿真工具对电路进行优化设计。 c m o s 运算放大器的参数指标 实际的运算放大器的主要参数指标如下： 1 ) 增益( a 。) 即，运放的开环放大倍数。由于其增益有限，它决定了运放大反馈系统的精 度。运放的增益直接决定了恒电位仪的精度，但运放的增益不可能为无穷大，增 益越大设计也就越困难。确定运放中的增益为： 7 0 d b 。 2 ) 增益带宽( b w ) 通常用单位增益带宽来描述，即放大倍数为1 时的带宽。有时也用3 d b 带宽 1 7 重庆人学硕士学位论文 来描述，用来预测闭环系统特性。确定运放中的单位增益为： 2 0 m h z 。 3 ) 共模输入范围( 1 c m r ) 共模输入范围是共模输入信号可以变化的电压范围。这个范围一般比v d d 低 1 2 v ，比v s s 高1 2 v 。确定运放中的共模输入范围为： 3 v 。 4 ) 失调( o 骶e t ) 实际的运放中，输入为零时，输出不一定为零，是由于存在失调。确定运放 中的失调电压为： ( 2 2 1 0 ) c 根据式( 3 1 2 ) 可以算出补偿电容c ，的最小值。 初步给定厶的值，可以根据最大输入共模电压来确定m p 4 的尺寸。 ( 3 1 0 ) 推出的( 脱) 4 的设计公式： ( 形。= 而i z 面孓去丽丙丽 由式( 3 7 ) 可知： g 。2 = c l 宽长比( 脱) 2 直接由踟2 得出： c 眦沪矗 由式( 3 1 1 ) 可以推算出m p l 的宽长比( 眦) l ： ( 形) l = k p 圪( 最小) 一乏天参万i 一巧：( 最大) 】2 ( 3 1 2 ) 根据式 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 。1 5 ) ( 3 1 6 ) 为了满足6 0 。的相位裕度，假设将输出极点设黄在2 2 g b 处，根据式( 3 8 ) 中，跨导踟9 可以用下面的关系确定： 观2 鲁 ( 3 1 7 ) 3 传感微阵列模拟读出电路的设计 为了使第一级电流镜负载m n 4 和m n 5 的正确镜像， 得出m n 9 的宽长比： ( 三) 。= ( 形) 5 鱼 g 5 由此，可以推出直流电压局： 就要求珞岱= 珞g 9 ，可以 ( 3 1 8 ) 扣盘 ( 3 1 9 ) m p 8 的尺寸可以由下面的平衡方程式得到： ( 矿三) 8 = ( 矿三) i 孚 ( 3 2 0 ) l 为了移动右半平面零点，传输门m n 6 和m p 7 的总电阻值必须等于1 锄9 ，这 样可以由m o s 管的电阻公式算出m n 6 和m p 7 的宽长比。各m o s 管的尺寸如表 3 1 所示。 表3 1 运算放人器晶体管尺寸 ! 垒! ! 曼j ：! ! 翌望! i ! ! q ! ! i 圣旦q ! q 巳! 坚堕巳 晶体管宽长比( 毗)晶体管宽艮比( 脱) c m o s 运放的计算机仿真 采用c a d e n c e 公司的s p e c 仃e 仿真器、c s m c 的o 6 p m 工艺b s i m 3 v 3 晶体管 模型、单电源5 v 电压情况下，对放大器进行仿真。 运算放大器的频率特性如图3 8 所示：在共模输入电压为o 5 v 、负载为2 p f 的情况下，其直流增益为7 1 6 d b ，单位增益带宽为2 4 5 m h z ，相位裕度为6 0 0 ，整 个运算放大器的功耗仅为1 2