CN100514052C

CN100514052C - 快速稳定的互补金属氧化物半导体恒电位仪电路

Info

Publication number: CN100514052C
Application number: CNB2006100809859A
Authority: CN
Inventors: 杨海钢; 李策
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: CN101078707A

Abstract

一种快速稳定的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪电路，涉及生化传感器技术，包括运算放大器、偏置电源、两个微电极和NMOS管，一个单刀双掷开关、一个稳压电容以及一个控制开关状态的数字逻辑电路，其中，偏置电源的正端和传感器的一个微电极分别接运算放大器的正、反向输入端，偏置电源的负端和另外一个微电极共同接地电平；NMOS管的栅极接运算放大器的输出端，源极接运算放大器的反向输入端，漏极作为恒电位仪的输出端；稳压电容一端接地电平，另一端接单刀双掷开关；单刀双掷开关的两个状态分别接到了运算放大器的正、反向输入端，数字逻辑电路负责控制开关的打向。本发明使恒电位仪输出端点输出一个更接近理想的恒流源。

Description

快速稳定的互补金属氧化物半导体恒电位仪电路

技术领域

本发明涉及生化传感器技术领域，特别是一种快速稳定的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪电路。

技术背景

生物化学传感器(生化传感器)是一种能够连续和可逆地感受与转换化学量及生物量的装置，它既可以进行分子识别，还可以被视为信息采集和处理链中的一个逻辑元件，其构成的系统，在生命科学研究、生物医学工程、医疗保健、食品加工、环境检测等领域有广阔的应用前景，受到普遍关注。

电化学生物传感器能直接将生物信号转化为电信号，是目前微型生化传感器发展的主流，其中以电流型传感器研究最为成熟，应用最为广泛。电流型生化传感器一般通过酶来研究分子水平上的生命现象，微电极是其中的一个重要工具，它是酶固定化的载体，也是酶进行反应的场所。随着微加工制造工艺的不断进步，微电极因其极快的响应速度和高信噪比，可作为电化学探针深人待测体系，在微区分析，生物活体监测以及快速电化学反应等方面具有独特的优势，成为电化学生物传感器在为环境表征与测定中的重要手段之一。

随着21世纪生物芯片的兴起，基因芯片、组织芯片、细胞芯片、蛋白芯片等生物芯片应运而生。生物芯片研究的最终目标是实现微型全分析系统(micro total analytical system)或缩微芯片实验室(lab-on-chip，system-on-chip)。目前的一个研究焦点是将生化微传感器和检测电路通过标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺集成，这样，既提高了检测灵敏度及抗干扰能力，有利于进行高精度测量；同时在同一芯片上还可方便地实现生化检测的多通道传感器(即多参数检测)，并能进一步地与A/D转换器、数字信号处理器、逻辑控制电路等进行单芯片合成，从而使生化微传感系统向着智能化、微型化、低功耗、便携式发展。这种系统是生化领域与微电子领域的重要结合，是本世纪的重要研究方向。

若要将生化微传感系统进行单芯片集成，互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪是一个不可缺少的组成部分，其性能的好坏直接影响传感器测试结果的准确度。互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪的主要作用是保证在微电极进行氧化还原的化学反应的同时，使微电极之间保持一个恒定的偏置电压，以保证传感器在工作和信号转换(传感器信号一模拟信号)时的稳定性。更重要的是，互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪起到了将传感器信号引入到读出电路中的作用，隔离了读出电路部分与传感器部分，使两部分的信号之间不会互相干扰，这样就保证了传感器在正常稳定的工作的同时，读出电路系统可以精确地测量传感器输出信号。

一般常用的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪结构如图1所示，偏置电源V_bias给微电极2a、2b提供恒定的偏压，当微电极2a、2b浸入到待测溶液4中时，在该偏压下可以进行氧化或者还原反应，通过两个电极2a、2b以及之间待测溶液的阻抗，将会产生一个直流电流信号I₀，经过NMOS管M₀由C点接入读出电路，并且不受C点电压V_C变化的影响。然而，随着器件尺寸的减小，特别是微电极尺寸的减小，在降低传感器功耗的同时，必然会引起信号弱、信噪比低等问题。例如，电流型生化微传感器信号通常在nA甚至pA量级，因而对恒电位仪提出了较高的要求。

按照一般的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪结构，见图1，虽然传感器输出电流信号I₀不随C点电压V_C变化而变化，但是在后续读出电路的设计中将会发现，传感器在输出电流信号I₀很小(小于3pA)的情况下，当C点电压V_C发生突变(变化频率很高)时，电流信号I₀会受到C点电压V_C的影响而产生波动，峰值约为0.16pA，如图2所示。这对于1pA甚至更小的弱信号测量精度会产生比较严重的影响。因此，为了消除由C点电压V_C突变而引起电流信号I₀波电流信号I₀的突变，使其基本稳定在原来电流值的大小动的影响，需要对电路结构进行改进。

发明内容

本发明的目的是公开一种快速稳定的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪电路，可以消除由输出端点电压V_C突变而引起的电流信号I₀波动，使其基本稳定在原来电流值的大小，接近一个理想的恒流源。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种快速稳定的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪电路，包括运算放大器、偏置电源、两个微电极和NMOS管；其还包括一个单刀双掷开关、一个稳压电容以及一个控制开关状态的数字逻辑电路，其中，偏置电源的正端和传感器的一个微电极分别接运算放大器的正、反向输入端，偏置电源的负端和另外一个微电极共同接地电平；NMOS管的栅极接运算放大器的输出端，源极接运算放大器的反向输入端，漏极作为恒电位仪的输出端；稳压电容一端接地电平，另一端接单刀双掷开关；单刀双掷开关的两个状态分别接到了运算放大器的正、反向输入端，数字逻辑电路负责控制开关的打向。

所述的半导体恒电位仪电路，其电路部分通过标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺能和生化微传感器集成在单一芯片上。

所述的半导体恒电位仪电路，其所述偏置电源，其大小由传感器的工作要求决定，是由芯片外加入，或从芯片内部产生。

所述的半导体恒电位仪电路，其所述单刀双掷开关，采用互补金属氧化物半导体(CMOS)传输门结构；稳压电容为5pF；NMOS管的宽长比(W/L)为1/3；数字逻辑电路部分控制单刀双掷开关的打向，由门电路和延迟结构等常用数字逻辑设计方法实现，采用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺设计制作。

所述的半导体恒电位仪电路的方法，其由于电流信号的波动是因为NMOS管的源极电压随输出端点电压的突变产生的，因而设置了稳压电容以稳定NMOS管的源极电压；但由于恒电位仪在工作初始时不能立即达到稳定状态而且稳压电容也不能立即被充电到偏置电源电平，会对恒电位仪的输出产生影响，因此先用数字逻辑电路将单刀双掷开关打向运算放大器的正向输入端，获得一个偏置电源的电位，给稳压电容一个直流工作点；之后当运算放大器的负端电压稳定时，数字逻辑电路将会把单刀双掷开关打向NMOS管的源极；这样，稳压电容在不影响电流信号的直流通路的情况下，快速地稳定了NMOS管M₀的源极电压，使其不会产生突变，同时有效地补偿了整个恒电位仪电路的相位裕度；

微电极产生的电流信号将经过NMOS管由输出端点进入后续读出电路。

本发明使得NMOS管源极电压基本恒定不变，通过NMOS管的电流将会更加稳定，不受输出端点电压变化的影响，而且在NMOS管的漏极将会产生更高的输出阻抗，使输出端点输出一个更接近理想的恒流源。

附图说明

图1是常用的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪电路结构示意图；

图2是在图1的电路结构中，I₀＝1pA时随C点电压V_C突变的输出曲线示意图；

图3是本发明的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪电路结构示意图；

图4是在图3所示本发明的电路结构中，I₀＝1pA时随C点电压V_C突变的输出曲线示意图。

具体实施方式

本发明在常用恒电位仪结构(图1)的基础上，加入了一个单刀双掷开关K、一个稳压电容C₀以及一个控制开关状态的数字逻辑电路3，构成了改进型的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪，如图3所示。发明中提出的这些电路部分均可通过标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺和生化微传感器集成在单一芯片上。

在图3的电路中，偏置电源V_bias的正端和传感器的一个电极分别接运算放大器1的正、反向输入端V+和V-，V_bias的负端和另外一个电极共同接地电平。NMOS管M₀的栅极接运算放大器1的输出端，源极接算放大器的反向输入端V-，漏极作为恒电位仪的输出端C。电容C₀一端接地电平，一端接单刀双掷开关K。单刀双掷开关K的两个状态分别接到了运算放大器1的正、反向输入端V+和V-，数字逻辑电路3负责控制开关K的打向。

在图3的电路中，偏置电源V_bias的大小由传感器的工作要求决定，可以在芯片外加入，也可以从芯片内部产生；由于恒电位仪的工作稳定性要求运算放大器1在任何情况下都保持大于60°的相位裕度，因此选择了单级的CMOS折叠共源共栅结构，因为这类放大器的相位裕度仅由其高阻的支配极点和输出端的补偿电容决定，而且具有足够高的开环增益；单刀双掷开关K采用互补金属氧化物半导体(CMOS)传输门结构；5pF的电容C₀、NMOS管M₀的宽长比(W/L)为1/3；数字逻辑电路3控制单刀双掷开关K的打向，由门电路和延迟结构等常用数字逻辑设计方法实现，采用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺设计。

如图3电路所示，NMOS管M₀与运算放大器1共同构成电流—电压负反馈环。这样，运算放大器1的虚短特性使得两个微电极2a、2b之间的电压保持与偏置电源V_bias的电压相等，微电极产生的电流信号I₀将经过NMOS管M₀由输出端C点进入读出电路(因为NMOS管栅极的漏电流极小，在10^-15A量级，所以不用考虑电流信号I₀会流入或流出运算放大器1)。

由于电流信号I₀的波动是因为NMOS管M₀的源极电压随C点电压V_C的突变产生了波动，因而设计了电容C₀以稳定NMOS管M₀的源极电压。但是由于恒电位仪在工作初始时不能立即达到稳定状态而且电容C₀也不能立即被充电到偏置电源V_bias电平，会对恒电位仪的输出产生影响，因此先用数字逻辑电路3将开关K打向运算放大器1的正向输入端V+，获得一个偏置电源V_bias的电位，给电容C₀一个直流工作点；之后当运算放大器1的负端V-电压稳定时，数字逻辑电路3将会把开关K打向NMOS管M₀的源极。这样，电容C₀在不影响电流信号I₀的直流通路的情况下，快速地稳定了NMOS管M₀的源极电压，使其不会产生突变，同时有效地补偿了整个恒电位仪电路的相位裕度。电路改进后的电流信号I₀随C点电压V_C突变的输出仿真曲线如图4所示，很好地抑制了输入电流信号I₀的突变，使其基本稳定在原来电流值的大小，大大提高了pA量级微弱电流的检测精度。

这样，一方面由于有一个强制运算放大器1的负向输入端V-等于运算放大器1的正向输入端V+的运放来驱动NMOS管M₀的栅极，反馈环路可以调节NMOS管M₀的源极电压使之等于正向输入端V+；另一方面，改进电路结构中加入了稳压电容C₀以及开关K和数字逻辑电路3，因此使得NMOS管M₀源极电压基本恒定不变，通过NMOS管M₀的电流将会更加稳定，不受C点电压V_C变化的影响，而且在NMOS管M₀的漏极将会产生更高的输出阻抗，使C点输出更接近一个理想的恒流源。

通过恒电位仪的隔离，读出电路将不会与传感器部分相互影响，可以直接把恒电位电路与后续读出电路相连，进行对微弱电流信号的一系列处理。

Claims

1、一种快速稳定的互补金属氧化物半导体恒电位仪电路，包括运算放大器、偏置电源、两个微电极和NMOS管；其特征在于，还包括一个单刀双掷开关、一个稳压电容以及一个控制开关状态的数字逻辑电路，其中，偏置电源的正端和传感器的一个微电极分别接运算放大器的正、反向输入端，偏置电源的负端和另外一个微电极共同接地电平；NMOS管的栅极接运算放大器的输出端，源极接运算放大器的反向输入端，漏极作为恒电位仪的输出端；稳压电容一端接地电平，另一端接单刀双掷开关；单刀双掷开关的两个状态分别接到了运算放大器的正、反向输入端，数字逻辑电路负责控制开关的打向；

由于电流信号的波动是因为NMOS管的源极电压随输出端点电压的突变产生的，因而设置了稳压电容以稳定NMOS管的源极电压；但由于恒电位仪在工作初始时不能立即达到稳定状态而且稳压电容也不能立即被充电到偏置电源电平，会对恒电位仪的输出产生影响，因此先用数字逻辑电路将单刀双掷开关打向运算放大器的正向输入端，获得一个偏置电源的电位，给稳压电容一个直流工作点；之后当运算放大器的负端电压稳定时，数字逻辑电路将会把单刀双掷开关打向NMOS管的源极；这样，稳压电容在不影响电流信号的直流通路的情况下，快速地稳定了NMOS管M0的源极电压，使其不会产生突变，同时有效地补偿了整个恒电位仪电路的相位裕度；

2、如权利要求1所述的半导体恒电位仪电路，其特征在于，所述电路部分通过标准互补金属氧化物半导体工艺能和生化微传感器集成在单一芯片上。

3、如权利要求1所述的半导体恒电位仪电路，其特征在于，所述偏置电源，其大小由传感器的工作要求决定，是由芯片外加入，或从芯片内部产生。

4、如权利要求1所述的半导体恒电位仪电路，其特征在于，所述单刀双掷开关，采用互补金属氧化物半导体传输门结构；稳压电容为5pF；NMOS管的宽长比为1/3；数字逻辑电路部分控制单刀双掷开关的打向，由门电路和延迟结构的常用数字逻辑设计方法实现，采用标准互补金属氧化物半导体工艺设计制作。