CN101750446B

CN101750446B - 具有快速稳定特性的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪

Info

Publication number: CN101750446B
Application number: CN 200810239334
Authority: CN
Inventors: 杨海钢; 吴其松; 崔秀海
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: CN101750446A

Abstract

本发明公开了一种具有快速稳定特性的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪，涉及传感器微弱电流检测技术，包括一个跨导运算放大器(OTA)，一个NMOS管，一个用于快速充电的开关，片内和片外稳压和滤噪声电容。跨导运算放大器(OTA)输出端接NMOS的栅极，NMOS的源极接运算放大器的反相输入端，组成一个电流传输器，NMOS漏极作为恒电位仪的输出端；开关跨接在跨导放大器的正、反相输入端，开关的控制端接系统的置位端。本发明能增强传感器工作电极电压的稳定性，并能使电路在检测任何大小的电流时都能快速进入检测状态，本发明的恒电位仪使NMOS漏端更接近理想的恒流源输出。

Description

具有快速稳定特性的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪

技术领域

本发明涉及传感器微弱电流检测技术领域，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。

背景技术

电化学生物传感器是生物技术与纳米电子技术结合的产物，是本世纪最具发展前景的学科之一。电化学生物传感器是一种能直接将化学量或生物量转化为电信号的装置，是目前微型生化传感器发展的主流，被广泛应用于生命科学研究、生物医学工程、医疗保健、食品加工和环境监测等领域。随着微机械制造工艺和微电子技术的快速发展，生化微传感系统已朝着微型化、智能化、低功耗和便携式方向发展，其最终目标是实现微传感器和读出电路的单芯片集成，形成一个缩微芯片实验室(lab-on-chip)或片上系统(system-on-chip)，这样既提高了系统的抗干扰能力，又提高了检测灵敏度，有利于进行高精度测量。

电化学生物传感器大多是安培型传感器，其输出信号为非常微弱的电流信号，其相应的读出电路就是将这种微弱信号检测出来。目前微传感器系统中传感器和读出电路有两种结合方式，一是微传感器和读出电路为两块独立的芯片，将它们通过二次集成封装在一起，或通过电路板连接在一起；二是将传感器和读出电路集成在同一款芯片上。单芯片集成方式在抗干扰能力、检测灵敏度和精度方面具有很大优势，是微传感系统发展的趋势，但单芯片集成的成本更高、设计和制造都有一定的难度。

在微传感系统中，无论是采用分离芯片的方式，还是采用单芯片集成的方式，CMOS恒电位仪都是不可缺少的组成部分，其性能的好坏直接影响传感系统的检测精度。CMOS恒电位仪主要作用是保证在微电极进行氧化还原反应的同时，在传感器的工作电极(work electrode)和反向电极(counter electrode)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—模拟信号)时的稳定性。此外，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，并将传感器和后续的信号处理电路隔离，以减小传感器和读出电路之间的干扰，保证了传感器正常稳定地工作和读出电路对传感器输出信号的精确测量。

传统的CMOS恒电位仪结构如图1所示，它由一个跨导放大器和一个NMOS晶体管组成一个负反馈环路，迫使跨导放大器的正负输入端电压相等。偏置电压V_bias给传感器提供恒定的偏压，以保证传感器产生一个稳定的氧化还原反应电流I₀，经过NMOS管N1由Z点接入读出电路，供后续电路处理。然而，随着微机械制造技术的不断发展，传感器尺寸尤其是微电极尺寸的不断减小，系统功耗也不断降低，但同时带来了传感信号十分微弱，抗干扰能力差和信噪比低等问题，因而对传感器读出电路，尤其对恒电位仪提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有快速稳定特性的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪，适用于安培型传感器，具有片内稳定补偿特性，该改进的结构还可以方便地进行片外增强型补偿，以满足皮安(10^-12-A)及其以下量级电流测量的要求，补偿电容还可以滤除传感器电极上受到的噪声干扰信号，使电极上的电压更稳定，使恒电位仪的输出更接近与一个理想恒流源。

为达到上述稳定传感器电极电压和输出电流的目的，本发明的技术解决方案是：

一种具有快速稳定特性的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪，适用于安培型传感器，包括一个OTA，一个NMOS管，其中NMOS管的栅极接OTA的输出端，源极接OTA的反向输入端，组成一个电流传输器结构，NMOS管的漏极作为恒电位仪的输出端，传感器微电极产生的电流信号将由OTA的反相输入端进入恒电位仪，经过NMOS管后从漏端输出进入后续电流信号处理电路；其还包括一个跨接在OTA正反相输入端上的开关和二个稳压补偿电容。

所述的氧化物半导体恒电位仪，其所述开关，是在跨导运算放大器的正相输入端和反相输入端之间加入了一个三点开关，开关第三点为开关断开或闭合的控制端，与系统的置位端Reset连接；即当系统置位时，开关闭合，当置位完毕后，开关断开，系统开始工作。

所述的氧化物半导体恒电位仪，其所述当开关闭合时，两个补偿电容同时被迅速充电到与OTA正相端(V+)相同的电压，之后开关断开，使电路迅速正常工作。

所述的氧化物半导体恒电位仪，其所述二个稳压补偿电容，其一，是在NMOS管的源极接入一稳压补偿电容C_on-chip，为片内稳压补偿电容，该稳压补偿电容另一端接地；

其二，是在OTA的反相输入端添加另一个片外稳压补偿电容C_off作稳压补偿，以满足皮安级及其以下量级电流测量时的稳定性要求，避免了片上集成电容特别耗费芯片面积的缺陷，片外稳压补偿电容C_off一端连接OTA的反相输入端，一端接地。

所述的氧化物半导体恒电位仪，其所述片内稳压补偿电容C_on-chip，为2～3pF，而片外稳压补偿电容C_off是纳发量级至亚微法量级的，以满足pA及其以下量级电流测量的稳定性要求，节省芯片面积。

所述的氧化物半导体恒电位仪，其所述当系统置位时，为低电平有效，开关闭合，当置位完毕，为恢复高电平时，开关断开，系统开始工作。

所述的氧化物半导体恒电位仪，其所述电路部分，跨导运算放大器，开关，NMOS管和片内稳压补偿电容，通过标准的CMOS互补金属氧化物半导体工艺制作。

本发明的一种具有快速稳定特性的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪，通过片外电容补偿和片内电容补偿相结合的方式，滤出了干扰噪声，稳定了传感器的电极电压和传感器的输出电流，同时克服了微弱电流(pA至nA量级)应用中，稳定补偿电容充电时间长，和片内集成nF及以上级电容特别耗费芯片面积的缺点。

附图说明

图1是常用的恒电位仪结构在传感器电流读出电路中的应用示例；

图2是常用恒电位仪应用中测量电流为1pA时随V_Z变化的波形；

图3是应用本发明恒电位仪的传感器电流读出电路系统；图中虚线框部分即为本发明提出的恒电位仪结构；

图4是I₀约为1.1pA时随V_Z波动的情况(A：V_Z的电压波形B：传统恒电位仪结构中I₀随V_Z波动的情况C：本发明改进的恒电位仪结构中I₀随V_Z波动的情况)

具体实施方式

本发明由一个跨导运算放大器(OTA)、一个NMOS管M₀、片内补偿电容C_on-chip，片外补偿电容C_off和开关组成，如图3所示，上述所有电路单元均可与后续的读出电路以及传感器集成在同一块芯片上。本发明在传统恒电位仪的基础上，在V+和V-之间加入了一个开关K1，开关由系统的置位信号控制，不必另外设计控制逻辑，简化了电路的设计；在NMOS管M₀的源极接入一个稳压电容C_on-chip，滤除高频噪声干扰，在测量皮安及亚皮安电流的应用中，本发明还可方便地在芯片外连接一个纳发至亚微发量级的电容作稳压补偿，不但能更有效地滤除噪声干扰，满足pA级电流的稳定性要求，而且节约了芯片面积；本发明还通过开关K1方便地实现对片内外补偿电容的预充电，使整个系统在置位后即可正常工作，解决了没有开关时系统将补偿电容充电到V+的电压所需时间较长的问题。

如图3所示，在整个传感器测量系统中，为传感器提供恒定偏置的电压源V_bias的正电极和传感器的工作电极分别接运算放大器的正、负输入端V+和V-，V_bias和传感器的反向电极共同连接到共模电压V₀，NMOS管M₀的栅极接运放输出端，M₀的源极接运放反向输入端V-，形成一个电流传输器的结构，M₀的漏极作为恒电位仪的输出端。

由于传感器输出的电流信号很容易受到噪声的干扰，因而设置了稳压电容以稳定NMOS管的源极电压；但由于稳压电容不能立即被充电到偏置电源电平，因而恒电位仪不能立即达到稳定状态，这会对恒电位仪输出产生影响，因而设计了一个开关，电路置位时开关闭合，稳压电容被快速充电，获得一个直流工作点，之后开关断开，电路正常工作。这样，稳压电容在不影响电流信号的直流通路的情况下，快速地稳定了传感器工作电极的电压和电流，使其不会发生突变，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管输出端进入后续信号处理电路。

在检测电化学生物传感器的输出电流时，首先要给传感器加一个固定的偏置电压源V_bias，可由读出电路芯片提供，也可片外提供，其大小由传感器的要求决定，即能让待测化学物质产生氧化还原反应的电压。开关K1由CMOS传输门实现，片内的补偿电容C_on-chip设定为2～3pF，这样可满足亚nA级电流的测量要求，片外的稳定补偿电容C_off可根据需要调整，且很方便实现nF级甚至亚μF级电容的补偿，以满足pA级甚至亚pA级电流的测试要求。

如图3所示，测试时首先使系统置位，开关K1闭合，电源通过开关给片内补偿电容C_on-chip和片外补偿电容C_off充电，并迅速使V-的电压和V+电压相等。当置位一结束，开关K1断开，系统即可正常稳定地工作，来自后续读出电路的噪声干扰将会被电容滤出。从而使传感器输出的电流能满足测量的稳定性要求。电路改进前后，I₀随V_Z变化的输出仿真曲线如图4所示，其中，A：V_Z的电压波形；B：传统恒电位仪结构中I₀随V_Z波动的情况；C：本发明改进的恒电位仪结构中I₀随V_Z波动的情况。由图4中可见，改进后的电路很好地抑制了输入电流信号的突变，使其基本稳定在原来电流值的大小，大大提高了pA及其以下量级的电流测量精度。由于开关K1(单个MOS管或一个NMOS和一个PMOS并联形成的传输门)两端电压相等，所以MOS管的D和S端之间没有漏电流，只存在S和衬底之间的漏电流，该电流非常微弱，不影响测量。

OTA的引入，有利于反馈环路调节M₀的源极电压使之等于V+，另一方面稳压补偿电容和开关的引入，使得M₀源极电压基本不变，传感器输出电流将会更加稳定，不再受M₀漏端电压波动的影响，而且在M₀的漏极将会产生更高的输出阻抗，使M₀漏端的输出更接近一个理想的恒流源。通过对恒电位仪的稳定补偿，它将更好地起到信号的隔离作用，使传感器信号和读出电路的信号不会相互影响，这对提高检测的精度有很大的帮助。

Claims

1.一种具有快速稳定特性的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪，适用于安培型传感器，包括一个跨导运算放大器，一个NMOS管，其中NMOS管的栅极接跨导运算放大器的输出端，源极接跨导运算放大器的反向输入端，组成一个电流传输器结构，NMOS管的漏极作为恒电位仪的输出端，传感器微电极产生的电流信号将由跨导运算放大器的反相输入端进入恒电位仪，经过NMOS管后从漏端输出进入后续电流信号处理电路；其特征在于，还包括一个跨接在跨导运算放大器正反相输入端上的开关和二个稳压补偿电容；其中：

所述传感器微电极加一个固定的偏置电压源V_bias，该偏置电压源V_bias由读出电路芯片或片外提供，其大小由传感器的要求决定，即能让待测化学物质产生氧化还原反应的电压；

所述开关，是在跨导运算放大器的正相输入端和反相输入端之间加入了一个三点开关，由CMOS传输门实现，开关第三点为开关断开或闭合的控制端，与系统的置位端Reset连接，即：当系统置位时，开关闭合，当置位完毕后，开关断开，系统开始工作；

所述二个稳压补偿电容，其一，是在NMOS管的源极接入一稳压补偿电容C_on-chip，为片内稳压补偿电容，该稳压补偿电容另一端接地；其二，是在跨导运算放大器的反相输入端添加另一个片外稳压补偿电容C_off作稳压补偿，以满足皮安级及其以下量级电流测量时的稳定性要求，避免了片上集成电容特别耗费芯片面积的缺陷，片外稳压补偿电容C_off一端连接跨导运算放大器的反相输入端，一端接地，且所述片内稳压补偿电容C_on-chip，为2～3pF，片外稳压补偿电容C_off是纳法量级至亚微法量级的，以满足pA及其以下量级电流测量的稳定性要求，节省芯片面积。

2.如权利要求1所述的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪，其特征在于，当所述开关闭合时，两个补偿电容同时被迅速充电到与跨导运算放大器正相端相同的电压，之后所述开关断开，使电路迅速正常工作。

3.如权利要求1所述的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪，其特征在于，所述当系统置位时，为低电平有效，开关闭合，当置位完毕，为恢复高电平时，开关断开，系统开始工作。

4.如权利要求1所述的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪，其特征在于，所述后续电流信号处理电路，跨导运算放大器，开关，NMOS管和片内稳压补偿电容，通过标准的CMOS互补金属氧化物半导体工艺制作。