CN102339084A - 用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，其包括带隙基准电压源、传感器电压产生电路、5bit参考电压产生电路、电荷转移开关电容采样保持电路以及流水线模数转换器。本发明采用单芯片全集成及电压检测的方式，有效提取了巨磁阻生物传感器中的微弱电压信号，并利用电荷转移开关电容采样保持电路对巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压进行采样，合理放大至模数转换器的输入电压范围，最终由模数转换器输出数字检测结果。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS 模拟集成电路设计技术领域，具体涉及一种用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路。
背景技术
巨磁阻（GMR）生物传感器于1998年由美国海军实验室率先开发成功，最初用于DNA因子，抗原-抗体，施体和受体的探测和分析，目前逐步扩展到肿瘤，癌症等疾病的免疫诊断，环境监测，流行性病毒的探测和预防中，是一门由生物，化学，物理，医学，微电子技术等多种学科互相交叉渗透而发展起来的高新技术。该技术具有灵敏度高，生物特异性好，适于自动化分析和实时检测的特点。
GMR生物传感器的检测首先是将传感器中变化的生物信号转换为可知的电流，电压等电信号，再通过适当的放大，整形，通过模数转换器转换为数字信号输出到数字信号处理系统中，最终实现传感器信号的分析检测。传统的GMR生物传感器检测系统多采用电流型的系统检测方案，规模庞大，检测时间较长，且由于生物传感器输出电流在nA~uA的数量级上，易受环境，检测系统等外界因素的干扰，造成检测精度下降。近年来CMOS工艺的飞速发展，使得GMR生物传感器与检测系统的单芯片集成成为可能。这种将生化反应，传感器及检测电路集成在同一芯片的检测系统，具有高性能，低功耗，微体积，人工智能等特点，不易受到来自外部环境噪声的影响，能够实现生物传感器信号快速，实时的检测，作为生化领域与微电子领域的重要结合，是本世纪重要的研究方向之一。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种改进的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路。
根据本发明的一方面，提供一种改进的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路包括带隙基准电压源、传感器电压产生电路、5bit参考电压产生电路、电荷转移开关电容采样保持电路以及流水线模数转换器。
所述带隙基准电压源为所述传感器电压产生电路及所述5bit参考电压产生电路提供激励电压基准，并为所述传感器电压产生电路、所述5bit参考电压产生电路和电荷转移开关电容采样保持电路提供偏置电压；所述传感器电压产生电路产生巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压；所述5bit参考电压产生电路产生与所述巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压相对应的参考电压，并将所述参考电压与所述巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压进行比较；所述电荷转移开关电容采样保持电路用于对所述巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压及所述参考电压进行采样，并放大至所述流水线模数转换器的输入电压范围；所述流水线模数转换器将电荷转移开关电容采样保持电路输出的模拟电压转换为数字码输出，完成检测。
本发明通过采用电压检测和单芯片全集成的方式，由带隙基准电压源提供恒定的不随温度，工艺和负载变化的传感器阵列激励电压，分别加载给传感器电压产生电路和5bit参考电压产生电路，产生传感器电阻检测电压和与之相对应的参考电压。参考电压输出至电荷转移开关电容采样保持电路进行比较后，再由电荷转移开关电容采样保持电路对二者电压信号进行采样，放大至模数转换器的输入电压范围。最终由流水线模数转换器输出数字码，完成检测。时钟产生电路为电荷转移开关电容采样保持电路提供片内时钟基准，无需外部配置，适用于巨磁阻生物传感器检测单芯片系统中。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路的结构示意图；
图2是图1所示模拟前端检测电路中单位增益缓冲器的电路示意图；
图3是图1所示模拟前端检测电路中电荷转移开关电容采样保持电路的电路示意图；
图4是图1所示电荷转移开关电容采样保持电路中运算放大器的电路示意图；
图5是图1所示电荷转移开关电容采样保持电路中运算放大器的频率特性仿真结果；
图6是本发明实施例中对覆盖8K-12K巨磁阻生物传感器电阻阵列范围内的数字码输出的示意图；
图7是本发明实施例中对覆盖8K-12K巨磁阻生物传感器电阻阵列范围内的数字码输出的细部特征的示意图；
图8是本发明实施例提供的改进的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路的FFT仿真结果的示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例提供一种用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路包括带隙基准电压源、传感器电压产生电路、5bit参考电压产生电路、电荷转移开关电容采样保持电路、时钟产生电路以及流水线模数转换器。
带隙基准电压源为传感器电压产生电路及5bit参考电压产生电路提供激励电压基准，并为传感器电压产生电路、5bit参考电压产生电路和电荷转移开关电容采样保持电路提供偏置电压。
传感器电压产生电路产生巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压。
5bit参考电压产生电路产生与所述巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压相对应的参考电压，并将所述参考电压与所述巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压进行比较；这里进行比较的意义是使检测电压在采样保持电路中得到正负相位的等量放大。
电荷转移开关电容采样保持电路用于对巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压及参考电压进行采样，并放大至流水线模数转换器的输入电压范围。
时钟产生电路为电荷转移开关电容采样保持电路提供高精度的时钟基准。
流水线模数转换器将电荷转移开关电容采样保持电路输出的模拟电压转换为数字码输出，完成检测。
其中，传感器电压产生电路包括传感器电压产生电路包括第一单位增益缓冲器、第二单位增益缓冲器、分压电阻R1、R2及巨磁阻生物传感器电阻阵列；所述第一单位增益缓冲器对所述带隙基准电压源输出的偏置电压和所述5bit参考电压产生电路输出的巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压进行隔离保护，减小开关通断对输出电压值的影响；所述分压电阻R1通过所述分压电阻R2与所述巨磁阻生物传感器电阻阵列连接，在分压电阻之间R1、R2产生巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压；所述巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压输出至第二单位增益缓冲器。采用两个分压电阻串联的目的在于：一方面巨磁阻生物巨磁阻生物传感器电阻阵列有严格的压降限制，在电阻阵列上的过大压降将导致生物传感器失效；另一方面，单位增益缓冲器的输入管开启电压限制，输出的巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压如果过低，将导致单位增益缓冲器不能工作在饱和区，造成检测电压输出偏差。因此需要对两个分压电阻进行合理设计，使检测电压输出在合理的区间内，保证检测系统正常的工作状态。检测电压经第二单位增益缓冲器隔离后输出至电荷转移开关电容采样保持电路。
5bit参考电压产生电路包括第三单位增益缓冲器、第四单位增益缓冲器、分压电阻R3、R4及和5bit参考电阻阵列；所述第三单位增益缓冲器对所述带隙基准电压源输出的偏置电压和所述5bit参考电压产生电路输出的巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压进行隔离保护，减小开关通断对输出电压值的影响；所述分压电阻R3通过所述分压电阻R4与所述5bit参考电阻阵列连接，产生与巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压相对应的参考电压；所述参考电压输出至第四单位增益缓冲器。采用这种结构的原因是：（1）后级电荷转移开关电容采样保持电路为全差分输入，为了保证巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压能够正负向等大进行放大，满足流水线模数转换器的输入摆幅要求，需要选取一个参考电压值位于巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压的中心附近。（2）5bit参考电阻阵列包含20个片内电阻，目的是能覆盖传感器电阻因温度，工艺漂移造成的输出电压偏差。通过选择合适的编码，能使参考电压始终处于巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压的中心。（3）由于5bit参考电压产生电路采用与传感器电压产生电路类似的结构，使两部分电路在片内的电源，地和周边环境具有很高的一致性，避免了由于参考电压抖动造成的检测精度下降。
参见图2，本发明实施例中的第一单位增益缓冲器、第二单位增益缓冲器、第三单位增益缓冲器及第四单位增益缓冲器采用单级折叠共源共栅运放结构，其中输入级PMOS管M0为电流源，PMOS 管M1，M2为输入管。第一级运放结构包括PMOS管M3、M4、M5、M6以及NMOS管M7、M8、M9、M10。
参见图3，电荷转移开关电容采样保持电路中的开关由两向三类非交叠时钟控制，clk1，clk2及clk1a，其中clk1a 与clk1同向，但先于clk1关断。clk2与clk1反向不交叠。在clk1，clk1a为高电平时，输入端：开关S1，S1b导通，将巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压与参考电压vref采样至采样电容C1a，C1b上，将二者作差。因此由参考电压产生电路产生的参考电压vref应选择为电阻阵列检测电压的中间值，保证电荷转移开关电容采样保持电路对检测电压的正负向等大放大。开关S3，S3b，S4导通，将输入共模信号vcm_in输入至运放输入管M0，M1；输出端：开关S5，S5b导通，将输出共模信号vcm_out加载在增益电容的一侧极板上。开关S7导通，将差分输出短接，消除残余电荷。在clk2为高电平时，输入端：开关S2导通，将差分输入短接，消除残余电荷。输出端：开关S6，S6b导通，将采样电容上的电荷转移到增益电容上，进行放大输出。最终输出给后级流水线模数转换器进行量化，输出数字码，完成检测。
参见图4，电荷转移开关电容采样保持电路中的运放采用单级增益自举结构，由主运放，N型辅运放，P型辅运放组成。主运放采用共源共栅套筒结构，由NMOS管M0、M1、M2、M3、M4，PMOS管M5、M6、M7、M8组成，尾电流管M0由偏置电压vbias控制，M1、M2为输入管，采用最小L值，提高了运放的工作频率。PMOS管M5、M6、M7、M8及NMOS管M3、M4采用较大L值，以提供70dB以上的开环增益。N型辅运放，P型辅运放都采用折叠共源共栅结构，对主运放共栅管进行偏置，通过增强输出阻抗来提高运放增益，从而提高了电荷转移开关电容采样保持电路的精度，使之满足9bit以上的精度要求。图5是运放频率特性的仿真结果，增益119dB，单位增益带宽498 MHZ，相位裕度63度。
由于GMR生物传感器需要工作在1~10MHZ左右的时钟频率上，且在8~12K电阻值变化的范围内需要检测最小分辨率为16欧左右的电阻变化，因此要求模数转换器具有8~10位的精度，所以流水线模数转换器就是最好的选择。本发明提供8bit/20MHZ流水线模数转换器作为模拟与数字接口。
图6，图7是本发明实施例中对覆盖8K-12K巨磁阻生物传感器电阻阵列范围内的数字码输出，数字码流从218至30连续输出，中间无失码现象发生，通过设置AD参考电压范围，可实现0至255个数字码流的完整输出，技术效果良好。
图8是本发明实施例提供的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路输入9MHZ正弦信号，20MHZ时钟信号的FFT仿真结果，可见SFDR为49dB，精度约为7.2 bit，在8K-12K巨磁阻生物传感器电阻阵列范围内，可检测最小约为8欧姆的电阻值，技术效果良好。
综上所述，本发明实施例提供的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，具有以下有益效果：
（1）本发明通过采用电压检测和单芯片全集成的方式，相比原有的电流检测板极方案，降低了成本，集成度，灵敏度高；
（2）由带隙基准电压源提供恒定的不随温度，工艺和负载变化的传感器阵列激励电压；
（3）采用与传感器电压产生电路类似的5bit参考电压产生电路，覆盖了传感器电阻因工艺漂移造成的检测电压偏差，使参考电压始终处于巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压的中心；且避免了电源，地和周边环境不同造成的参考电压抖动，提高了检测精度；
（4）由电荷转移开关电容采样保持电路对检测电压信号进行采样，放大至模数转换器的输入电压范围；
（5）提供了一种8bit/20MHZ流水线模数转换器作为模拟与数字接口，将模拟巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压转换为数字码输出，完成检测；
（6）时钟产生电路为电荷转移开关电容采样保持电路提供片内时钟基准，无需外部配置，简化了模拟前端电路的应用难度，适用于巨磁阻生物传感器检测单芯片系统中。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，其特征在于：
包括带隙基准电压源、传感器电压产生电路、5bit参考电压产生电路、电荷转移开关电容采样保持电路以及流水线模数转换器；
所述带隙基准电压源为所述传感器电压产生电路及所述5bit参考电压产生电路提供激励电压基准，并为所述传感器电压产生电路、所述5bit参考电压产生电路和所述电荷转移开关电容采样保持电路提供偏置电压；
所述传感器电压产生电路产生巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压；
所述5bit参考电压产生电路产生与所述巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压相对应的参考电压，并将所述参考电压与所述巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压进行比较；
所述电荷转移开关电容采样保持电路用于对所述巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压及所述参考电压进行采样，并放大至所述流水线模数转换器的输入电压范围；
所述流水线模数转换器将电荷转移开关电容采样保持电路输出的模拟电压转换为数字码输出，完成检测。
2.根据权利要求1所述的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，其特征在于：
所述传感器电压产生电路包括第一单位增益缓冲器、第二单位增益缓冲器、分压电阻R1、R2及巨磁阻生物传感器电阻阵列；所述第一单位增益缓冲器对所述带隙基准电压源输出的偏置电压和所述5bit参考电压产生电路输出的巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压进行隔离保护，减小开关通断对输出电压值的影响；所述分压电阻R1通过所述分压电阻R2与所述巨磁阻生物传感器电阻阵列连接，在分压电阻之间R1、R2产生巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压；所述巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压输出至第二单位增益缓冲器。
3.根据权利要求1所述的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，其特征在于：
所述5bit参考电压产生电路包括第三单位增益缓冲器、第四单位增益缓冲器、分压电阻R3、R4及和5bit参考电阻阵列；所述第三单位增益缓冲器对所述带隙基准电压源输出的偏置电压和所述5bit参考电压产生电路输出的巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压进行隔离保护，减小开关通断对输出电压值的影响；所述分压电阻R3通过所述分压电阻R4与所述5bit参考电阻阵列连接，产生与巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压相对应的参考电压；所述参考电压输出至第四单位增益缓冲器。
4.根据权利要求2或3所述的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，其特征在于：
所述第一单位增益缓冲器、第二单位增益缓冲器、第三单位增益缓冲器及第四单位增益缓冲器采用单级折叠共源共栅运放结构，其中输入级PMOS管M0为电流源，PMOS 管M1，M2为输入管，第一级运放结构包括PMOS管M3、M4、M5、M6，以及NMOS管M7、M8、M9、M10。
5.根据权利要求1所述的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，其特征在于，所述电荷转移开关电容采样保持电路包括：
电连接的运算放大器、开关、采样电容及增益电容。
6.根据权利要求5所述的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，其特征在于：
所述运算放大器包括主运放、N型辅运放及P型辅运放；所述主运放采用共源共栅套筒结构；所述N型辅运放，P型辅运放采用折叠共源共栅结构。
7.根据权利要求5所述的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，其特征在于：
所述开关由两向三类非交叠时钟控制；所述两向三类非交叠时钟包括clk1、clk2及clk1a；其中，所述clk1a 与clk1同向，但先于所述clk1关断；所述clk2与clk1反向，且与clk1不交叠。
8.根据权利要求7所述的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，其特征在于：
所述开关包括开关S1、S1b、S2、S3、S3b、S4、S5、S5b、S6、S6b及S7；所述采样电容包括C1a、C1b；所述增益电容包括C2a，C2b；
当所述clk1a为高电平时，在输入端：开关S1、S1b导通，将巨磁阻生物传感器电阻阵列检测电压与参考电压采样至采样电容C1a、C1b上；开关S3、S3b、S4导通，将输入共模信号输入至运算放大器；在输出端：开关S5、S5b导通，将输出共模信号加载在增益电容C2a，C2b的一侧极板上；开关S7导通，将差分输出短接，消除残余电荷；
当clk2为高电平时，在输入端：开关S2导通，将差分输入短接，消除残余电荷；在输出端：开关S6、S6b导通，将采样电容C1a、C1b上的电荷转移到增益电容C2a，C2b上，进行放大输出。
9.根据权利要求1所述的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，其特征在于，还包括:
时钟产生电路，所述时钟产生电路为电荷转移开关电容采样保持电路提供高精度的时钟基准。
10.根据权利要求1所述的用于巨磁阻生物传感器的模拟前端检测电路，其特征在于：
所述流水线模数转换器采用8bit/20MHZ流水线模数转换器。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20200409 Address after: 100029 Beijing city Chaoyang District Beitucheng West Road No. 3, building 15, room 328 Patentee after: Beijing Zhongke micro Investment Management Co., Ltd. Address before: 100029 Beijing city Chaoyang District Beitucheng West Road No. 3 Institute of Microelectronics Patentee before: Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20200422 Address after: 610299 in Chengdu core Valley Industrial Park, Dongsheng Street, Shuangliu District, Chengdu City, Sichuan Province Patentee after: China core Microelectronics Technology Chengdu Co., Ltd Address before: 100029 Beijing city Chaoyang District Beitucheng West Road No. 3, building 15, room 328 Patentee before: Beijing Zhongke micro Investment Management Co., Ltd. |
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