CN103399201A - 一种传感器微弱信号通用检测芯片系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传感器微弱信号通用检测芯片系统，该芯片系统包括检测子系统和辅助子系统，二者均与传感器连接，其中:检测子系统包括两条电流检测通路和一条电压检测通路，电流检测通路利用电流电压转换、电压放大和模数转换实现对由传感器输入的微弱电流信号的检测，电压检测通路先将传感器输入的微弱电压信号转换成电流信号，然后再将该电流信号输出给电流检测通路，间接实现对微弱电压信号的检测;辅助子系统用于为传感器和检测子系统提供需要的偏置电流、电压、时钟和控制信号。此芯片系统具有低噪声、低功耗、高精度和高集成度等特点，可以和传感器集成在同一基片，形成lab-on-chip。

Description

一种传感器微弱信号通用检测芯片系统
技术领域
本发明涉及传感器微弱信号检测技术领域，是一种具有较大检测范围的传感器微弱信号通用芯片系统，可用于检测多种类型传感器输出的微弱电流信号和微弱电压信号。
背景技术
微型传感器被广泛应用于环境监测、生物医学工程、生命科学研究、食品制造加工等领域。大部分微型传感器为安培型传感器或伏特型传感器，即将化学量或物理量直接转换成微弱的电流信号或电压信号。传统的传感器微弱信号检测方法通常采用电化学分析仪、锁相放大器等大型仪器。随着半导体制造工艺的发展和集成电路技术的革新，高性能电路系统的设计和应用得到了迅速发展，出现了很多基于分立元件电路和CMOS设计的检测方法，使得传感器检测系统朝着微小型化的方向发展。
国内的研究大多是基于分立元件搭建的检测电路，主要结构有T型网络和三运放差分放大两种，研究方向侧重分立元件选择、PCB布线和安装工艺等方面【参阅:郑剑铭，王凌云，王明亮，微机械隧道陀螺仪中微弱信号的检测技术，厦门大学学报，2004，vo143(2):199-202;郑宏军，黎昕，曹银杰，微弱电流信号检测原理与应用实例，电视技术，2002，9:94-97;楼刚，李伟，邓学博，小信号放大电路设计，浙江理工大学学报，2007，vo124(6):661-664】。采用这种方法搭建的电路系统抗干扰性能差，容易受到外界环境噪声影响，而且体积大，限制了检测系统的精度和集成度。
为了提高系统的抗干扰能力和检测灵敏度，需要研究将微传感器和检测电路单片集成的微缩芯片实验室(lab-on-chip)或片上系统(system-on-chip)技术。国外已有基于CMOS工艺、针对特定传感器的检测微系统集成报道【参阅:StevenM.Martin，TimothyD.Strong，andRichard B.Brown，Design，implementaion，and verification of aCMOS-integrated chemical sensor system，Proceeding of the2004international conference on MEMS，NANO and smart systems】，然而此系统能检测的电流范围有限，由于电流电压转换采用了跨阻放大器，当待测电流很小(μA级以下)时，需要兆欧级以上的大电阻来实现高增益，这样将占用大量的硅片面积，同时还需在速度和稳定性间折衷，降低了检测系统的可靠性。而且单芯片集成方式的设计和制造有一定难度，成本高，目前的研究均针对特定传感器进行，检测范围窄，缺乏适用于多种传感器的检测系统，因此需要设计一种检测范围广、具有通用性的传感器微弱信号检测芯片系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种大检测范围，适用于电化学、微型电场等多种类型传感器的微弱信号通用检测芯片系统，此芯片系统可以与传感器封装在同一基片上，极大地减小了传感器系统的体积和功耗，实现了系统的微小型化和便携化，同时降低了成本，提高了集成度和可靠性，有利于高精度测量。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种传感器微弱信号通用检测芯片系统，该芯片系统包括检测子系统和辅助子系统，二者均与传感器连接，其中:检测子系统包括两条电流检测通路和一条电压检测通路，电流检测通路利用电流电压转换、电压放大和模数转换实现对由传感器输入的微弱电流信号的检测，电压检测通路先将传感器输入的微弱电压信号转换成电流信号，然后再将该电流信号输出给电流检测通路，间接实现对微弱电压信号的检测;辅助子系统用于为传感器和检测子系统提供需要的偏置电流、电压、时钟和控制信号。
上述方案中，所述检测子系统包括电压电流转换器101、跨阻放大器102、积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105，且电压电流转换器101、跨阻放大器102、积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105构成两条电流检测通路和一条电压检测通路。
上述方案中，所述跨阻放大器102、可编程增益放大器104和模数转换器105依次连接构成第一电流检测通路1，用于检测1μA至1mA范围内的大直流或交流电流;所述积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105依次连接构成第二电流检测通路2，用于检测1nA到1μA范围内的小直流或交流电流。
上述方案中，所述第一电流检测通路1和所述第二电流检测通路2独立工作，共用辅助子系统。
上述方案中，在所述第一电流检测通路1和所述第二电流检测通路2中，传感器的输出电流连接到跨阻放大器102或积分器103的输入，电流信号在跨阻放大器102或积分器103被转换为电压信号，跨阻放大器102和积分器103的输出接到可编程增益放大器104的输入，对此电压信号进一步放大并转换为差分信号，该差分信号被接到模数转换器105的输入，进行模数转换，最终得到易于传输和处理的数字信号，通过I2C总线输出。
上述方案中，所述电压检测通路由电压电流转换器101和所述第一电流检测通路1和所述第二电流检测通路2构成，电压电流转换器101将来自传感器输出的微弱电压信号转换为电流信号，根据此电流信号的大小选择接入所述第一电流检测通路1或所述第二电流检测通路2，间接实现对微弱电压信号的检测。
上述方案中，所述辅助子系统包括数模转换器106、带隙基准107、时钟产生电路108和数字控制逻辑109，其中:带隙基准107为数模转换器106、电压电流转换器101、跨阻放大器102、积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105提供精准的偏置电压和电流;时钟产生电路108将晶振产生的基准时钟分频得到积分器103、可编程增益放大器104、模数转换器105和数模转换器106需要的各相时钟，分频比由数字控制逻辑109设定;数模转换器106用于向传感器提供所需的偏置电压，通过控制数模转换器106的数字输入信号，向传感器提供静态电压进行计时安培法测量或是动态变化的扫描偏置电压进行循环伏安法测量。
上述方案中，当传感器不需要偏置电压时，关闭数模转换器106以降低功耗。当检测交流电流时，根据输入电流信号的频率，通过数字控制逻辑109调整分频比相应的改变积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105的时钟，以保持同样的过采样率。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
1、本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统，可以与传感器封装在同一基片上，极大地减小了传感器系统的体积和功耗，实现了系统的微小型化和便携化，同时降低了成本，提高了集成度和可靠性，有利于高精度测量。
2、本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统，既可以检测直流电流信号，也可以检测交流电流信号，根据待测电流的大小选择上述两条检测通路中的一条。检测交流信号时，根据待测信号的频率，通过数字逻辑改变时钟发生器的分频比，相应调整积分器、可编程增益放大器和模数转换器的时钟频率，从而保持同样的过采样率。
3、本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统，在其辅助子系统中，数模转换器用于给传感器提供需要的偏置电压。通过控制数模转换器的数字输入信号，数模转换器可以向传感器提供静态电压(进行计时安培法测量)或是动态变化的扫描偏置电压(进行循环伏安法测量)。当传感器不需要偏置电压时，可以关闭数模转换器。
4、本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统，在其检测子系统中，可编程增益放大器和模数转换器采用差分结构，可以有效消除共模噪声，具有较强的抗干扰能力。
5、本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统，采用全定制自顶向下设计方法设计，在同一块集成电路芯片上实现，通过标准CMOS互补金属氧化物半导体工艺制作。
6、本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统，具有两条信号检测通路，检测范围较广，能够检测1nA到1mA之间的电流信号以及1mV到1.5V之间的电压信号，可以与多种类型传感器单片集成形成微小型化传感器系统，具有高精度、高集成度、低功耗、低噪声和低成本的优点。
附图说明
图1为本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统的结构框图;
图2为本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统中可变增益放大器的电路结构图;
图3为采用本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统的积分器电流检测通路检测1nA直流电流的仿真结果图;
图4为采用本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统的跨阻放大器电流检测通路检测频率4KHz峰峰值为1mA正弦交流电流的仿真结果图;
图5为采用本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统的积分器电流检测通路的扫描特性曲线图;
图6为采用本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统的跨阻放大器电压检测通路的扫描特性曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的传感器微弱信号通用检测芯片系统如图1所示，该芯片系统包括检测子系统和辅助子系统，二者均与传感器连接，其中:检测子系统包括两条电流检测通路和一条电压检测通路，电流检测通路利用电流电压转换、电压放大和模数转换实现对由传感器输入的微弱电流信号的检测，电压检测通路先将传感器输入的微弱电压信号转换成电流信号，然后再将该电流信号输出给电流检测通路，间接实现对微弱电压信号的检测;辅助子系统用于为传感器和检测子系统提供需要的偏置电流、电压、时钟和控制信号。
检测子系统包括电压电流转换器101、跨阻放大器102、积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105，且电压电流转换器101、跨阻放大器102、积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105构成两条电流检测通路和一条电压检测通路。
其中，跨阻放大器102、可编程增益放大器104和模数转换器105依次连接构成第一电流检测通路1，用于检测1μA至1mA范围内的大直流或交流电流;积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105依次连接构成第二电流检测通路2，用于检测1nA到1μA范围内的小直流或交流电流。第一电流检测通路1和第二电流检测通路2独立工作，共用辅助子系统。
在所述第一电流检测通路1和所述第二电流检测通路2中，传感器的输出电流连接到跨阻放大器102或积分器103的输入，电流信号在跨阻放大器102或积分器103被转换为电压信号，跨阻放大器102和积分器103的输出接到可编程增益放大器104的输入，对此电压信号进一步放大并转换为差分信号，该差分信号被接到模数转换器105的输入，进行模数转换，最终得到易于传输和处理的数字信号，通过I2C总线输出。
电压检测通路由电压电流转换器101和所述第一电流检测通路1和所述第二电流检测通路2构成，电压电流转换器101将来自传感器输出的微弱电压信号转换为电流信号，根据此电流信号的大小选择接入所述第一电流检测通路1或所述第二电流检测通路2，间接实现对微弱电压信号的检测。
辅助子系统包括数模转换器106、带隙基准107、时钟产生电路108和数字控制逻辑109，其中:带隙基准107为数模转换器106、电压电流转换器101、跨阻放大器102、积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105提供精准的偏置电压和电流;时钟产生电路108将晶振产生的基准时钟分频得到积分器103、可编程增益放大器104、模数转换器105和数模转换器106需要的各相时钟，分频比由数字控制逻辑109设定;数模转换器106用于向传感器提供所需的偏置电压，通过控制数模转换器106的数字输入信号，向传感器提供静态电压进行计时安培法测量或是动态变化的扫描偏置电压进行循环伏安法测量。
当传感器不需要偏置电压时，关闭数模转换器106以降低功耗。当检测交流电流时，根据输入电流信号的频率，通过数字控制逻辑109调整分频比相应的改变积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105的时钟，以保持同样的过采样率。
再次参照图1，该芯片系统的具体连接关系如下:
1、检测子系统
在检测子系统中存在两条电流信号检测通路:跨阻放大器102、可编程增益放大器104和模数转换器105构成第一电流检测通路1，用于检测大的直流或交流电流(1μA到1mA);积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105构成第二电流检测通路2，用于检测小的直流或交流电流(1nA到1μA)。两条电流检测通路独立工作，共用辅助子系统。传感器的输出电流连接到跨阻放大器102或积分器103的输入，电流信号被转换为电压信号，跨阻放大器102和积分器103的输出接到可编程增益放大器104的输入，对此电压信号进一步放大并转换为差分信号，经过放大后的信号接到模数转换器105的输入，进行模数转换，最终得到易于传输和处理的数字信号，通过I2C总线输出。检测子系统中的电压信号检测通路由电压电流转换器101和电流信号检测通路构成，电压电流转换器101将来自传感器的输出电压信号转换为电流信号，根据此电流信号的大小选择接入上述的电流信号检测通路中第一电流检测通路1或是第二电流检测通路2。
第一电流检测通路1中跨阻放大器102的增益由跨接在运放反相输入端和输出端的电阻决定，输出电压与输入电流关系如1式所示:
Vo＝-Iin×R  (1)
从1式可以看出，输出电压与输入电流Iin和跨阻R成线性关系。理论上如需检测小电流，只需取足够大的R即可得到较大的输出电压。然而当R较大(兆欧级以上)时，将占用大量的硅片面积，同时还需在速度和稳定性间折衷，降低了检测系统的可靠性。所以在本发明中，采用跨阻放大器102检测1μA到1mA范围内的交/直流电流，此时R只需从1KΩ到1MΩ变化。
检测1nA到1μA的交/直流电流采用通路2，积分器103将传感器的输出电流转换为电压。图1中的时钟Clk1为积分器时钟，当时钟Clk1为高时，积分器103处于复位状态，运放的输出端与反相输入端相连，反相输入端电压和输出端电压跟随正相输入端电压;当时钟Clk1为低时，积分器103处于积分状态，输入电流对积分电容Citgr进行充电。在Clk1由低向高跳变的时刻，积分器103的输出电压如2式所示:
V 1 = - I in × 1 C itgr f s - - - ( 2 )
其中fs为时钟Clk1的频率。从2式可以看出，输出电压与输入电流Iin成正比，与积分电容Citgr和Clk1时钟频率fs成反比。当检测小电流时，可以用较小的积分电容和较慢的时钟频率，从而节省了硅片面积。此积分电压由采样保持电路进行采样和保持，随后输入可编程增益放大器104。
跨阻放大器102和积分器103的输出接到可编程增益放大器104的输入，可编程增益放大器104用开关电容电路实现，具体电路如图2所示，此电路上下对称，通过分析半边电路即可得知其性能，当时钟Clk1为高时，处于采样模式，C1两端的电压跟随输入电压;当时钟Clk2为高时，处于放大模式，最终的输出电压如3式所示:
V out = V o × C 1 C 2 - - - ( 3 )
其中C2是二进制编程的可变电容，通过改变C2的电容值进行可编程增益放大器104增益的调整。通过自动清零模块，可以消除可编程增益放大器104的失调，降低噪声带来的影响。由(1)、(2)和(3)式可以看出，调整C2、Citgr、fs和R可以改变电流Iin到电压Vout转换的总体增益，同时也可以确定系统能够检测的电流范围。
电压检测通路中电压电流转换器101的增益用等效阻抗Req来表示，转换后的电流如4式所示:
I eq = V in ÷ R eq - - - ( 4 )
根据Ieq的大小选择接入上述电流检测通路1或通路2进行后续转换。
2、辅助子系统
辅助子系统中带隙基准107为数模转换器106和检测子系统中的各个模块提供精准的偏置电压和电流。时钟产生电路108将来自晶振的基准时钟分频得到系统内各子模块需要的各相时钟，分频比由数字控制逻辑109设定。数模转换器106用于向传感器提供所需的偏置电压，通过控制数模转换器106的数字输入信号，可以向传感器提供静态电压(进行计时安培法测量)或是动态变化的扫描偏置电压(进行循环伏安法测量)。当传感器不需要偏置电压时，可以关闭数模转换器106以降低功耗。
数模转换器106用于向传感器提供需要的偏置电压。当数模转换器106的输入信号固定时，可以提供静态电压给传感器进行计时安培法测量;当数模转换器106的输入信号变化时可以提供动态变化的扫描偏置电压给传感器进行循环伏安法测量。当传感器不需要偏置电压时，可以关闭数模转换器106以降低功耗。
带隙基准107为数模转换器106和检测子系统中的各个模块提供精准的偏置电压和电流信号。时钟产生电路108将晶振产生的基准时钟分频得到积分器103、可编程增益放大器104、模数转换器105和数模转换器106需要的各相时钟，分频比由数字控制逻辑109设定。当检测交流电流时，根据输入电流信号的频率，通过数字控制逻辑109调整分频比相应的改变积分器103、可编程增益放大器104和模数转换器105的时钟，以保持同样的过采样率。
图3显示了采用此芯片系统积分器电流检测通路检测1nA直流电流的仿真结果，从上到下依次为可编程增益放大器104的差分输出电压VOUTP和VOUTN、积分器103的采样积分电压VO、积分器103原始积分电压V1和输入电流，可以看出通过积分可以将nA级微弱电流转换为易于处理的mV级电压。
图4给出了采用此芯片系统跨阻放大器电流检测通路检测频率4KHz峰峰值为1mA正弦交流电流的仿真结果，从上到下依次为可编程增益放大器104的差分输出电压VOUTP和VOUTN、跨阻放大器102输出电压VO和输入电流，表明对于交流电流信号可以将其转换为同频的电压信号进行处理。
如图5所示，当传感器输出电流以0.5nA步长从1nA-100nA进行扫描时，采用积分器电流检测通路进行检测处理，输出16比特数字码随输入电流单调递增，线性度良好。
图6是采用跨阻放大器电压检测通路对传感器输出电压从1mV-1.5V以10mV步长扫描的输出结果，从图上看出输出数字码随输入电压单调递减，具有良好线性度。通过以上列举及其他大量仿真验证了此芯片系统的性能良好。
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 (9)

1.一种传感器微弱信号通用检测芯片系统，其特征在于，该芯片系统包括检测子系统和辅助子系统，二者均与传感器连接，其中:
检测子系统包括两条电流检测通路和一条电压检测通路，电流检测通路利用电流电压转换、电压放大和模数转换实现对由传感器输入的微弱电流信号的检测，电压检测通路先将传感器输入的微弱电压信号转换成电流信号，然后再将该电流信号输出给电流检测通路，间接实现对微弱电压信号的检测;
辅助子系统用于为传感器和检测子系统提供需要的偏置电流、电压、时钟和控制信号。
2.根据权利要求1所述的传感器微弱信号通用检测芯片系统，其特征在于，所述检测子系统包括电压电流转换器(101)、跨阻放大器(102)、积分器(103)、可编程增益放大器(104)和模数转换器(105)，且电压电流转换器(101)、跨阻放大器(102)、积分器(103)、可编程增益放大器(104)和模数转换器(105)构成两条电流检测通路和一条电压检测通路。
3.根据权利要求2所述的传感器微弱信号通用检测芯片系统，其特征在于，所述跨阻放大器(102)、可编程增益放大器(104)和模数转换器(105)依次连接构成第一电流检测通路(1)，用于检测1μA至1mA范围内的大直流或交流电流;所述积分器(103)、可编程增益放大器(104)和模数转换器(105)依次连接构成第二电流检测通路(2)，用于检测1nA到1μA范围内的小直流或交流电流。
4.根据权利要求3所述的传感器微弱信号通用检测芯片系统，其特征在于，所述第一电流检测通路(1)和所述第二电流检测通路(2)独立工作，共用辅助子系统。
5.根据权利要求4所述的传感器微弱信号通用检测芯片系统，其特征在于，在所述第一电流检测通路(1)和所述第二电流检测通路(2)中，传感器的输出电流连接到跨阻放大器(102)或积分器(103)的输入，电流信号在跨阻放大器(102)或积分器(103)被转换为电压信号，跨阻放大器(102)和积分器(103)的输出接到可编程增益放大器(104)的输入，对此电压信号进一步放大并转换为差分信号，该差分信号被接到模数转换器(105)的输入，进行模数转换，最终得到易于传输和处理的数字信号，通过I2C总线输出。
6.根据权利要求4所述的传感器微弱信号通用检测芯片系统，其特征在于，所述电压检测通路由电压电流转换器(101)和所述第一电流检测通路(1)和所述第二电流检测通路(2)构成，电压电流转换器(101)将来自传感器输出的微弱电压信号转换为电流信号，根据此电流信号的大小选择接入所述第一电流检测通路(1)或所述第二电流检测通路(2)，间接实现对微弱电压信号的检测。
7.根据权利要求2所述的传感器微弱信号通用检测芯片系统，其特征在于，所述辅助子系统包括数模转换器(106)、带隙基准(107)、时钟产生电路(108)和数字控制逻辑(109)，其中:
带隙基准(107)为数模转换器(106)、电压电流转换器(101)、跨阻放大器(102)、积分器(103)、可编程增益放大器(104)和模数转换器(105)提供精准的偏置电压和电流;
时钟产生电路(108)将晶振产生的基准时钟分频得到积分器(103)、可编程增益放大器(104)、模数转换器(105)和数模转换器(106)需要的各相时钟，分频比由数字控制逻辑(109)设定;
数模转换器(106)用于向传感器提供所需的偏置电压，通过控制数模转换器(106)的数字输入信号，向传感器提供静态电压进行计时安培法测量或是动态变化的扫描偏置电压进行循环伏安法测量。
8.根据权利要求7所述的传感器微弱信号通用检测芯片系统，其特征在于，当传感器不需要偏置电压时，关闭数模转换器(106)以降低功耗。
9.根据权利要求7所述的传感器微弱信号通用检测芯片系统，其特征在于，当检测交流电流时，根据输入电流信号的频率，通过数字控制逻辑(109)调整分频比相应的改变积分器(103)、可编程增益放大器(104)和模数转换器(105)的时钟，以保持同样的过采样率。
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