CN103441766B - 一种植入式微弱电流转换电路及转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子、电路技术领域，具体为一种植入式微弱电流转换电路及转换方法。本发明的转换器包括单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路、计数器和数字控制电路；复用电路将植入式传感器电流先转换成模拟输出电压，然后将此模拟输出电压进行数字量化；计数器将单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路的工作周期进行计数；数字控制电路根据计数器的输出鉴定植入式传感器输入电流的电流范围，并根据电流范围调节单极增值型∑∆调制器和双斜率模数转换器复用电路的工作模式。本发明实现了高精度、高灵敏度以及大动态范围的微弱电流转换。

Description

一种植入式微弱电流转换电路及转换方法

技术领域

本发明属于电子、电路技术领域，具体涉及一种植入式微弱电流转换器设计，尤其涉及一种植入式高精度、高灵敏度以及大动态范围的微弱电流转换电路及转换方法。

背景技术

植入式传感器用于植入体内测量待测物质的浓度。一般来说，植入式传感器的产生电流和待测物质的浓度正比。对于健康人来说，待测物质浓度的波动范围不会太大，但对于一个身体异常的人来说，待测物质的浓度会在一个很大的范围内波动，与之相应的，植入式传感器的输出电流也具有很大的动态范围。此外，电化学传感器所处的人体环境易于受到电磁干扰等外界环境的影响。所以，植入式传感器应用中要求电流转换器首先要求非常好的抗噪声能力，避免受人体噪声环境的干扰；其次要求高精度以及高灵敏度，能检测到人体内非常细微的变化；最后为了避免人体组织受损，要求电流转换器具有非常低的功耗。

传统的微弱电流转换器的实现方法有很多：将电流积分成电压和将电流放大的方法可以检测到pA级的电流，但是在植入式应用中需要额外的模数转换器，通常功耗会比较高。将电流转换成时间或频率的方法非常简单，而且输出信号可以直接用于调制输出，消耗的功耗非常小，但是很难实现比较高的精度，通常用于检测大于1nA的电流。对于具体的实现电路，增值型∑∆调制器适用于比较大的电流信号，能实现非常高的精度及大的测量范围。而双斜率模数转换器结构在低功耗设计中能实现的精度和测量范围有限，但是对于测量非常小的电流(<1pA)时非常有优势，因为它引入的开关噪声非常小，这在非常微弱的电流测量中非常有利。

本发明的发明人发现，上述的传统方法很难同时实现高精度、高灵敏度以及大动态范围的微弱电流转换，因而需要其他的方法来实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种植入式高精度、高灵敏度以及大动态范围的微弱电流转换电路及转换方法。

本发明提供的微弱电流转换电路，采用单极增值型∑∆调制器和双斜率模数转换器相复用的电路，很好的实现了高精度、高灵敏度以及大动态范围的微弱电流转换。其包括：单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路、计数器、数字控制电路。其连接关系为：单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路输出端与计数器输入端相连接，计数器输出端与数字控制电路输入端相连接，数字控制电路输出端通过两条线路与单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路相连接，从而构成闭合调节回路。其中：

所述单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路，用于将植入式传感器先转换成模拟输出电压，然后将此模拟输出电压进行数字量化；其有两种工作模式，即单极增值型∑∆调制器模式和双斜率模数转换器模式，可以根据植入式传感器的电流大小，在两种模式之间切换；

所述计数器，用于对单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路的工作周期进行计数；

所述数字控制电路，用于根据计数器的输出鉴定植入式传感器输入电流的电流范围，并根据电流范围调节单极增值型∑∆调制器和双斜率模数转换器复用电路的工作模式。

本发明中，单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路处理的输入电流的信号可选范围为（10fA-1nA）。

本发明中，输入电流在1pA-1nA时，单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路的工作模式为单极增值型∑∆调制器模式；输入电流在10fA-1pA时，单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路的工作模式为双斜率模数转换器模式。

本发明中，单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路包含积分器，比较器，子数模转换器和参考电流源；

单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路中的积分器里的运算放大器，可采用折叠共源共栅结构；

单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路中的比较器可采用运算放大器和D触发器的组合方式；

单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路中的子数模转换器可以进行外部校准。

本发明提供的微弱电流转换方法，具体步骤为：

单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器两种不同的工作模式；

在两种工作模式下都将植入式传感器电流先转换成模拟输出电压，然后将此模拟输出电压进行数字量化；

通过计数器对单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器两种模式的工作周期进行计数；

由数字控制电路根据计数器的输出鉴定植入式传感器输入电流的电流范围，并根据电流范围调节单极增值型∑∆调制器和双斜率模数转换器复用电路的工作模式。

本发明的优点包括，对于植入式传感器不同的范围实现采用两种不同的工作模式：单极增值型∑∆调制器模式和双斜率模数转换器模式。这两种模式复用相同的电路模块，不需要额外的硬件消耗实现高精度、高灵敏度以及大动态范围的微弱电流转换。

附图说明

图1为本发明提出的植入式高精度、高灵敏度以及大动态范围的微弱电流转换器的结构框图。

图2为具体实例中单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路的实现电路。

图3为具体实例中积分器的实现电路。

图4为具体实例中参考电流源的实现电路。

图5为具体实例中子数模转换器的实现电路。

图6为具体实例中分流电路的实现电路。

图7为具体实例中校准电路的实现电路。

图8为具体实例中数字控制电路的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本发明技术方案进行进一步描述。所述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。另外，所描述的实施例也仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本实例提供的植入式高精度、高灵敏度以及大动态范围的微弱电流转换器的具体电路，下面做详细的说明。

该电路包括单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路、计数器以及数字控制电路。该电路连接关系为：单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路输出端与计数器输入端相连接，计数器输出端与数字控制电路输入端相连接，数字控制电路输出端通过两条线路与单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路相连接，从而构成闭合调节回路。下面将具体说明各个电路的具体实现。

在本实例中，植入式传感器的电流范围范围为10fA-1nA，分别对应于两种工作模式。两种工作模式具体细节为：

（1）单极增值型∑∆调制器工作模式：电流范围：1pA-1nA；参考电流：1nA；转换频率：1 Hz；精度：12位；

（2）双斜率模数转换器工作模式：电流范围：10fA-1pA；参考电流：1pA；转换频率：1Hz；精度：8位；

之所以采用上述的模式分类。因为，单极增值型∑∆调制器很容易实现高精度、大的动态范围，同时功耗尽也很小。但是对于极微弱的电流（小于1pA）时，由于单极增值型∑∆调制器在每个时间周期都要进行开关切换，而开关的非理想的电荷沟道注入效应会大大影响单极增值型∑∆调制器的精度，因而极微弱的电流不适合用单极增值型∑∆调制器实现。为了解决沟道电荷注入问题，在极微弱的电流（10fA-1pA），采用双斜率模数转换器。因为双斜率结构的电路除数字控制之外可以单极增值型∑∆调制器复用，从而不需要额外的硬件消耗；而且在一个转换周期内，它的开关切换次数非常少，减少了电荷注入的同时，也减少了衬底噪声，这在测量极微弱电流的时候非常重要。

参考图2， 单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路包括积分器，比较器，子数模转换器以及参考电流源。单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路的连接关系为：子数模转换器连接参考电流源以及输入电流，并决定参考电流源以及输入电流是否流入积分器；积分器连接比较器，且比较器用于判定积分器的积分电压的大小。对于积分器，rst为积分器的复位信号，当rst信号有效时，积分器复位，Cint上电压等于0，输出电压为Vref。复位结束后，输入电流积分电容上积分。

参考图3，积分器的运算放大器采用折叠共源共栅结构，因为积分器要求运放有高的增益，而对带宽要求不高。对于积分器，负载上的输出电流为gm2Vin，因此，当输入电流为1nA时，输出电流最大，Vin=1nA/gm2，电极偏置在600mV下，为了使达到足够的精度，运放的偏置电流约为300nA。

由于电流转换器的转换频率为1Hz，相对应的，电路对比较器的要求都不高，比较器采用运算放大器加D触发器的结构。

参考图4，为参考电流源的电路具体实现。参考电流源分为四部分，左起第一部分自启动电路，当电路开始上电时，M8管栅端为电源，M5栅端电压为地，则M11-M14管导通，M16也随着导通，将M8的栅端电压拉低，电路开始启动。电路正常启动之后，M15导通，使得M16管关断，自启动电路不再起作用。左边第二部分的作用是产生一个参考电压Vref，设计中保证M1和M2工作在弱反型区，Vref的值就可以通过M1与M2的长宽比确定。这一电压对电源电压及工艺系数不敏感，受电流影响也非常小。左起第三部分为电压传递电路，它的作用就是将Vref的电压传递给Vx，最右边的模块为电流生成模块，它决定了每一条支路中流过的电流的大小。参考电流源产生一个10nA的基准电流。

子数模转换器的电路图参考图5，当比较器输出为高时，即d为高，dn为低，控制参考电流Iref流向积分器；当比较器输出为低，d为低，dn为高时，Iref流向Vref。当开关MOS管关断时，栅电压为低，漏源电压都远大于栅电压，开关管完全关断，漏电流非常小。为了精确的产生1pA和1nA的子数模转换器参考电流，首先对参考电流源产生的10nA基准电流进行分流，参考图6。竖直的MOS管（除最后一个外）W/L=N-1，最后一个为1，水平的管子长宽比为N/(N-1)，第m与第m+1级并联之后W/L=N，与N/(N-1)串联之后长宽比为1，一直往前递推，可知从水平方向的任一MOS管源端往右看的等效长宽比都为1，电路以将近N倍的速度逐级递减，因而可以迅速的将10nA分流到1nA与1pA。这里分流电路的N取为10。

由于工艺失配的影响，参考图6所示的分流电路不能得到精确的1nA与1pA，需要外部校准电路进行校准。将上述的分流电路N设为2，就得到校准电路，参考图7。它每条支路的电流分别为Ic/2，Ic/4，Ic/8，Ic/16，通过不同支路的组合，就能将参考电流固定在一个可接受的误差范围之内。

数字控制电路的流程图参考图8，电路启动后工作模式在单极增值型∑∆调制器，在该模式下对输入电流Iin进行检测，一个转换周期之后，检测结果，如果测量的输入信号大于1pA，则信号直接输出，如果小于1pA，则跳转到双斜率模数转换器模式，重新对输入信号进行测量，转换周期结束后将测量结果输出，开始下一次测量。

Claims (8)

1.一种植入式微弱电流转换电路，其特征在于，包括：单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路、计数器、数字控制电路；其连接关系为：单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路输出端与计数器输入端相连接，计数器输出端与数字控制电路输入端相连接，数字控制电路输出端通过两条线路与单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路相连接，从而构成闭合调节回路；其中：

所述单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路，用于将植入式传感器先转换成模拟输出电压，然后将此模拟输出电压进行数字量化；其有两种工作模式，即单极增值型∑∆调制器模式和双斜率模数转换器模式，可以根据植入式传感器的电流大小，在两种模式之间切换；

所述计数器，用于对单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路的工作周期进行计数；

所述数字控制电路，用于根据计数器的输出鉴定植入式传感器输入电流的电流范围，并根据电流范围调节单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路的工作模式。

2.根据权利要求1所述的植入式微弱电流转换电路，其特征在于，单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路处理的输入电流的信号范围为10fA-1nA。

3.根据权利要求2所述的植入式微弱电流转换电路，其特征在于，输入电流在1pA-1nA时，单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路的工作模式为单极增值型∑∆调制器模式；输入电流在10fA-1pA时，单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路的工作模式为双斜率模数转换器模式。

4.根据权利要求1所述的植入式微弱电流转换电路，其特征在于，单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路包含积分器、比较器、子数模转换器和参考电流源。

5.根据权利要求4所述的植入式微弱电流转换电路，其特征在于，单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路中的积分器里的运算放大器采用折叠共源共栅结构。

6.根据权利要求4所述的植入式微弱电流转换电路，其特征在于，单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路中的比较器采用运算放大器和D触发器的组合方式。

7.根据权利要求4所述的植入式微弱电流转换电路，其特征在于，单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路中子数模转换器用于进行外部校准。

8.一种基于权利要求1所述的植入式微弱电流转换电路的微弱电流转换方法，其特征在于，包括：

在单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器两种不同的工作模式下，由单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路，将植入式传感器电流先转换成模拟输出电压，然后将此模拟输出电压进行数字量化；

通过计数器对单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器两种模式的工作周期进行计数；

由数字控制电路根据计数器的输出鉴定植入式传感器输入电流的电流范围，并根据电流范围调节单极增值型∑∆调制器/双斜率模数转换器复用电路的工作模式。