CN104614568A - 一种带驱动功能的电流电压转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带驱动功能的电流电压转换器,包含传感器驱动电路和电流电压转换电路，传感器驱动电路包括第一放大器、第二放大器和电阻R1、R2。传感器驱动电路可以保证当电极上进行氧化还原反应时，参比电极RE和工作电极WE之间的电压差固定，并且根据传感器工作原理和测量方法不同加载恒定电压或是扫描电压到传感器电极。电流电压转换电路包含跨阻放大器、积分器、采样保持电路和时钟产生电路，可以将传感器输出的微弱电流信号转换为mV级以上的电压信号。本发明所述电流电压转换器具有高线性度、高集成度、低噪声和低功耗的优点，可以同多种类型传感器单片集成在一起形成传感器读出接口电路。

Description

一种带驱动功能的电流电压转换器

技术领域    

    本发明涉及电流电压转换器技术领域，是一种带驱动功能的电流电压转换器。

背景技术   

为了检测多种电化学传感器输出的微弱电流信号（nA-μA量级），需要采用高增益、高线性度的电流电压转换电路，传统的做法是采用运算放大器加一个反馈电阻构成电流电压转换器，然而这种做法在检测小电流（nA级）时,需要采用兆欧级以上的大电阻来实现高增益，不但占用大量的硅片面积，同时还需在速度和稳定性间折衷。已有文献报道【参阅：Mikko Saukoski, Lasse Aaltonen, Kari Halonen. Fully Integrated Charge Sensitive Amplifier for Readout of Micromechanical Capacitive Sensors[C],IEEE International Symposium on Circuits and Systems, May 2005(6):5377-5380】利用工作在线性区的长沟道晶体管来替代无源电阻，通过控制此晶体管的栅电压来调整等效电阻，然而这种方法形成的有源电阻线性度会受到电路状态的影响，长沟道晶体管的漏极电压随着转换后的电压变化而变化，由于存在二级效应影响了等效的有源电阻值，从而限制了可以检测的电流范围。大部分的电化学传感器工作时首先要在电极上加上静态的偏置电压（进行计时安培法测量）或是动态的扫描偏置电压（进行循环伏安法测量）。为了将所需电压准确加在电极上，需要有相应的驱动电路，然而现有的电化学传感器读出电路大多针对检测电路展开【参阅：杜黎，电化学传感器测试电路设计与实现，大连理工大学，硕士学位论文，2009，页6-页15】，没有将驱动电路集成到系统中。因此，有必要设计一种线性度良好、低噪声并且带驱动功能的电流电压转换器作为传感器输出电流信号读出的接口电路。

发明内容    

本发明的目的是提供一种带驱动功能的电流电压转换器，其线性度良好、噪声低，可以将传感器输出的微弱电流信号转换为mV级以上的电压信号，送给后续的模数转换器等电路进行处理。同时驱动电路将传感器工作需要的偏置电压加载到工作电极WE、参比电极RE和辅助电极AE上。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种带驱动功能的电流电压转换器，包括用于接收处理传感器信号的电流电压转换电路，其特征在于：还包括用于为传感器提供恒定偏置电压或动态扫描偏压的传感器驱动电路101；当待测物质进行化学反应时，所述传感器驱动电路101保证传感器参比电极RE和工作电极WE之间的电压差固定。

优选的，所述传感器驱动电路101包含第一放大器1、第二放大器2和电阻R1、R2；所述第二放大器2的同相输入端与传感器参比电极RE连接，第二放大器2的反相输入端和输出端短接形成单位增益放大器，同时第二放大器2的输出端通过电阻R2连接到第一放大器1的反相输入端；偏置电压VBAS通过电阻R1连接到第一放大器1的反相输入端，第一放大器1的同相输入端接共模电平，输出端连接传感器辅助电极AE；所述第二放大器2检测参比电极RE和工作电极WE的电压差，第一放大器1和电阻R1、R2形成的反馈环路将此电压差加到辅助电极AE上，从而起到调节参比电极RE和工作电极WE之间电压差的作用。

    优选的，所述电流电压转换电路包括两条分别独立工作的跨阻放大器通路11和积分器通路12，将来自传感器的输出电流信号转换为电压信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明所述带驱动功能的电流电压转换器，可以和传感器集成在一个基片上，提供传感器工作所需偏压的同时将传感器输出的微弱电流信号转换为易于检测的mV级以上电压信号，可作为接口芯片，用于微小型化的传感器读出系统。

（2）所述传感器驱动电路能在待测物质发生化学反应时，可保持工作电极WE和参比电极RE之间的电压差不变，并通过此驱动电路将外加电压VBAS加载到传感器的电极上。

（3）所述电流电压转换器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转换通路中的一条；检测交流信号时，根据待测信号的频率，相应改变时钟产生电路的分频比，从而改变积分器的积分频率和采样保持电路的采样频率，就可以保持相同的过采样率。

（4）所述电流电压转换器，采用全定制方法设计，在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。

（5）所述带驱动能力的电流电压转换器，具有两条信号转换通路，检测范围广，能够将1nA到1mA之间的电流信号转换为mV级以上的电压信号，并能提供传感器电极发生化学反应时需要偏置电压，具有高线性度、高集成度、低噪声和低功耗的优点。可以与多种类型传感器单片集成在一起形成传感器信号读出的接口电路。

附图说明    

图1  为本发明所述传感器驱动电路和电流电压转换器结构框图；

图2  为采用本发明所述跨阻放大器电流转换通路的扫描特性曲线图；

图3  为采用本发明所述积分器电路对传感器输出电流积分的仿真结果图；

图4  为采用本发明所述积分器电流转换通路的扫描特性曲线图。

具体实施方式   

     为方便本领域的技术人员理解，下面结合附图和实施例对本发明做详细介绍。

如图1所示，所述电流电压转换器由传感器驱动电路101和电流电压转换电路构成，传感器驱动电路101包括第一放大器1、第二放大器2、电阻R1和电阻R2；电流电压转换电路包括跨阻放大器102、积分器103、采样保持电路104和时钟产生电路105。传感器驱动电路101提供参比电极RE、工作电极WE和辅助电极AE上需要的电压，外加电压VBAS确定了传感器上所加电压大小，VBAS可以是静态电压，也可以是动态扫描电压。电流电压转换电路将工作电极WE上流过的电流转换成电压，根据电流大小选择跨阻放大器通路11或是积分器通路12进行转换，每条转换通路都具有高线性度和低噪声的特点。

如图1所示，传感器工作电极WE不论接到跨阻放大器通路11还是积分器通路12，其电压均与共模电平相同，参比电极RE和工作电极WE的电压差由接成单位增益放大器的第二放大器2来检测。同时，第一放大器1和电阻R1、R2形成反馈环路，将此电压差加到辅助电极AE上，从而起到调整参比电极RE和工作电极WE间电压的作用。为了让传感器工作起来，先要外加电压VBAS，所加电压值由待测物质产生氧化还原反应所需的电压值确定，可以是恒定电压，也可以是扫描电压，然后才可以检测传感器的输出电流。由于参比电极RE上不流过电流，所以流经工作电极WE上的电流均来自辅助电极AE，这样也有助于保持参比电极RE上的电压稳定。

如图1所示，电流电压转换电路中存在两条电流信号转换通路：跨阻放大器通路11用于检测大的直流或交流电流（1μA到1mA）；积分器通路12用于检测小的直流或交流电流（1n A到1μA）。两条电流转换通路交替工作，转换后的电压信号送到后续模数转换器等电路进行处理。当跨阻放大器通路11工作时，可以关闭积分器通路，反之亦然，有效降低了电路功耗。跨阻放大器102中采用1MΩ以下的电阻做反馈电阻，既能满足检测1μA到1mA间电流的需求，也可降低电阻引入的热噪声。时钟产生电路105产生两相不交叠时钟Clk1和Clk2，所有开关均采用传输门实现，避免了单独采用NMOS管或是PMOS管做开关时的阈值损失现象，同时有效降低了在整个工作电压范围内开关导通电阻的变化，第一开关21、第三开关23、第五开关25、第七开关26由时钟Clk2控制，第二开关22、第四开关24、第六开关26、第八开关28由时钟Clk1控制。积分器103在积分器通路12输入端和共模电平之间用时钟Clk2控制的第一开关21相连、积分器通路12输入端和第二运放4的反相输入端之间用时钟Clk1控制的第二开关22相连，其作用在于当时钟Clk2控制的第一开关21闭合时，输入电流可以泄放到共模电平，同时积分器103进行复位，第二运放4的反相输入端与输出相连，由于虚短，电压值与同相输入端电压值相同，均为共模电平。当时钟Clk1控制的第二开关22闭合时，输入电流流过积分电容C_itgr进行积分。采样保持电路104包括第三运放5，电容C1、电容C2，采样保持电路104和积分器103采用同频同相的时钟信号，将积分电压进行采样保持后送到输出。

1.  跨阻放大器通路

电流信号转换通路1中跨阻放大器102的增益由跨接在第一运放3反相输入端和输出端的可变电阻R决定，输出电压与输入电流关系如1式所示：

（1）

如果用跨阻放大器102检测小电流（μA级以下），需要采用较大可变电阻（MΩ级以上），这样将占用大量的硅片面积、引入较大的电阻产生的热噪声，同时还需在速度和稳定性间折衷，降低了电路可靠性。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，此时可变电阻R只需从1KΩ到1MΩ变化。从1式可以看出，输出电压与输入电流I_in和可变电阻R成线性关系。

2.   积分器通路

积分器通路中包含积分器103、采样保持电路104和时钟产生电路105。当传感器工作电极WE和积分器通路输入端相连时，积分器103将传感器的输出电流转换为电压信号。如图1所示，积分器通路采用两相非交叠时钟Clk1和Clk2，当时钟Clk2为高时，Clk2控制的第一开关21和第三开关23闭合，积分器进行复位，第二运放4的输出端与反相输入端相连，输出端电压和反相输入端电压与同相输入端电压相同，均为共模电平，此时输入电流不流入积分电容C_itgr而是流到共模电平。当时钟Clk1为高时，Clk1控制的第二开关22闭合，输入电流流过积分电容C_itgr进行充电，积分器处于积分状态。在Clk1由高向低跳变的时刻，积分器的输出电压如2式所示：

（2）

其中 为时钟Clk1的频率。从2式可以看出，积分电压与输入电流I_in成正比，与积分电容C_itgr和Clk1时钟频率成反比。当检测小电流时，可以减小积分电容值和降低时钟频率。

此积分电压由采样保持电路104进行采样和保持，然后输出。当时钟Clk1为高时，采样保持电路进行采样，电容C1两端的电压跟随积分器103输出电压V1；当时钟Clk2为高时，采样保持电路处于保持模式，最终的输出电压如3式所示：

  （3）

取C₁=C₂，则保持的电压与积分电压相等。这条转换通路采用了相关双采样技术，有效降低了反馈电容引入的KT/C噪声。

由式（1）、（2）和（3）式可以看出，电流电压转换器的增益由C_itgr、和R确定，在同一档位时，输出电压和输入电流成线性正比关系。

图2显示了当传感器输出电流以5μA步长从100μA -1mA进行扫描，采用本发明的跨阻放大器电流转换通路进行转换的仿真结果，可以看出输出电压随输入电流的增大而减小，线性度良好。图3为输入1nA-100nA的电流时，采用本发明的积分器进行积分的仿真结果，如图所示，当积分时间固定时，积分电压随输入电流的增大单调递减。图4为采用本发明的积分器电流转换通路对传感器输出电流从1nA-100nA（0.5nA步长）进行扫描的输出结果，从图上看出输出电压随输入电流增大单调递减，具有良好线性度。

Claims (11)

1.一种带驱动功能的电流电压转换器，包括用于接收处理传感器信号的电流电压转换电路，其特征在于：还包括用于为传感器提供恒定偏置电压或动态扫描偏压的传感器驱动电路（101）；当待测物质进行化学反应时，所述传感器驱动电路（101）保证传感器参比电极RE和工作电极WE之间的电压差固定。

2.根据权利要求1所述带驱动功能的电流电压转换器，其特征在于：所述传感器驱动电路（101）包含第一放大器（1）、第二放大器（2）和电阻R1、R2；所述第二放大器（2）的同相输入端与传感器参比电极RE连接，第二放大器（2）的反相输入端和输出端短接形成单位增益放大器，同时第二放大器（2）的输出端通过电阻R2连接到第一放大器（1）的反相输入端；偏置电压VBAS通过电阻R1连接到第一放大器(1)的反相输入端，第一放大器(1)的同相输入端接共模电平，输出端连接传感器辅助电极AE；所述第二放大器（2）检测参比电极RE和工作电极WE的电压差，第一放大器（1）和电阻R1、R2形成的反馈环路将此电压差加到辅助电极AE上，从而起到调节参比电极RE和工作电极WE之间电压差的作用。

3.根据权利要求1所述带驱动功能的电流电压转换器，其特征在于：所述电流电压转换电路包括两条分别独立工作的跨阻放大器通路（11）和积分器通路（12），将来自传感器的输出电流信号转换为电压信号。

4.根据权利要求3所述带驱动功能的电流电压转换器，其特征在于：所述跨阻放大器通路（11）包括第一运放（3）和可变电阻R；所述运放的同相输入端接共模电平，反相输入端与传感器连接，可变电阻R跨接在运放的反相输入端和输出端。

5.根据权利要求4所述的带驱动功能的电流电压转换器，其特征在于：所述可变电阻R变化范围为1KΩ到1MΩ。

6.根据权利要求3所述带驱动功能的电流电压转换器，其特征在于：所述积分器通路包括积分器（103）、采样保持电路（104）和时钟产生电路（105），传感器的输出电流通过积分器（103）转换为积分电压后，再通过采样保持电路（104）进行采样保持；时钟产生电路（105）将外界输入的基准时钟信号分频处理后产生积分器（103）和采样保持电路（104）需要的各相时钟。

7.根据权利要求6所述带驱动功能的电流电压转换器，其特征在于：所述时钟产生电路（105）产生两相非交叠时钟。

8.根据权利要求6所述带驱动功能的电流电压转换器，其特征在于：所述积分器（103）包括第一开关（21）、第二开关（22）、第三开关（23）和第二运放（4）、积分电容C_itgr；传感器信号通过时钟信号Clk2控制的第一开关（21）连接至第二运放（4）的反相输入端，Clk1控制的第二开关（22）一端连接传感器输入信号端，一端连接共模电平，第二运放（4）同相输入端与共模电平相连；第二运放（4）反相输入端和输出端之间跨接积分电容C_itgr和时钟Clk2控制的第三开关（23）。

9.根据权利要求6所述带驱动功能的电流电压转换器，其特征在于：所述采样保持电路包括第四开关（24）、第五开关（25）、第六开关（26）、第七开关（27）、第八开关（28）、电容C1、电容C2、第三运放（5）；积分器（103）输出端信号依次通过时钟Clk1控制的第四开关（24）、电容C1、的通过时钟Clk2控制的第七开关（27）接入第三运放（5）的反相输入端；电容C1两端分别通过受时钟Clk2控制的第五开关（25）、受时钟Clk1控制的第六开关（26）与共模电平相连；电容C2和时钟Clk1控制的第八开关（28）并联，跨接在第三运放（5）的反相输入端和输出端，同时第三运放（5）的同相输入端与共模电平相连。

10.根据权利要求9所述带驱动功能的电流电压转换器，其特征在于：所述电容C1、C2容值相同。

11.根据权利要求9所述带驱动功能的电流电压转换器，其特征在于：第一至第八开关均采用传输门实现。