CN114124004A - 一种信号处理电路及信号处理装置 - Google Patents

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CN114124004A CN202111395280.7A CN202111395280A CN114124004A CN 114124004 A CN114124004 A CN 114124004A CN 202111395280 A CN202111395280 A CN 202111395280A CN 114124004 A CN114124004 A CN 114124004A
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蒋慧慧
粟平
章凯迪
席克瑞
杨璐宁
陈潇
朱清三
贾振宇
雷登明
白云飞
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Abstract

本发明公开了一种信号处理电路及信号处理装置，包括：信号读取模块，包括检测晶体管、参比晶体管、电压跟随单元和信号采集单元；电压跟随单元分别与第一电流源、检测晶体管的漏极、参比晶体管的漏极、检测晶体管的源极、参比晶体管的源极、以及信号采集单元电连接；检测晶体管的源极和参比晶体管的源极还与第二电流源电连接；差分放大模块，与信号采集单元电连接；差分放大模块将获取的检测晶体管的源极电压作为检测电压信号，以及参比晶体管的源极电压作为参比电压信号，并进行信号放大以将放大后的检测电压信号与放大后的参比电压信号进行差分后输出检测结果，以排除环境及温度对检测晶体管的影响，解决难以精确检测离子浓度的问题。

Description

一种信号处理电路及信号处理装置
技术领域
本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种信号处理电路及信号处理装置。
背景技术
近年来，基于离子敏场效应晶体管(Ion sensitive field effect transistor，ISFET)的生化传感器研究越来越引起人们的关注，ISFET是一种微电子离子选择性敏感元件，兼有电化学和晶体管的双重特性，具有宽广的离子测量范围，在各个领域都有广泛应用。
通常，在采用ISFET进行离子浓度检测时，由于ISFET的电学特性对温度比较敏感，ISFET的阈值电压也会随温度变化而变化，从而导致检测的结果不准确。针对此问题，亟需一种可以实现精确检测ISFET信号变化的方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种信号处理电路及信号处理装置，以对离子浓度进行精确检测。
第一方面，本发明实施例提供了一种信号处理电路，包括：
信号读取模块，包括检测晶体管、参比晶体管、电压跟随单元和信号采集单元；所述电压跟随单元分别与第一电流源、所述检测晶体管的漏极、所述参比晶体管的漏极、所述检测晶体管的源极、所述参比晶体管的源极、以及所述信号采集单元电连接；所述检测晶体管的源极和所述参比晶体管的源极还与第二电流源电连接；
所述电压跟随单元用于将所述第一电流源处的电信号分别传输至所述检测晶体管的漏极和所述参比晶体管的漏极，并将所述检测晶体管的源极电压和所述参比晶体管的源极电压分别传输至所述信号采集单元；
差分放大模块，与所述信号采集单元电连接；所述差分放大模块用于通过所述信号采集单元分别获取所述检测晶体管的源极电压作为检测电压信号，以及所述参比晶体管的源极电压作为参比电压信号，并对所述检测电压信号和所述参比电压信号进行信号放大，以将放大后的检测电压信号与放大后的参比电压信号进行差分后输出检测结果。
第二方面，本发明实施例提供了一种信号处理装置，包括：主控电路、选通电路和多个任意一实施例所述的信号处理电路；
所述选通电路用于选通各所述信号处理电路输出的检测结果；
所述主控电路的输入端通过所述选通电路与各所述信号处理电路电连接，所述主控电路用于接收各所述信号处理电路输出的检测结果，并对各所述信号处理电路输出的检测结果进行处理。
本发明实施例，通过在信号读取模块中设置检测晶体管和参比晶体管，且参比晶体管与检测晶体管具有相同的电连接方式以及处于相同环境中，使得参比晶体管与检测晶体管因环境而引起的阈值漂移情况相同，以在采用差分放大模块对检测晶体管的检测电压信号和参比晶体管的参比电压信号进行差分放大后，以消除检测电压信号中因环境而引起的阈值漂移量，消除环境因素对检测结果的影响，从而能够提高信号处理的准确性；并且，当参比晶体管与检测晶体管相比，除有无离子敏感膜外，其他叠层结构、材质以及制作工艺均相同，且可以为同一批次制作时，在将检测电压信号参比电压信号进行差分放大后，还能够消除检测晶体管自身参数差异对检测结果的影响；同时，参比晶体管和检测晶体管均通过电压跟随单元分别与第一电流源、第二电流源以及先后采集单元电连接，以使参比晶体管和检测晶体管的漏极和源极之间的电压以及源漏电流保持恒定，以防因参比晶体管和检测晶体管的漏极和源极之间的电压和/或源漏电流发生变化，而影响其源极电压的准确性；此外，参比晶体管和检测晶体管的源极电压均通过电压跟随单元后传输至信号检测单元，能够确保信号检测单元所检测到的检测电压信号和参比电压信号的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种信号处理电路的电路结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种信号处理电路的电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种信号处理电路的电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种信号处理电路的电路结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种信号处理电路的电路结构示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种信号处理电路的电路结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种信号处理装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种信号处理装置的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的又一种信号处理装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
ISFET与金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)具有相似的结构，实际上是去掉MOSFET上的金属栅，在栅极上面生长一层离子敏感膜。在使用ISFET对待测溶液中离子浓度进行检测时，将ISFET栅极的离子敏感膜与待测溶液接触，同时在溶液中必须设置参比电极，如此通过参比电极施加电压使ISFET工作。
由于参比电极与溶液作用后产生的基准电极不稳定，且ISFET的电学特性对温度比较敏感，ISFET的阈值电压也会随温度变化而变化，进而在对离子浓度进行检测时，难以对ISFET受温度影响的信号变化量进行定量，如此导致无法精确测量溶液的离子浓度。
针对上述问题，本发明实施例提供了一种信号处理电路，包括：信号读取模块，包括检测晶体管、参比晶体管、电压跟随单元和信号采集单元；电压跟随单元分别与第一电流源、检测晶体管的漏极、参比晶体管的漏极、检测晶体管的源极、参比晶体管的源极、以及信号采集单元电连接；检测晶体管的源极和参比晶体管的源极还与第二电流源电连接；电压跟随单元用于将第一电流源处的电信号分别传输至检测晶体管的漏极和参比晶体管的漏极，并将检测晶体管的源极电压和参比晶体管的源极电压分别传输至信号采集单元；差分放大模块，与信号采集单元电连接；差分放大模块用于通过信号采集单元分别获取检测晶体管的源极电压作为检测电压信号，以及参比晶体管的源极电压作为参比电压信号，并对检测电压信号和参比电压信号进行信号放大，以将放大后的检测电压信号与放大后的参比电压信号进行差分后输出检测结果。
采用上述方案，通过在信号读取模块中设置检测晶体管和参比晶体管，且参比晶体管与检测晶体管具有相同的电连接方式以及处于相同环境中，使得参比晶体管与检测晶体管因环境而引起的阈值漂移情况相同，以在采用差分放大模块对检测晶体管的检测电压信号和参比晶体管的参比电压信号进行差分放大后，以消除检测电压信号中因环境而引起的阈值漂移量，消除环境因素对检测结果的影响，从而能够提高信号处理的准确性；并且，当参比晶体管与检测晶体管相比，除有无离子敏感膜外，其他叠层结构、材质以及制作工艺均相同，且可以为同一批次制作时，在将检测电压信号参比电压信号进行差分放大后，还能够消除检测晶体管自身参数差异对检测结果的影响；同时，参比晶体管和检测晶体管均通过电压跟随单元分别与第一电流源、第二电流源以及信号采集单元电连接，以使参比晶体管和检测晶体管的漏极和源极之间的电压以及源漏电流保持恒定，以防因参比晶体管和检测晶体管的漏极和源极之间的电压和/或源漏电流发生变化，而影响其源极电压的准确性；此外，参比晶体管和检测晶体管的源极电压均通过电压跟随单元后传输至信号检测单元，能够确保信号检测单元所检测到的检测电压信号和参比电压信号的准确性。
以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种信号处理电路的电路结构示意图，如图1所示，该信号处理电路中的信号读取模块10包括检测晶体管101、参比晶体管102、电压跟随单元103和信号采集单元104；电压跟随单元103分别与第一电流源105、检测晶体管101的漏极D1、参比晶体管102的漏极D2、检测晶体管101的源极S1、参比晶体管102的源极S2、以及信号采集单元104电连接；检测晶体管101的源极S1和参比晶体管102的源极S2还与第二电流源106电连接；电压跟随单元103用于将第一电流源105处的电信号分别传输至检测晶体管101的漏极D1和参比晶体管102的漏极D2，并将检测晶体管101的源极电压V1和参比晶体管102的源极电压V2分别传输至信号采集单元104。
具体的，检测晶体管101可以为离子敏场效应晶体管(Ion sensitive fieldeffect transistor，ISFET)，由于检测晶体管10没有金属顶栅，离子敏感膜与参比电极及待测溶液一起起着栅极的作用，具体接触方式为将离子敏感膜和参比电极均置于待测溶液中，如此，参比电极上施加的电压以及溶液与敏感膜之间的能斯特电位通过待测溶液加到绝缘栅上，使半导体表面反型，形成导电沟道，由于溶液与敏感膜之间的能斯特电位会随待测溶液中离子浓度的变化而变化，进而影响检测晶体管101的阈值电压，如此检测晶体管101的栅极G1下方沟道电阻也随之变化；相应的，在检测晶体管101的源极S1和漏极D1之间的电流和电压均保持恒定时，检测晶体管101的源极S1的电压随检测晶体管101的栅极G1下方沟道电阻的变化而变化，从而可根据检测晶体管101的源极S1的电压变化值来确定待检测溶液中离子浓度。
本发明实施例中，电压跟随单元103分别与第一电流源105、检测晶体管101的漏极D1、检测晶体管101的源极S1、以及信号采集单元104电连接，以通过电压跟随单元103的缓冲作用，使得检测晶体管101的源极S1和漏极D1之间的电流和电压均保持恒定，信号采集单元104可通过电压跟随单元103接收到检测晶体管101的源极电压作为检测电压信号。
由于检测晶体管101的电学特性对温度比较敏感，其阈值电压会随温度变化而变化，使得信号采集单元104所采集的检测电压信号中包含因环境因素而产生的变化量，这将影响待检测溶液中离子浓度的检测准确性。此时，通过在信号读取模块10中设置与检测晶体管101具有相似的结构的参比晶体管102，该参比晶体管102可以为MOSFET。当将检测晶体管101的栅极G1和参比晶体管102的栅极G2暴露于同一溶液环境中，参比晶体管102与检测晶体管101可具有相同的失调和温度特性。
通过将参比晶体管102设置为与检测晶体管101具有相同的连接方式，即参比晶体管102的漏极D2也通过电压跟随单元103分别与第一电流源105、信号采集单元104电连接，参比晶体管102的源极D2与第二电流源106电连接，且参比晶体管102的源极D2还通过电压跟随单元10与信号采集单元104，使得参比晶体管102的源极S2和漏极D2之间的电流与检测晶体管101的源极S1和漏极D1之间的电流相同且保持恒定，以及参比晶体管102的源极S2和漏极D2之间的电压与检测晶体管101的源极S1和漏极D1之间的电压相同且保持恒定；进一步的，通过将检测晶体管101和参比晶体管102设置为具有相同的叠层结构和制作工艺，且同一批次制作，以排除检测晶体管101和参比晶体管102自身差异对检测结果的影响。如此，由于参比晶体管102对离子不敏感，使得其栅极G2的电势不会随待检测溶液中离子浓度的变化而变化，因此参比晶体管102的源极电压变化量仅包括环境因素和其自身参数引起的变化量。此时，可通过将检测晶体管101的源极电压变化量中减去参比晶体管102的源极电压变化量，即可仅保留因离子浓度变化而引起的检测晶体管101的源极电压变化量。
继续参考图1，信号处理电路中还设置有差分放大模块20，该差分放大模块20与信号采集单元104电连接，其可通过信号采集单元104分别获取检测晶体管101的源极电压作为检测电压信号V，以及参比晶体管102的源极电压作为参比电压信号VREF，并对检测电压信号V和参比电压信号VREF进行信号放大，以将放大后的检测电压信号V’与放大后的参比电压信号VREF’进行差分后输出检测结果OUT；如此，由差分放大模块20对检测电压信号V和参比电压信号VREF进行差分放大后输出的检测结果OUT中，仅包括因离子浓度而引起的变化量，从而排除了环境、温度以及晶体管自身参数差异对检测结果的影响，提高了检测结果的精准性。
可选的，图2为本发明实施例提供的另一种信号处理电路的电路结构示意图，如图2所示，信号采集单元104可以包括第一采样电阻R1和第二采样电阻R2；第一采样电阻R1的第一端与第一电流源105和电压跟随单元103第一输入端电连接，第一采样电阻R1的第二端与电压跟随单元103的第一输出端和差分放大模块20的第一输入端电连接；第二采样电阻R2的第一端与第一电流源105和电压跟随单元103的第二输入端电连接，第二采样电阻R2的第二端与电压跟随单元103的第二输出端和差分放大模块20第二输入端电连接。
具体的，第一采样电阻R1的第一端与第一电流源105和电压跟随单元103第一输入端电连接，第一采样电阻R1的第二端与电压跟随单元103的第一输出端电连接，同时，检测晶体管101的源极S1和漏极D1也分别与电压跟随单元103电连接，使得第一采样电阻R1与检测晶体管101的源极S1和漏极D1具有并联关系，由于第一采样电阻R1的阻值为固定值，且第一电流源105提供至第一采集电阻R1的电流源信号也为固定值，即流经第一采样电阻R1的电流为固定值，使得第一采集电阻R1两端的电压为固定值；此时，因第一采样电阻R1的漏极D1通过电压跟随单元103与第一采样电阻R1的第一端电连接，第一采样电阻R1的第二端通过电压跟随单元103与检测晶体管101的源极S1电连接，使得检测晶体管101的漏极电压D1等于第一采样电阻R1的第一端的电压，检测晶体管101的源极电压等于第一采样电阻R1的第二端的电压；如此，检测晶体管101的源极S1和漏极D1之间的电压保持恒定；并且，通过将第一采样电阻R1的第二端与差分放大模块20的第一输入端电连接，使得第一采样电阻R1的第二端的电压作为检测电压信号输入至差分放大模块20，实现对检测晶体管101的源极电压的检测。
基于相同的原理，第二采样电阻R2与参比晶体管102并联连接，使得参比晶体管102的源极S2和漏极D2之间的电压保持恒定，且第二采样电阻R2的第二端的电压即为参比晶体管102的源极电压；通过将第二采样电阻R2的第二端与差分放大模块20的第二输入端电连接，使得第二采样电阻R2的第二端的电压作为参比电压信号输入至差分放大模块20，实现对参比晶体管102的源极电压的检测。
需要说明的是，本发明实施例中第一采样电阻R1的阻值与第二采样电阻R2的阻值可以根据需要进行设置，其可以相同或不同；第一采样电阻R1的阻值与第二采样电阻R2的阻值不同时，由于第一采样电阻R1的阻值和第二采样电阻R2的阻值为可控的影响因素，因此在对检测结果进行处理和分析时，可将将因第一采样电阻R1的阻值和第二采样电阻R2的阻值不同而引起的损耗或增量进行抵消即可。
可选的，继续参考图2所示，电压跟随单元103包括第一电压跟随器1031、第二电压跟随器1032、第三电压跟随器1033和第四电压跟随器1034；第一电压跟随器1031的输入端与第一电流源105和第一采样电阻R1的第一端电连接，第一电压跟随器1031的输出端与检测晶体管101的漏极D1电连接；第二电压跟随器1032的输入端与第一电流源105和第二采样电阻R2的第一端电连接，第二电压跟随器1032的输出端与参比晶体管102的漏极D2电连接；第三电压跟随器1033的输入端与检测晶体管101的源极S1电连接，第三电压跟随器1033的输出端与第一采样电阻R1的第二端电连接；第四电压跟随器1034的输入端与参比晶体管102的源极S2电连接，第四电压跟随器1034的输出端与第二采样电阻R2的第二端电连接。
如此，通过在检测晶体管101的漏极D1与第一电流源105和第一采样电阻R1的第一端之间设置第一电压跟随器1031，使得第一采样电阻R1的第一端的电压与检测晶体管101的漏极D1的电压相等；通过在检测晶体管101的源极S1与第一采样电阻R1的第二端设置第三电压跟随器1033，能够确保检测晶体管101的源极S1的电压与第一采样电阻R1的第二端的电压相同；同时，由于电压跟随器具有隔离和缓冲的作用，能够防止第一采样电阻R1的第二端处的电压反向影响检测晶体管101的源极S1处的电压，从而有利于提高对检测晶体管101的源极电压的检测准确性。
同样的，通过在参比晶体管102的漏极D2与第一电流源105和第二采样电阻R2的第一端之间设置第二电压跟随器1032，使得第二采样电阻R2的第一端的电压与参比晶体管102的漏极D2的电压相等；通过在参比晶体管102的源极S2与第二采样电阻R2的第二端设置第四电压跟随器1034，能够确保参比晶体管102的源极S2的电压与第二采样电阻R2的第二端的电压相同；同时，由于电压跟随器具有隔离和缓冲的作用，能够防止第二采样电阻R2的第二端处的电压反向影响参比晶体管102的源极S2处的电压，从而有利于提高对参比晶体管102的源极电压的检测准确性。
可选的，图3为本发明实施例提供的又一种信号处理电路的电路结构示意图，如图3所示，差分放大模块20包括第一放大器201和第二放大器202；第一放大器201的正相输入端接收检测电压信号V；第一放大器201用于对检测电压信号V进行信号放大后输出放大后的检测电压信号V’；第二放大器202的正相输入端接收参比电压信号VREF；第二放大器202用于对参比电压信号VREF进行信号放大后输出放大后的参比电压信号VREF’。
可以理解的是，第一放大器和第二放大器可以具有相同的结构，以使的第一放大器和第二放大器具有相同的噪声影响情况，以提高差分放大模块的共模抑制比，进一步提高检测结果的准确性。
其中，第一放大器201和第二放大器202可以为同相放大器，其具有输入阻抗高的特点，可实现放大微弱信号。此时，第一放大器201可以包括第一运算放大器U1和反馈电阻R201，第一运算放大器U1的同相输入端接收检测电压信号，第一运算放大器U1的输出端通过反馈电阻R201与其反相输入端电连接；同样的，第二放大器202可以包括第二运算放大器U2和反馈电阻R202，第二运算放大器U2的同相输入端接收参比电压信号，第二运算放大器U2的输出端通过反馈电阻R202与其反相输入端电连接。
具体的，由于检测电压信号V和参比电压信号VREF是很微弱的微伏级信号，在对检测电压信号V和参比电压信号VREF进行处理时，会因外部因素的影响，而削弱检测电压信号V和参比电压信号VREF；因此将检测晶体管101的源极电压作为检测电压信号V输入至第一放大器201，使得第一放大器201对检测电压信号V进行放大并得到放大后的检测电压信号V’，以及将参比晶体管101的源极电压作为参比电压信号VREF输入至第二放大器202，使得第二放大器202对参比电压信号VREF进行放大并得到放大后的参比电压信号VREF’，以在对检测电压信号V和参比电压信号VREF进行后续处理时不失真，保证信号的精度和准确。
需要说明的是，图3仅为本发明实施例的示例性附图，图3中仅示例性地示出了第一放大器和第二放大器均为同相放大器，而在能够实现对检测电压信号和参比电压信号进行信号放大的前提下，本发明实施例对第一放大器和第二放大器的结构不做具体限定。
可以理解的是，经第一放大器201进行放大后的检测电压信号V’和经第二放大器202进行放大后的参比电压信号VREF’可以直接进行差分后作为检测结果进行输出，或者可以进行差分放大后输出检测结果，该两种情况下所输出的检测结果均为模拟信号。
可选的，继续参考图3，差分放大模块20还包括差分运算放大器203；差分运算放大器203的反相输入端与第一放大器201的输出端电连接，差分运算放大器203的正相输入端与第二放大器202的输出端电连接；差分运算放大器203用于将放大后的检测电压信号V’与放大后的参比电压信号VREF’进行差分放大后，输出差分模拟信号VO作为检测结果OUT。
如此，差分运算放大器203能够对经第一放大器201进行放大后的检测电压信号V’和经第二放大器202进行放大后的参比电压信号VREF’进行差分放大后，即对放大后的检测电压信号V’和放大后的参比电压信号VREF’之间的差值进行放大，以采用放大后的参比电压信号VREF’抵消放大后的检测电压信号V’中因环境而引起的变化量，从而能够排除环境对检测结果的影响，提高检测的准确性。
其中，差分运算放大器203可以包括第三运算放大器U3、反馈电阻R203以及参考电阻Rf。第三运算放大器U3的反相输入端作为差分运算放大器203的反相输入端与第一放大器201的输出端电连接，第三运算放大器U3的同相输入端作为差分运算放大器203的同相输入端与第二放大器202的输出端电连接；第三运算放大器U3的输出端通过反馈电阻R203与第三运算放大器U3的反相输入端电连接，第三运算放大器U3的同相输入端还通过参考电阻Rf与参考电压源Vf电连接。
可选的，差分放大模块20还可以包括平衡电阻R；平衡电阻R电连接于第一放大器201的反相输入端与第二放大器202的反相输入端之间，以使第一放大器201的反相输入端与第二放大器202的反相输入端的电势相等，确保第一放大器201和第二放大器202具有相同的增益，从而保证差分放大模块20具有高稳定增益，提高测量精度。
除此外，差分放大模块20还可以包括设置于第一放大器201的输出端与差分运算放大器203的反相输入端之间的分压电阻R21，以及设置于第二放大器202的输出端与差分运算放大器203的同相输入端之间的分压电阻R22，以确保输入至差分运算放大器203的反相输入端和同相输入端的信号，在该差分运算放大器203的工作电压范围内。
还需要说明的是，本发明实施例的差分放大模块不限于图3所示的结构，在能够对检测电压信号和参比电压信号进行差分放大的前提下，本发明实施例对差分放大模块的结构不做具体限定。同时，上述是以检测结果为模拟信号为例，对差分放大模块的结构进行了示例性的说明，而在本发明实施例中检测结果还可以为数字信号，此时差分放大模块的结构不限于图3所示的结构。
可选的，图4为本发明实施例提供的又一种信号处理电路的电路结构示意图，如图4所示，差分放大模块20还包括差分模数转换器204；差分模数转换器204的正极输入端与第一放大器201的输出端电连接，差分模数转换器204的负极输入端与第二放大器202的输出端电连接；差分模数转换器204用于将放大后的检测电压信号V’与放大后的参比电压信号VREF’进行差分后，输出差分数字信号VO’作为检测结果OUT。
如此，通过差分模数转换器204对放大后的检测电压信号V’与放大后的参比电压信号VREF’进行差分，并将该差分信号转换为差分数字信号VO’作为检测结果OUT，即将数模转换与差分集成在一起，有利于简化电路结构，能够便于对检测结果OUT进行后续的处理和分析。
相应的，继续参考图4，第一放大器201可以包括第一运算放大器U1、反馈电阻R201、参考电阻Rf01以及增益调节电阻Rz11和Rz12；第一运算放大器U1的反相输入端通过参考电阻Rf01与参考电压源Vf电连接，第一运算放大器U1的同相输入端通过增益调节电阻Rz11接收检测电压信号V，第一运算放大器U1的同相输入端还通过增益调节电阻Rz12接地；此时，第一放大器201对检测电压信号的增益调节放大倍数应与其两个增益电阻Rz11和Rz12的阻值相关。同样的，第二放大器202可以包括第二运算放大器U2、反馈电阻R202、参考电阻Rf02以及增益调节电阻Rz21和Rz22；第二运算放大器U2的反相输入端通过参考电阻Rf02与参考电压源Vf电连接，第二运算放大器U2的同相输入端通过增益调节电阻Rz21接收参比电压信号VREF，第二运算放大器U2的同相输入端还通过增益调节电阻Rz22接地；此时，第二放大器202对参比电压信号的增益调节放大倍数应与其两个增益电阻Rz21和Rz22的阻值相关。其中，第一放大器201和第二放大器202中，参考电阻Rf01与参考电阻Rf02的阻值相等，增益调节电阻Rz11与增益调节电阻Rz21的阻值相等，增益调节电阻Rz12与增益调节电阻Rz22的阻值相等，以及反馈电阻R201与反馈电阻R202相等。
可选的，图5为本发明实施例提供的又一种信号处理电路的电路结构示意图，如图5所示，该信号处理电路还包括电压跟随模块30，电连接于信号读取模块10与差分放大模块20之间；电压跟随模块30用于将检测电压信号V和参比电压信号VREF传输至差分放大模块20。如此，通过电压跟随模块30分别传输检测电压信号V和参比电压信号VREF，减小检测电压信号V和参比电压信号VREF在传输过程中的损耗，能够提高检测电压信号V和参比电压信号VREF的传输准确性，从而能够提高检测结果的准确性，进而提高对离子浓度的检测准确性。
其中，继续参考图5，电压跟随模块30可以包括第五电压跟随器301和第六电压跟随器302；信号读取模块10分别与第五电压跟随器301的输入端和第六电压跟随器302的输入端电连接；差分放大模块20分别与第五电压跟随器301的输出端和第六电压跟随器302的输出端电连接。
具体的，由于电压跟随器具有输入高阻抗和输出低阻抗的特性，使得从差分放大模块20到信号采集单元104的方向为电流开路状态，而从信号采集单元104到差分放大模块20的输入端的方向为导通状态；此时，通过第五电压跟随器301和第六电压跟随器302分别将检测电压信号V和参比电压信号VREF传输至差分放大模块20，能够确保检测电压信号V和参比电压信号VREF的传输准确性，同时第五电压跟随器301和第六电压跟随器302能够起到一定隔离作用，避免差分放大模块20端的信号影响信号读取模块10所读取的检测电压信号V和参比电压信号VREF。
可选的，图6为本发明实施例提供的又一种信号处理电路的电路结构示意图，如图6所示，该信号处理电路还包括滤波模块40，电连接于信号读取模块10与差分放大模块20之间；滤波模块40用于对检测电压信号V和参比电压信号VREF进行滤波。
具体的，由于信号读取过程中存在电磁干扰等因素，最终导致信号读取模块10输出的信号含有很多种频率成分的噪声，严重情况下，甚至导致无法读取检测晶体管101的源极电压V1和参比晶体管102的源极电压V2，进而影响测量结果。如此，通过设置滤波模块40对检测电压信号V和参比电压信号VREF进行滤波，抑制杂散的无用频率信号，使一定频率范围内的信号通过，从而提高系统的信噪比，保证最终检测结果是准确性。
可选的，滤波模块40包括第一低通滤波器401和第二低通滤波器402；第一低通滤波器401用于对检测电压信号V进行低通滤波；第二低通滤波器402用于对参比电压信号VREF进行低通滤波。
其中，第一低通滤波器401和第二低通滤波器402的具体采用的电路结构本发明实施例不做特殊限定，可以采用有源滤波器也可以采用无源滤波器。优选的，可以采用无源滤波器，功耗小且成本低。
示例性的，第一低通滤波器401可以包括第一滤波电阻R41和第一滤波电容C41构成的RC滤波器，第二低通滤波器402可以包括第二滤波电阻R42和第二滤波电容C42构成的RC滤波器。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种信号处理装置，至少包括本发明实施例提供的信号处理电路。因此，本发明实施例提供的信号处理装置具备本发明实施例提供的信号处理电路的技术特征，能够达到本发明实施例提供的信号处理电路的有益效果，相同之处可参照上述对本发明实施例提供的信号处理电路的描述，在此不再赘述。
示例性的，图7为本发明实施例提供的一种信号处理装置的结构示意图，如图7所示，该信号处理装置包括主控电路1、选通电路2和多个信号处理电路3；选通电路2用于选通各信号处理电路3输出的检测结果；主控电路1的输入端通过选通电路2与各信号处理电路3电连接，主控电路1用于接收各信号处理电路3输出的检测结果，并对各信号处理电路3输出的检测结果进行处理。
具体的，选通电路2可以包括多路选择器，该多路选择器可以包括多个开关，各开关的输入端可与各信号处理电路3的检测结果输出端电连接，各开关的输出端同时与主控电路1的输入端电连接；通过控制选通电路2中各开关的导通或断开，可以控制该开关对应的信号处理电路的检测结果传输至主控电路1，由主控电路1对其进行处理和分析，以确定出各信号处理电路3所检测的溶液中的离子浓度。其中，各信号处理电路3可分别对等量等浓度溶液进行检测，或者各信号处理电路3可分别对不同浓度的同种溶液进行检测，信号处理电路3的数量可以为n个，n为大于或等于2的整数；主控电路1可以是基于单片机或者数字信号处理(Digital Signal Process，DSP)芯片实现的控制电路，本发明实施例对此不做特殊限定。
本发明实施例中，通过设置多个信号处理电路3，通过选通电路2选通各信号处理电路输出的检测结果，使得主控电路1能够选择性的对检测结果进行处理分析，有利于提高信号处理分析的准确性，以及信号处理的效率。
可选的，图8为本发明实施例提供的另一种信号处理装置的结构示意图，结合图2和图8所示，信号处理装置还包括电压转换电路4；该电压转换电路4分别与主控电路1、以及各信号处理电路3的信号读取模块10电连接；电压转换电路4用于根据主控电路1提供的电压控制信号，控制各信号处理电路3的信号读取模块10接收的第一电流源105信号和/或第二电流源106信号。
具体的，主控电路1根据选通电路2选通的检测结果进行处理分析可以获知各信号处理电路3输出的检测结果的情况，基于检测结果的情况，主控电路1可以输出电压控制信号至电压转换电路4，通过电压转换电路4调节提供至各信号处理电路3中信号读取模块10的第一电流源105信号和/或第二电流源106信号，以消除因第一电流源105和第二电流源106对各信号处理电路3的检测结果的影响，提高离子浓度检测的精准性。其中，电压转换电路4可以包括数模转换器，以在主控电路1所输出的信号为数字信号时，能够将该数字信号转换为模拟信号提供至各信号处理电路3。
可选的，继续参考图2和8，该信号处理装置还包括程控开关5，电连接于电压转换电路4与各信号处理电路3的信号读取模块10之间；程控开关5用于在主控电路1提供的开关控制信号的控制下，控制电压转换电路4与各信号处理电路3的信号读取模块10导通或断开。
其中，程控开关5也可以是多路开关，与选通电路2不同的是，程控开关可以为多输入和多输出，以能够同时向不同的信号处理电路3提供第一电流源105信号和/或第二电流源106信号，且各信号处理电路3所接收的第一电流源105信号和/或第二电流源106信号互不影响。
可选的，继续参考图8所示，信号处理装置还包括模数转换及采集电路6；该模数转换及采集电路6电连接于选通电路2与主控电路1之间；模数转换及采集电路6用于将选通电路2选通的检测结果的模拟信号转换为数字信号后，输出至主控电路1。
具体的，当主控电路1为仅能对数字信号进行处理的电路时，还可以在选通电路2与主控电路1之间电连接模数转换及采集电路6，以将选通电路2所选通的检测结果的模拟信号转换为相应的数字信号后，传输至主控电路1，以便于主控电路1对该数字信号进行处理分析后，获得信号处理电路所检测的溶液中的离子浓度，如此，能够便于主控电路1对选通电路2所选通的检测结果的处理和分析。其中，当电压转换电路4为数模转换器时，该模数转换及采集电路6与电压转换电路4成对设置。
可选的，图9为本发明实施例提供了又一种信号处理装置的结构示意图，结合图4和图9所示，当各信号处理电路3的差分放大模块20包括第一放大器201、第二放大器202和差分模数转换器204时，差分模数转换器204复用为数模转换及采集电路6，且各信号处理电路共用一个差分模数转换器204；差分模数转换器204的正极输入端通过选通电路2与各信号处理电路3的第一放大器201的输出端电连接；差分模数转换器204的负极输入端通过选通电路2与各信号处理电路3的第二放大器202的输出端电连接；差分模数转换器204的输出端与主控电路1电连接。
具体的，差分模数转换器204内部集成有模数转换结构，如此当信号处理电路3的差分放大模块20采用差分模数转换器204进行差分处理时，可同时实现将检测结果直接转换成数字信号并输出，如此不需要再额外设置模数转换及采集电路6，简化了电路结构。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (16)

1.一种信号处理电路，其特征在于，包括：
信号读取模块，包括检测晶体管、参比晶体管、电压跟随单元和信号采集单元；所述电压跟随单元分别与第一电流源、所述检测晶体管的漏极、所述参比晶体管的漏极、所述检测晶体管的源极、所述参比晶体管的源极、以及所述信号采集单元电连接；所述检测晶体管的源极和所述参比晶体管的源极还与第二电流源电连接；
所述电压跟随单元用于将所述第一电流源处的电信号分别传输至所述检测晶体管的漏极和所述参比晶体管的漏极，并将所述检测晶体管的源极电压和所述参比晶体管的源极电压分别传输至所述信号采集单元；
差分放大模块，与所述信号采集单元电连接；所述差分放大模块用于通过所述信号采集单元分别获取所述检测晶体管的源极电压作为检测电压信号，以及所述参比晶体管的源极电压作为参比电压信号，并对所述检测电压信号和所述参比电压信号进行信号放大，以将放大后的检测电压信号与放大后的参比电压信号进行差分后输出检测结果。
2.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号采集单元包括第一采样电阻和第二采样电阻；
所述第一采样电阻的第一端与所述第一电流源和所述电压跟随单元的第一输入端电连接，所述第一采样电阻的第二端与所述电压跟随单元的第一输出端和所述差分放大模块第一输入端电连接；
所述第二采样电阻的第一端与所述第一电流源和所述电压跟随单元的第二输入端电连接，所述第二采样电阻的第二端与所述电压跟随单元的第二输出端和所述差分放大模块的第二输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的信号处理电路，其特征在于，所述电压跟随单元包括第一电压跟随器、第二电压跟随器、第三电压跟随器和第四电压跟随器；
所述第一电压跟随器的输入端与所述第一电流源和所述第一采样电阻的第一端电连接，所述第一电压跟随器的输出端与所述检测晶体管的漏极电连接；
所述第二电压跟随器的输入端与所述第一电流源和所述第二采样电阻的第一端电连接，所述第二电压跟随器的输出端与所述参比晶体管的漏极电连接；
所述第三电压跟随器的输入端与所述检测晶体管的源极电连接，所述第三电压跟随器的输出端与所述第一采样电阻的第二端电连接；
所述第四电压跟随器的输入端与所述参比晶体管的源极电连接，所述第四电压跟随器的输出端与所述第二采样电阻的第二端电连接。
4.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述差分放大模块包括第一放大器和第二放大器；
所述第一放大器的正相输入端接收所述检测电压信号；所述第一放大器用于对所述检测电压信号进行信号放大后输出放大后的检测电压信号；
所述第二放大器的正相输入端接收所述参比电压信号；所述第二放大器用于对所述参比电压信号进行信号放大后输出放大后的参比电压信号。
5.根据权利要求4所述的信号处理电路，其特征在于，所述差分放大模块还包括差分运算放大器；
所述差分运算放大器的反相输入端与所述第一放大器的输出端电连接，所述差分运算放大器的正相输入端与所述第二放大器的输出端电连接；所述差分运算放大器用于将放大后的检测电压信号与放大后的参比电压信号进行差分放大后，输出差分模拟信号作为检测结果。
6.根据权利要求5所述的信号处理电路，其特征在于，所述差分放大模块还包括平衡电阻；
所述平衡电阻电连接于所述第一放大器的反相输入端与所述第二放大器的反相输入端之间。
7.根据权利要求4所述的信号处理电路，其特征在于，所述差分放大模块还包括差分模数转换器；
所述差分模数转换器的正极输入端与所述第一放大器的输出端电连接，所述差分模数转换器的负极输入端与所述第二放大器的输出端电连接；所述差分模数转换器用于将放大后的检测电压信号与放大后的参比电压信号进行差分后，输出差分数字信号作为检测结果。
8.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，还包括：
电压跟随模块，电连接于所述信号读取模块与所述差分放大模块之间；所述电压跟随模块用于将所述检测电压信号和所述参比电压信号传输至所述差分放大模块。
9.根据权利要求8所述的信号处理电路，其特征在于，所述电压跟随模块包括第五电压跟随器和第六电压跟随器；
所述信号读取模块分别与所述第五电压跟随器的输入端和所述第六电压跟随器的输入端电连接；
所述差分放大模块分别与所述第五电压跟随器的输出端和所述第六电压跟随器的输出端电连接。
10.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，还包括：
滤波模块，电连接于所述信号读取模块与所述差分放大模块之间；所述滤波模块用于对所述检测电压信号和所述参比电压信号进行滤波。
11.根据权利要求10所述的信号处理电路，其特征在于，所述滤波模块包括第一低通滤波器和第二低通滤波器；
所述第一低通滤波器用于对所述检测电压信号进行低通滤波；
所述第二低通滤波器用于对所述参比电压信号进行低通滤波。
12.一种信号处理装置，其特征在于，包括：主控电路、选通电路和多个如权利要求1～11任一项所述的信号处理电路；
所述选通电路用于选通各所述信号处理电路输出的检测结果；
所述主控电路的输入端通过所述选通电路与各所述信号处理电路电连接，所述主控电路用于接收各所述信号处理电路输出的检测结果，并对各所述信号处理电路输出的检测结果进行处理。
13.根据权利要求12所述的信号处理装置，其特征在于，还包括：电压转换电路；
所述电压转换电路分别与所述主控电路、以及各所述信号处理电路的信号读取模块电连接；所述电压转换电路用于根据所述主控电路提供的电压控制信号，控制各所述信号处理电路的信号读取模块接收的第一电流源信号和/或第二电流源信号。
14.根据权利要求13所述的信号处理装置，其特征在于，还包括：程控开关，电连接于所述电压转换电路与各所述信号处理电路的信号读取模块之间；
所述程控开关用于在所述主控电路提供的开关控制信号的控制下，控制所述电压转换电路与各所述信号处理电路的信号读取模块导通或断开。
15.根据权利要求12所述的信号处理装置，其特征在于，还包括：模数转换及采集电路；
所述模数转换及采集电路电连接于所述选通电路与所述主控电路之间；所述模数转换及采集电路用于将所述选通电路选通的所述检测结果的模拟信号转换为数字信号后，输出至所述主控电路。
16.根据权利要求15所述的信号处理装置，其特征在于，当各所述信号处理电路的差分放大模块包括第一放大器、第二放大器和差分模数转换器时，所述差分模数转换器复用为所述数模转换及采集电路，且各所述信号处理电路共用一个所述差分模数转换器；
所述差分模数转换器的正极输入端通过所述选通电路与各所述信号处理电路的第一放大器的输出端电连接；所述差分模数转换器的负极输入端通过所述选通电路与各所述信号处理电路的第二放大器的输出端电连接；所述差分模数转换器的输出端与所述主控电路电连接。
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