CN1590967A - 传感设备和传感电路 - Google Patents
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Abstract
一种包括与差分电压输出级相连的差分电流输入级的电流传感电路，所述差分电流输入级包括来自电流源的参考电流输入和来自传感设备的传感器电流输入；与参考电流相对应的第一电压输出和与传感器电流相对应的第二电压输出；以及第一开关，当闭合时，所述第一开关实质上使第一和第二电压输出相等。所述第一和第二电压输出是对差分电压输出级的相应输入，所述差分电压输出级然后输出与第一和第二电压输出之间的差值相对应的差分输出电压。
Description
技术领域
本发明涉及传感设备和可以包括这样的传感设备的传感电路。特别地，本发明涉及电流传感电路。
背景技术
许多传感设备的电阻响应特定的事件而发生改变。由传感电路将这样的电阻变化转换为电压变化或电流变化，然后，可以对其进行测量以确定是否已经发生了该事件，以及可能地，确定事件的规模。
因此，图1示出了包括已知传感设备2的现有技术传感电路100。该传感设备2可以设置为集成电路(IC)，其可以与传感电路110相连。传感电路100包括连在“地”和电压比较器1的正输入之间的恒流源IIN。传感设备2的一个端子连接在电流源IIN和电压比较器的相应正输入之间。传感设备2的另一端子接地。电压比较器1的负输入与参考电压源VREF相连。
在事件发生之前，传感设备2具有预定的电阻，因此，施加到电压比较器的正输入上的电压始终在VREF之上(或之下)。由电压比较器1输出相应的信号VOUT(通或断)。在事件发生之后，改变了传感设备2的电阻。这使施加到电压比较器1的正端子上的电压下降(或升高)到VREF以下(或以上)。因此，对由输出比较器1输出的信号进行切换，以表示事件的发生。换句话说，电压比较器1根据由传感设备2改变的电压和参考电压VREF的比较，实现了判别功能。
图2也示出了包括已知传感设备2的现有技术的传感电路200。然而，在该情况下，电压比较器1的正输入与参考电压VREF相连。电压比较器1的负输入与运算放大器3的输出相连，所述运算放大器3具有负反馈电阻R。运算放大器3的正输入接地。偏置电压源VBIAS与运算放大器3的负端子相连，传感设备2串联在偏置电压源VBIAS和负端子之间。
在事件发生之前，传感设备2具有预定的电阻，并且将相应的电流提供给运算放大器3的负输入。运算放大器3将电流提供给电压转换增益，因此，将相应电压施加到比较器的负端子。该相应电压始终在参考电压VREF以上(或以下)，并且由电压比较器1输出相应的信号Vout(断或通)。在发生事件之后，改变传感设备2的电阻。这降低(或升高)了提供给运算放大器3的负端子上的电流。因此，将施加到电压比较器1的负端子上的电压降低到VREF以下(或升高到VREF以上)。因此，对由电压比较器1输出的信号VOUT进行切换，以表示事件的发生。此外，电压比较器1实现了判别功能。然而，通过将传感器设备2的电流转换为电压，然后将该电压与参考电压VREF进行比较，来进行该判别。
通常需要放大信号，进一步用于电子线路的后续阶段。
在图1和2所示的电路中，对传感设备2的电阻的变化进行转换，并且将其与恒定阈值电压信号VREF进行比较以判别事件的发生。然而，实际上，传感设备的输出不仅取决于与该事件相关的特定参数，而且还取决于诸如温度和时效的其他因素。另外，由于制造工艺技术和/或工艺条件的变化，传感设备的特性上存在公差。
如图1和2所示，差分电压比较器1通常用于实现判别功能。图3示出了实现该差分电压比较器1的典型差分电路。具体地，差分电路包括电流镜像晶体管对T101、T102，每一个均与第一公用电压轨(rail)VDD相连。电流镜像晶体管对的栅极彼此相连，并且第二电流镜像晶体管T101之一的漏极与其栅极相连。
此外，差分电路包括晶体管T103、T104的输入或差分对，每一个均与电流镜像晶体管的相应一个串联。晶体管的输入对的栅极与输入电压VIN1和VIN2相连。具体地，当用于图1的传感电路时，输入晶体管T104的栅极与电流源IIN相连，并且输入晶体管T103的栅极将与参考电压VREF相连。施加到输入晶体管T103、T104的栅极的电压确定了由输入晶体管T103、T104所传送的电流。
差分电路还包括电流源晶体管T105，串联在第二公用电压轨VSS和自身与输入晶体管T103、T104相连的节点之间。将电流源晶体管T105的状态偏置为饱和，从而将统一、恒定的电流提供给匹配的输入晶体管T103、T104。然而，由输入电压VIN1和VIN2来确定输入晶体管所通过的电流。
差分电路的输出电压VOUT是在电流镜像晶体管T102和输入晶体管T104之间的节点处的电压。
如图4所示，可以将输出放大级添加到图3所示的差分电路中。输出放大级包括：连接在公用电压轨VDD和VSS之间的晶体管T106和T107，彼此串联，并且与其他晶体管T101-T104并联。在电流镜像晶体管T102和差分电路的输入晶体管T104之间的节点处的电压是对晶体管T106的栅极的输入电压，并且单独地控制晶体管T107的栅极。在这种情况下，其变成了如图4所示的运算放大器。
如以上所提到的，现有技术的传感电路将传感设备的输出与预定参考电压VREF进行比较。然而，如以上所讨论的，实际上，传感设备的输出不仅取决于与要传感的事件有关的特定参数，而且还取决于诸如温度和时效(ageing)等其他因素。另外，由于制造工艺技术和/或工艺条件的改变，在传感设备的特性上存在公差。结果，传感设备的输出并不总是穿过由预定参考电压VREF所提供的阈值，从而并未可靠地传感事件。
当设置了可以与传感电路顺序地相连的多个传感设备时，这些困难进一步加剧。由于传感设备的使用年限，其输出将发生彼此变化，从而一些传感设备将正确地传感事件，而其他一些传感设备将无法正确地传感事件。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出了一种电流传感电路，包括与差分电压输出级相连的差分电流输入级。
所述差分电流输入级可以包括来自电流源的参考电流输入和来自传感设备的传感器电流输入。所述差分电流输入级还可以包括与参考电流相对应的第一电压输出和与传感器电流相对应的第二电压输出，并且还包括第一开关，当闭合时，所述第一开关实质上使第一和第二电压输出相等。
来自差分电流输入级的第一和第二电压输出可以是对差分电压输出级的各个输入，所述差分电压输出级然后输出与第一和第二电压输出之间的差值相对应的差分输出电压。
所述差分电压输出级可以包括第二开关，当闭合时，所述第二开关实质上消除了差分输出电压。
所述差分电流输入级可以包括：
第一对电流镜像晶体管，每一个晶体管均与第一公用电压轨相连，第一对电流镜像晶体管的栅极彼此相连，并且第一对电流镜像晶体管之一的源极或漏极与其栅极相连；
一对偏置晶体管，每一个均与第一对电流镜像晶体管的相应一个串联，将该对偏置晶体管的栅极偏置为饱和；
第一对节点，每一个设置在该对第一电流镜像晶体管之一和该对偏置晶体管的相应一个之间；以及
第一开关，连接在第一对节点之间；
其中，电流源串联在第二公用电压轨和该对偏置晶体管的相应一个之间；以及
传感设备串联在第二公用电压轨和该对偏置晶体管的另一个之间。
所述差分电压输出级包括：
第二对电流镜像晶体管，每一个均与第一公用电压轨相连，第二对电流镜像晶体管的栅极彼此相连，并且第二对电流镜像晶体管之一的源极或漏极与其栅极相连。
一对输入晶体管，每一个均与第二对电流镜像晶体管的相应一个串联，该对输入晶体管的栅极与第一对节点中相应的节点相连；
第二对节点，每一个均设置在第二对电流镜像晶体管之一和该对输入晶体管的相应一个之间；
第二开关，连接在第二对节点之间；以及
电流源晶体管，串联在第二公用电压轨和另一节点之间，所述另一节点同时与两个输入晶体管相连，并且将电流源晶体管的栅极偏置为饱和；
其中，第二对节点中与第二对电流镜像晶体管的另一个相连的节点的电压是差分输出电压。
所述差分电流输入级还可以包括第一对电流镜像晶体管、在第一对电流镜像晶体管的源极或漏极之间的第一开关、以及一对偏置晶体管；以及
所述差分电压输出级可以包括第二对电流镜像晶体管、在第二对电流镜像晶体管的源极或漏极之间的第二开关、其栅极与差分电流输入级的输出相连的一对偏置晶体管、以及差分电压轨电流源。
在任何情况下，所述第一对电流镜像晶体管是匹配的，该对偏置晶体管是匹配的，所述第二对电流镜像晶体管是匹配的，并且该对输入晶体管是匹配的。
在一个实施例中，在传感之前，将所述开关设置为闭合，而在传感期间，将所述开关设置为开启。所述开关可以是N型开关。此外，所述开关和所有晶体管均为多晶硅薄膜晶体管。在设置了其的情况下，可以利用相同的信号控制所述第一和第二开关。
上述电流传感电路可以包括：多个传感设备；以及选择装置，用于选择哪一个传感设备提供传感器电流输入。所述多个传感设备形成了有源矩阵。此外，在设置了其的情况下，当选择传感器电流输入的同时，可以将所述开关设置为闭合，而在选择传感器电流输入之后，可以将所述开关设置为开启。优选地，在相同的条件下操作所述电流源和传感设备。
所述电流源可以是可调的。此外，所述传感设备可以包括一个或多个电容器。
上述电流传感电路还可以包括用于提供数字输出信号的、与差分电压输出级的输出相连的另一级。可以将所述电流传感电路形成为单一集成电路。
根据本发明的另一方面，提出了一种包括上述电流传感电路的指纹传感器。
根据本发明的另一方面，提出了一种包括上述电流传感电路的电子存储器。
根据本发明的另一方面，提出了一种包括上述电流传感电路的生物传感器。
根据本发明的另一方面，提出了一种传感事件的方法，所述方法包括使用上述的传感设备。
根据本发明的另一方面，提出了一种传感事件的方法，包括：
传感伪传感器电流；
传感响应事件而发生改变的激活传感器电流；以及
将伪传感器电流和激活传感器电流进行比较以确定是否已发生了事件。
在该方法中，所述比较步骤可以包括：
将伪传感器电流和激活传感器电流分别转换为第一电压和第二电压；以及
获得与第一电压和第二电压之间的差值相对应的另一电压，所述另一电压表示事件的发生。
所述方法还包括将所述另一电压转换为数字信号的步骤。
附图说明
现在，仅作为另外的示例并参考附图，来描述本发明的实施例，其中：
图1示出了现有技术的传感电路：
图2示出了另一现有技术的传感电路；
图3示出了现有技术的差分电路；
图4示出了现有技术的运算放大器；
图5是根据本发明的传感电路的示意图；
图6是根据本发明的另一传感电路的示意图；
图7是根据本发明的另一传感电路的示意图；
图8示出了图7所示的传感电路的DC仿真的结果，并且示出了传感电路的各种输入和输出；
图9还示出了图7所示的传感电路的瞬态仿真的结果，并且示出了传感电路的其他输入和输出；
图10是根据本发明的另一传感电路的示意图；
图11示出了图10所示的传感电路的瞬态仿真的结果，并且示出了传感电路的各种输入和输出；
图12示出了使用本发明的传感电路的指纹传感器；
图13示出了使用本发明的传感电路的存储器设备；以及
图14示出了使用本发明的传感电路的生物传感器。
具体实施方式
在本发明中，可以使用通过利用在相同绝缘衬底上的多晶半导体材料(例如，多晶硅TFT)而形成的薄膜晶体管，来制造所有传感电路和传感设备。然而，还可以利用其他技术，特别是CMOS技术来实现本发明。而且，在整个该申请中，当利用通过应用了以下术语的晶体管来实现本发明时，如果合适的话，将对晶体管的栅极、源极或漏极的参考用作对晶体管的基极、发射极和集电极的参考。
图5示出了根据本发明的电流传感电路的一个实施例。该电路实现了三个部分，即，分别由图5(a)、(b)和(c)所示的差分电流输入级10、差分电压输出级20和缓冲级30。
图5(a)示出了差分电流输入级10。该级将来自诸如换能器(transducer)的传感设备14的传感器电流IIN与来自电流源16的参考电流IREF进行比较。VOUT1和VOUT2是输出电压。
更具体地，差分电流输入级10包括第一对匹配晶体管T1、T2，形成了电流镜像，优选地为PMOS电流镜像，如图5(a)所示。这些电流晶体管T1、T2的每一个均与第一公用电压轨VDD相连。电流镜像晶体管对的栅极彼此相连，并且电流镜像晶体管T2之一的漏极(优选地)与该晶体管T2的栅极相连。
差分电流输入级10还包括匹配的晶体管T4、T5的偏置对。优选地，偏置晶体管T4、T5是NMOS晶体管。偏置晶体管T4、T5的每一个与第一电流镜像晶体管T1、T2的相应一个串联。由偏置电压VB1将偏置晶体管T4、T5的栅极偏置为饱和。在每一个第一电流镜像晶体管和相应的偏置晶体管之间设置了节点，以形成第一对节点N1、N2。第一开关SW1连接在第一对节点N1、N2之间。
提供参考电流IREF的电流源16串联在第二公用电压轨VSS和晶体管T5的偏置对的相应一个之间。提供传感器电流IIN的传感设备14串联在第二公用电压轨Vss和晶体管T4的偏置对的另一个之间。然而，在其他实施例中，可以使用选择装置，以便将多个传感设备的任一个通过位线12连接在第二公用电压轨VSS和偏置晶体管T4之间。
差分电流输入级具有两个输出电压VOUT1和VOUT2。第一输出VOUT1对应于参考电流IREF的值，并且从第二节点N2中取得。第二输出VOUT2对应于第二电流IIN的值，并且从第一节点N1中取得。
输入晶体管T4和T5的匹配和偏置使其操作在饱和状态下，以便使电流源16和自身充当电流源的传感设备14的输入电压的效果最小。有效地，偏置晶体管T4、T5充当各个电流源14、16和电流镜像晶体管T1、T2之间的隔离器。
由信号PRE来控制连接在两个输出电压VOUT1和VOUT2之间的开关SW1。在执行传感操作之前，开关SW1闭合，以使这些输出电压相等，这样，VOUT1＝VOUT2。此刻，可以重新配置与传感设备或换能器的连接。因此，在设置了多个传感设备的情况下，可以单独地选择所述多个传感设备，以便提供传感器电流输入IIN，而不会影响电流传感电路的输出。一旦SW1开启，则将任何电流差(IIN-IREF)转换为电压差(VOUT1-VOUT2)。如果不存在任何电流差(即，IIN＝IREF)，则由于T1和T2匹配，因此，VOUT1＝VOUT2。
图5(b)示出了差分电压输出级20。差分电压输出级20包括一对晶体管T8、T9，形成了第二电流镜像。第二电流镜像晶体管的每一个均与第一公用电压轨VDD相连。优选地，电流镜像是PMOS电流镜像，如图5(b)所示。第二电流镜像晶体管的栅极彼此相连，并且第二电流镜像晶体管T9之一的漏极与其栅极相连。
此外，差分电压输出级20包括匹配的、晶体管T11、T12的差分或输入对，每一个与电流镜像晶体管T8、T9中相应的一个串联。优选地，输入晶体管是NMOS晶体管。输入晶体管T11、T12的栅极与差分电流输入级10的输出电压VOUT1和VOUT2相连。
差分电压输出级20还包括电流源晶体管T13，串联在第二公用电压轨VSS和其自身与两个输入晶体管T11、T12相连的节点CN之间。由偏置电压VB2将电流源晶体管T13的栅极偏置为饱和，从而将统一、恒定的电流提供到匹配输入晶体管T11、T12。因此，晶体管T13被偏置为饱和，并且用作差分电压轨电流源。然而，由输入电压VOUT1和VOUT2来确定输入晶体管T11、T12所通过的电流。
因此，差分电流输出级20与图3所示的现有技术的差分电路类似。然而，在每一个第一电流镜像晶体管T8、T9和相应的偏置晶体管T11、T12之间设置节点，以形成第二对节点N3、N4。第二开关SW2连接在第二对节点N3、N4之间。优选地，第二开关SW2连接在NMOS电流镜像晶体管T8和T9的漏极端子之间，并且由信号PRE控制。
差分电压输出级20的输出电压VOUT是在电流镜像晶体管T8和输入晶体管T11之间的节点N3处的电压。
最初，开关SW2闭合。一旦开关SW2开启，则输出电压VOUT是达到其动态范围的(VOUT1-VOUT2)的放大值，并且其足够宽，以便由图5(c)所示的缓冲级对其进行判别。然而，动态范围并不是轨到轨范围(VDD-VSS)。
有效地，开关SW1和SW2提供了均衡功能，从而减小了传感电路的建立时间。
图5(c)示出了由两个反相器U1和U2组成的缓冲级。该输入与图5(b)中的差分电流输出级的输出电压VOUT相连。缓冲级30的功能是提供与来自差分电压输出级20的模拟输出信号VOUT相对应的净数字信号。特别地，缓冲级提供了传感电路的轨到轨输出电压VSENOUT，并且将足够的驱动电流提供给后续级。
图6(a)和(b)示出了图5(a)和(b)所示的电路的实现，其中使用PMOS晶体管T3、T10作为均衡开关SW1和SW2。图6(c)与图5(c)相同，并且不将另外对其进行描述。
因此，利用半导体工艺技术，本发明提供了集成了一个或多个传感设备和参考电流源的传感电路。更具体地，传感设备和参考电流源形成了集成传感电路的一部分，并且可以在单片芯片上形成。此外，参考电流源充当伪传感设备。因此，本发明的电流传感电路是差分电流检测电路，该电路将激活传感设备的输出与伪传感设备的输出进行比较。由于其在集成电路中形成，激活和伪传感设备均操作在相同的条件下，除了与传感电路设计来传感的特定事件有关的参数之外。为了实现这一点，本发明使用了输入级，特别是差分电流输入级10，以便传感和放大激活传感设备和伪传感设备之间的电流差，并且与后续差分电压比较器进行接口。
激活传感设备和伪传感设备可以在相同的处理步骤期间形成，并且经受到相同的操作条件，例如温度和时效。此外，由于将利用相同的制造工艺技术和/或处理条件上的相同变化来制造这些传感设备，因此，激活传感设备和伪传感设备在晶体管特性上将具有相同的公差。
因此，有效地，在设置了可单独选择的激活传感设备的矩阵的情况下，伪传感设备16应该具有平均激活传感设备14的晶体管特性。为了进一步改善传感设备的效率，可以将伪开关设置在伪传感设备16和传感电路的剩余部分之间，以便将针对激活传感设备14的切换镜像到传感电路之内和之外。另外，还可以调节阈值检测电平IREF。优选地，应该由传感电路来自动地进行对适当的阈值检测电平的选择。
图7(a)示出了在一个实施例中，如何能够由充当电流源的传感设备14的输出晶体管T6来提供传感器输入电流IIN。类似地，可以由充当参考电流源的伪传感设备16的输出晶体管T7提供参考电流IREF。VSEN表示激活传感设备14的节点电压，其提供了传感器电流IIN。VREF表示相同结构的伪传感设备16的节点电压，其提供了参考电流IREF。因此，伪传感设备16包括在与激活传感设备14的晶体管T6相同条件下制造和使用的等价晶体管T7。在传感设备之间的连接12可以是位线，其可以实现为由许多其他类似结构的传感设备共享的实际上较长的线路。可以通过设置VSEN＝0V，使这些激活传感设备14变为未激活的。类似地，可以通过设置VREF＝0V，使伪传感设备16变为未激活的。图7(b)和(c)与图6(b)和(c)相同，并且不将另外对其进行描述。
图8示出了图7所示的传感电路的DC传递特性。图8示出了随着节点电压VSEN的增加，针对范围参考电压VREF，来自差分电压输出级20的VOUT和来自缓冲级30的VSENOUT的DC传递特性。如从该图中清楚地看到，在缓冲级30的第一反相器U1的输入阈值设置在针对该图中的左手侧上的VOUT(当未传感事件时)的下侧水平线和针对该图的右手侧上的VOUT(当传感事件时)的上侧水平线之间。因此，在该实施例中，该输入阈值设置在大约1.0V和2.0V之间。
然而，在将PMOS晶体管T3、T10用于预充电开关SW1和SW2时，存在缺点。图9示出了针对图7所示的传感电路的仿真结果，其中，设置VREF，从而VREF＝1.2V，并且分别设置VSEN，从而VSEN＝1.15V、1.20V和1.25V。具体地，图9示出了对于这些参数，在差分电流输入级10和输出和差分电压输出级20的输出VOUT之间的差值(VOUT1-VOUT2)如何随着针对均衡晶体管T3、T10的预充电控制信号PRE的改变而发生变化。
在开始的时间段，将预充电控制信号PRE保持为低电平，并且使PMOS晶体管T3、T10导通。随后，将预充电控制信号PRE强制变为高电平，并且使PMOS晶体管T3、T10截止。
这些结果说明了：当在初始时间段(时间＝0-2s)内VREF＝VSEN，并且SW1和SW2闭合时，输出电压差(VOUT1-VOUT2)＝0。在均衡开关SW1、SW2闭合的时间段内，输出电压VOUT1和VOUT2还应该是相等的，而与VSEN和VREF之间的差值无关。然而，仿真的结果说明了：当VREF≠VSEN时，(VOUT1-VOUT2)≠0。而且，(VOUT1-VOUT2)的值随着VSEN和VREF之间的差值的改变而改变。这可能会产生问题。实际上，当开关T3、T10闭合时，传感电路可能在预充电阶段期间错误地检测事件。
此外，PMOS晶体管的迁移率(mobility)较低，并且其电阻相应地较高。因此，针对开关SW1、SW2，需要更大尺寸的PMOS晶体管，以使传感电路有效地操作。然而，更大尺寸的晶体管导致了更大的馈通效应。当这些开关断开时，这干扰了输出电压VOUT。
为了解决该问题，可以利用较小的NMOS晶体管来实现开关SW1和SW2，NMOS晶体管具有更高的迁移率和更低的导通电阻。该实现如图10所示。图11示出了针对图10所示的传感电路的仿真结果。由于利用NMOS晶体管而不是PMOS晶体管实现了开关SW1、SW2，因此，与图9相比，反转了预充电控制信号PRE的极性。图11所示的仿真结果显示了较好的改进。特别地，当开关SW1、SW2闭合时，来自差分电流输入级的(VOUT1-VOUT2)和来自差分电压输出级20的VOUT的值实质上相同，与VSEN和VREF之间的差值无关。因此，可以容易地设置缓冲级30的第一反相器U1的阈值电压，从而可以可靠并精确地检测事件，但是仅在当开关SW1、SW2已经开启时的预充电阶段之后。而且，对于利用多晶硅TFT实现的电路，在VSENOUT处的传感电路的响应时间小于0.2微秒。因此，可以快速并精确地将大型有源矩阵中的每一个传感设备切换到用于传感的传感电路中。
上述传感电路的应用是较宽的。这些应用包括但不局限于指纹传感器、存储器读出放大器和生物传感器。下面将简要描述这些应用。
图12示出了指纹传感器的一个实施例。这里，传感设备14与图10(a)所示的传感设备14相对应。该传感设备14包括：固定值的参考电容CREF；在手指的一部分和传感像素板之间的电容CFIN；所施加的激励电压VIN；以及输出晶体管T6。传感设备14的输出晶体管T6与图10(a)所示的传感设备14的输出晶体管T6相对应。VBODY是人体的DC电位，而IOUT是传感设备14的输出电流。因此，图12中的传感设备14的输出电流IOUT与由图6(a)的差分电流输入级10的传感设备14所提供的输入电流IIN相对应。因此，图12中的指纹传感器的传感器18与图10(a)、(b)和(c)中除了传感设备14之外的传感电路的部分相对应。
形成传感器18的伪传感设备16，以使其具有与传感设备14相同的结构。在伪传感设备16的等价晶体管的栅极端子处对电压进行强制。
实际上，按照矩阵设置每一个均具有传感像素板的小型传感设备14的大型阵列。将手指放在传感板的阵列上，并且顺序地将传感设备切换到传感电路中。可以针对伪传感设备16，设置均衡伪切换。如果在手指表面上的谷部(valley)放在特定的传感板上，则其间的电容将相对较低，并且针对该板，未检测到事件。相反，如果将手指表面上的脊部放在特定的传感板上，则其间的电容将相对较高，并且针对该板，检测到事件。按照该方式，可以确定在手指上的脊部和谷部的图—换句话说，指纹的图像。
在本发明中使用可以单独地与单个传感电路相连的传感设备14的有源矩阵可以实现较大的空间节省。结果，可以使针对参考电容器CREF的传感设备内的区域最大，从而进一步提高了该设备的精度。
图13示出了用于存储器应用的传感电路。这里，在传感设备14中的CFE是受到探询的铁电电容器。电容器CBL是位线电容，并且将其偏置为VDC。电容器CFE和CBL串联。将由于激励电压V1所得到的节点N处的节点电压提供给晶体管T6的栅极，该晶体管T6将其转换为由电流传感电路传感的电流。此外，图13所示的传感设备14的输出晶体管T6与图10(a)所示的传感设备14的输出晶体管T6相对应。输出电流IOUT是传感设备14的输出电流。因此，图13中的传感设备14的输出电流IOUT与由图6(a)的差分电流输入级10中的传感设备14所提供的输入电流IIN相对应。因此，图13中的存储器应用的传感器18与图10(a)、(b)和(c)中除了传感设备14之外的传感电路的部分相对应。
形成传感器18的伪传感设备16，以使其具有与传感设备14相同的结构。特别地，通过设置具有已知的极化的电容器CFE，来形成伪传感设备16。差分电流输入级可以充当传感放大器。此外，实际上，按照矩阵来设置传感设备14的大型阵列，并且为伪传感设备16设置均衡开关。这能够实现较大的空间节省，并且提高了精度。
图14示出了用于生物传感器应用的传感电路。在传感设备14中，VREF通过端子RE并通过电解液向参考电极提供电位。参考电极是离子灵敏膜，并且形成场效应晶体管(ISFET)的栅极。根据在电解液中的特定离子浓度(例如，pH)，ISFET将电流电平IOUT提供给传感器18。此外，传感设备14的ISFET与图10(a)的传感设备14的输出晶体管T6相对应。因此，图14中的传感设备14的输出电流IOUT与由图6(a)中的差分电流输入级10中的传感设备14所提供的输入电流IIN相对应。因此，图14中的生物传感器应用中的传感器18与图10(a)、(b)和(c)中除了传感设备14之外的传感电路的部分相对应。
形成传感器18的传感设备16，以使其具有与传感设备14相同的结构。特别地，通过利用参考膜来覆盖ISFET来形成伪传感设备16。此外，实际上，通常按照矩阵来设置传感设备14的大型矩阵。这可以实现较大的空间节省，并且提高了精度。针对不同的传感设备，可以提供不同的电解液。可选地，作为检验，对于两个、多于两个或所有传感设备，可以提供相同的电解液。
在前述的描述中，已经使用了术语传感设备来描述诸如换能器等单一设备，其属性响应特定的事件而发生改变。在本发明的所述实施例中，传感设备输出电流。在该领域中，每一个这样的传感设备通常被称为传感单元，并且传感单元的有源矩阵通常被称为传感设备。因此，包括多个传感单元的传感设备可以与本发明的传感电路相连。
因此，本发明提供了电流传感电路，其中将所传感的电流与参考电流进行比较。在与所传感的电流相同的条件下产生参考电流，因此，更为精确地进行了事件的检测。因此，克服了精确选择和设置固定参考电压中的现有技术的困难。而且，由于在相同的IC中形成了所传感的电流和参考电流的各个电源，因此，其在制造时经历了相同的工艺变化，并且经历了由于老化和诸如温度、湿度和pH等不利环境因素所造成的相同恶化。
仅作为示例给出了前面的描述，并且本领域的技术人员将会意识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行修改。
例如，不需要设置两个开关SW1和SW2。而且，如果设置了两个开关，则并不需要相同的信号对其进行控制，尽管这是优选的。此外，不需要利用所述的具体电路来实现差分电流输入和差分电压输出级。例如，不必利用多晶硅TFT来实现差分电流输入和差分电压输出级。
Claims (28)
1.一种包括与差分电压输出级相连的差分电流输入级的电流传感电路，其中，差分电流输入级包括来自电流源的参考电流输入和来自传感设备的传感器电流输入。
2.根据权利要求1所述的电流传感电路，其特征在于：差分电流输入级还包括与参考电流相对应的第一电压输出和与传感器电流相对应的第二电压输出。
3.根据权利要求2所述的电流传感电路，其特征在于：差分电流输入级还包括第一开关，当闭合时，所述第一开关实质上使第一和第二电压输出相等。
4.根据权利要求2或3所述的电流传感电路，其特征在于：来自差分电流输入级的第一和第二电压输出为对差分电压输出级的各个输入，所述差分电压输出级输出与第一和第二电压输出之间的差值相对应的差分输出电压。
5.根据权利要求4所述的电流传感电路，其特征在于：所述差分电压输出级包括第二开关，当闭合时，所述第二开关实质上消除了差分输出电压。
6.根据权利要求1所述的电流传感电路，其特征在于：所述差分电流输入级包括：
第一对电流镜像晶体管，每一个晶体管均与第一公用电压轨相连，第一对电流镜像晶体管的栅极彼此相连，并且第一对电流镜像晶体管之一的源极或漏极与其栅极相连；
一对偏置晶体管，每一个均与第一对电流镜像晶体管的相应一个串联，将该对偏置晶体管的栅极偏置为饱和；
第一对节点，每一个设置在该对第一电流镜像晶体管之一和该对偏置晶体管的相应一个之间；以及
第一开关，连接在第一对节点之间；
其中，电流源串联在第二公用电压轨和该对偏置晶体管的相应一个之间；以及
传感设备串联在第二公用电压轨和该对偏置晶体管的另一个之间。
7.根据权利要求6所述的电流传感电路，其特征在于：所述差分电压输出级包括：
第二对电流镜像晶体管，每一个均与第一公用电压轨相连，第二对电流镜像晶体管的栅极彼此相连，并且第二对电流镜像晶体管之一的源极或漏极与其栅极相连，
一对输入晶体管，每一个均与第二对电流镜像晶体管的相应一个串联，该对输入晶体管的栅极与第一对节点中相应的节点相连；
第二对节点，每一个均设置在第二对电流镜像晶体管之一和该对输入晶体管的相应一个之间；
第二开关，连接在第二对节点之间；以及
电流源晶体管，串联在第二公用电压轨和另一节点之间，所述另一节点同时与两个输入晶体管相连，并且将电流源晶体管的栅极偏置为饱和；
其中，第二对节点中与第二对电流镜像晶体管的另一个相连的节点的电压是差分输出电压。
8.根据权利要求1所述的电流传感电路，其特征在于：
差分电流输入级还包括第一对电流镜像晶体管、在第一对电流镜像晶体管的源极或漏极之间的第一开关、以及一对偏置晶体管；以及
差分电压输出级包括第二对电流镜像晶体管、在第二对电流镜像晶体管的源极或漏极之间的第二开关、其栅极与差分电流输入级的输出相连的一对偏置晶体管、以及差分电压轨电流源。
9.根据权利要求7或8所述的电流传感电路，其特征在于：所述第一对电流镜像晶体管是匹配的，该对偏置晶体管是匹配的，所述第二对电流镜像晶体管是匹配的，并且该对输入晶体管是匹配的。
10.根据权利要求3到9任一个所述的电流传感电路，其特征在于：在传感之前，将所述开关设置为闭合，而在传感期间，将所述开关设置为开启。
11.根据权利要求3到10任一个所述的电流传感电路，其特征在于：所述开关是N型开关。
12.根据权利要求3到11任一个所述的电流传感电路，其特征在于：所述开关和所有晶体管均为多晶硅薄膜晶体管。
13.根据权利要求5到12任一个所述的电流传感电路，包括所述第一和第二开关，其特征在于：利用相同的信号控制所述第一和第二开关。
14.根据前述权利要求任一个所述的电流传感电路，其特征在于包括：
多个传感设备；以及
选择装置，用于选择哪一个传感设备提供传感器电流输入。
15.根据权利要求14所述的电流传感电路，其特征在于：所述多个传感设备形成了有源矩阵。
16.根据从属于权利要求3时的权利要求14或15所述的电流传感电路，其特征在于：当选择传感器电流输入的同时，将所述开关设置为闭合，而在选择传感器电流输入之后，将所述开关设置为开启。
17.根据前述权利要求任一个所述的电流传感电路，其特征在于：在相同的条件下操作所述电流源和传感设备。
18.根据前述权利要求任一个所述的电流传感电路，其特征在于：所述电流源是可调的。
19.根据前述权利要求任一个所述的电流传感电路，其特征在于：所述传感设备包括一个或多个电容器。
20.根据前述权利要求任一个所述的电流传感电路，其特征在于还包括用于提供数字输出信号的、与差分电压输出级的输出相连的另一级。
21.根据前述权利要求任一个所述的电流传感电路，其特征在于将所述电流传感电路形成为单一集成电路。
22.一种包括根据前述权利要求任一个所述的电流传感电路的指纹传感器。
23.一种包括根据权利要求1到21任一个所述的电流传感电路的电子存储器。
24.一种包括根据权利要求1到21任一个所述的电流传感电路的生物传感器。
25.一种传感事件的方法，所述方法包括使用根据前述权利要求任一个所述的传感设备。
26.一种传感事件的方法，包括：
传感伪传感器电流；
传感响应事件而发生改变的激活传感器电流；以及
将伪传感器电流和激活传感器电流进行比较以确定是否已发生了事件。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于：所述比较步骤包括：
将伪传感器电流和激活传感器电流分别转换为第一电压和第二电压；以及
获得与第一电压和第二电压之间的差值相对应的另一电压，所述另一电压表示事件的发生。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于还包括将所述另一电压转换为数字信号的步骤。
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