CN1797944A - 基于双模式的集成isfet传感器信号差分读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及差分放大器技术领域，特别是一种基于双模式的集成ISFET传感器信号差分读出电路。双模式的集成ISFET信号放大器包括：Ma1和Mb1组成的差分放大器，Ma2、Mb2和Mc组成自举电路，M9，M8，M7，M2，M1电流镜像电路，电流源I1a和I1b，I0。ISFET电流型信号差分电路包括：ISFET放大器和REFET放大器，准参比电极PRE，M1和M3构成二个跟随放大器。本发明适合处理高精度、具有较大动态范围的ISFET传感器输入信号。

Description

基于双模式的集成ISFET传感器信号差分读出电路

技术领域

本发明涉及差分放大器技术领域，特别是一种基于双模式的集成ISFET传感器信号差分读出电路。

背景技术

由离子敏场效应晶体管ISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor)所构成的各种传感器，通过ISFET栅极上不同敏感薄膜材料与被测溶液中离子的生化反应，可用来检测多项生化指标，如酸碱度pH以及pCO₂、pO₂等。这要求在一定工作条件下，ISFET所产生的端口电压或电流与这些生化指标呈一一对应的线性关系。

ISFET所产生的电流、电压信号一般需经过前端检测电路采集、放大后，才能与后端电子系统连接，组成实用的测量仪器。目前的一个研究焦点是将ISFET和检测电路通过标准的CMOS工艺集成，这样，既提高了检测灵敏度及抗干扰能力，有利于进行高精度测量；同时在同一芯片上还可方便地实现ISFET的多通道传感器(即多参数检测)，并能进一步地与A/D转换器、数字信号处理器、逻辑控制电路等进行单芯片合成，从而使基于ISFET的生化指标测试仪向着智能化、微型化、低功耗、便携式发展。

由于ISFET传感器中的参比电极与溶液作用后所产生的基准电位的不稳定，造成ISFET输出信号的漂移。因而，在信号检测电路中，有必要对ISFET所产生的信号与系统的某一参考信号进行差分，以消除基准电位等所引起的“共模”误差。迄今为止，用标准分立元件在PCB(PrintedCircuit Board)上组成的ISFET传感器信号差分读出电路已有报道，但还未见和ISFET传感器单芯片CMOS集成的信号差分读出电路。

在离子的生化反应检测中，为提高传感器信号读出的灵敏度、稳定性或信号的线性动态范围，常需要ISFET既可偏置在线性区也可偏置在饱和区。以往，对工作在这二个不同区域的ISFET，需要有两套独立的读出电路。本发明仅用一个共同的读出电路，通过对偏置电流的数字式编程控制，能在测量中根据需要将同一ISFET偏置在不同工作点上。在传感器的线性工作范围内，具有向ISFET提供所需恒定电压和恒定电流的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双模式的集成ISFET传感器信号差分读出电路。

设计和ISFET单芯片集成的信号读出电路，能通过数字式编程测量同一ISFET在饱和区和线性区的特性，并能在大动态输入范围的条件下，保持ISFET所需工作条件的一致性(即恒定电压和恒定电流条件)；同时，具有消除传感器系统“共模”误差的能力。

本发明的另一特点就是所提出的差分信号处理电路是以电流型信号变换为基础，因而，适合处理高精度、具有较大动态范围的ISFET传感器输入信号。

本发明有前后两级电路组成。图1电路是前级ISFET信号放大器(又称OTA：Operational Trans-conductance Amplifier)电路；图2电路是后级ISFET电流型信号差分电路。发明中提出的这两个电路均可通过CMOS工艺与ISFET集成在单一芯片上。

如图1电路所示，由于Ma1和Mb1所组成的差分级，ISFET Ma1的电流将被恒定在I0/2，而Vds的取值将决定ISFET是否工作在线性区或饱和区。根据ISFET的特性，Ma1的pinch-point电压Vsat可表示成：

$\mathrm{Vsat}\left(\mathrm{Ma}1\right)=\mathrm{Vgs}\left(\mathrm{Ma}1\right)-\mathrm{Vt}\left(\mathrm{Ma}1\right)=\sqrt{I0/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Ma}1}}---\left(1\right)$

其中Vgs(Ma1)指ISFET Ma1的栅源电压，Vt(Ma1)是Ma1的阈值电压。若Ma1的Vds大于它的临界电压Vsat，Ma1将会工作在饱和区；相反，若Vds小于Vsat，Ma1将工作在线性区。Vds可通过Mc两端电压的升降来调节，即有关系：

Vds(Ma1)＝Vgs(Mc)-Vgs(Ma2)                    (2)

考虑到Mc和Ma2工作在饱和区，由MOSFET的端口特性方程可推出：

$\mathrm{Vgs}\left(\mathrm{Mc}\right)=\sqrt{2I1/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Mc}}}+\mathrm{Vt}\left(\mathrm{Mc}\right)---\left(3\right)$

$\mathrm{Vgs}\left(\mathrm{Ma}2\right)=\sqrt{I0/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Ma}2}}+\mathrm{Vt}\left(\mathrm{Ma}2\right)---\left(4\right)$

其中I1是Mc的偏置电流。对应Ma1临界电压Vsat，考虑到Vt(Mc)≈Vt(Ma2)，由公式(1)～(4)可得：

$I1c=0.5{(\sqrt{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Mc}}/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Ma}1}}+\sqrt{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Mc}}/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Ma}2}})}^{2}I0---\left(5\right)$

I1c又可称为I1的临界电流，即若选择某一偏置电流I1a，使得I1＝I1a＜I1c，这样，Ma1就工作在线性区，并有Id＝I0/2， $\mathrm{Vds}=\sqrt{2I1a/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Mc}}}-\sqrt{I0/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Ma}2}};$ 又若选择另一偏置电流I1b，使得I1＝I1b＞I1c，同样，Ma1就工作在饱和区，并有Id＝I0/2， $\mathrm{Vds}=\sqrt{2I1b/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Mc}}}-\sqrt{I0/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Ma}2}}.$ 这些恒定的偏置电流和电压将在传感器线性输入范围内保持不变，保证了ISFET膜电位的测量精度和一致性。

图2为ISFET电流型信号差分电路的结构框图，ISFET和REFET公用同一个参比电极PRE，整个差分检测电路结构新颖，能够实现输入信号的高精度和大动态范围检测。ISFETAMP与REFETAMP分别和M1和M3构成二个跟随放大器，即Vo1跟随相应的输入端ISFET敏感栅的膜电位的变化且Vo2也跟随REFET的钝化膜电位的变化，同时给ISFET和REFET两传感器提供恒压和恒流等工作条件。这样，ISFET和REFET两传感器的差分信号测量转换为对Vo1与Vo2的差值(Vo1-Vo2)的测量。

后级电流型信号差分电路实现差值(Vo1-Vo2)的电压信号与电流信号的转换，输出电流信号Id与差值(Vo1-Vo2)成线性关系。其中恒流源I2和I3分别提供两跟随输出级的偏置电流。Id′、I2和I3满足如下表达式：

Id′＝(Vo1-Vo2)/Rd                                 (6)

I2＝Id1+Id′                                       (7)

I3＝Id2-Id′                                       (8)

调整M0与M7、M2与M4、M5与M6及M8与M9等电流镜像对管的宽长比(W/L)比例参数均为1时，则Id满足关系，

Id＝Id2-Id1                                        (9)

由公式(6)、(7)、(8)和(9)，可以进一步得到，

Id＝I3-I2+2·(Vo1-Vo2)/Rd                          (10)

整个集成ISFET传感器信号的差分输出信号Vout由如下公式得到，

Vout＝Ro·Id＝Ro·[(I3-I2)+2·(Vo1-Vo2)/Rd]        (11)

由公式(11)可以看出，Vout与(Vo1-Vo2)成正比例关系，其比例系数为2Ro/Rd，因此测量电路的增益可以通过调整Ro/Rd比值大小来实现。

附图说明

图1是本发明的前级ISFET信号放大器电路图。

图2是本发明的后级ISFET电流型信号差分电路。

具体实施方式

在图1电路中，Ma1是n型ISFET，Mb1是与Ma1对称的n型MOSFET，其余晶体管如图标所示或是p型MOSFET或是n型MOSFET。若Ma1换成p型ISFET，图1电路应作相应的互补变换。Co是补偿电容，用以提高OTA系统的稳定度。电流源I0提供输入差分级(Ma1和Mb1)的偏置电流，另外，电流源I1a和I1b通过切换开关SW接入放大器，经电流镜像(M9，M8，M7，M2，M1)，提供MOS管Mc的偏置电流I1。由MOS管Ma2、Mb2和Mc组成自举电路，若I1a接入，即产生ISFET在线性区所需的恒定电流和恒定电压条件；若I1b接入，即产生ISFET在饱和区所需的恒定电流和恒定电压条件。这些恒定偏置条件一旦建立，将不会随着输入信号(敏感栅的膜电位)的变化而变化。

在图2电路中，ISFET放大器和REFET放大器都具有如图1所示的内部电路结构，所不同的是：(1)对ISFET放大器来说，图1电路中的Ma1是ISFET；(2)而对REFET放大器来说，图1电路中的Ma1应是REFET。所谓REFET(Reference Field Effect Transistor)，就是与ISFET比较，REFET的栅极是由对离子反应不敏感的薄膜材料组成。同时，ISFET和REFET的栅极由同一准参比电极PRE(Pseudo Reference Electrode)进行偏置。将ISFET信号和REFET信号差分，可消除系统的“共模”误差，如PRE电位的不稳定、器件的温漂等。

Claims (7)

1.一种双模式的集成ISFET信号放大器，由Ma1和Mb1组成的差分放大器，Ma2、Mb2和Mc组成自举电路，M9，M8，M7，M2，M1电流镜像电路，电流源I1a和I1b，I0组成，其特征在于，M7，M2，电流镜像电路连接于Ma2、Mb2和Mc组成的自举电路，Ma2、Mb2和Mc组成自举电路连接于Ma1和Mb1组成的差分放大器，Ma1和Mb1源极接有电流源I0，同时连接M9，M8，M1电流镜像电路。

2.根据权利要求1的双模式的集成ISFET信号放大器，其特征在于，还包括有连接于输出端的Co补偿电容，用以提高OTA系统的稳定度，电流源I0提供输入差分级Ma1和Mb1的偏置电流，另外，电流源I1a和I1b通过切换开关SW接入放大器，经电流镜像电路(M9，M8，M7，M2，M1)，提供MOS管Mc的偏置电流I1。

3.根据权利要求1的双模式的集成ISFET信号放大器，其特征在于，Ma1和Mb1差分放大，Ma1是n型ISFET，Mb1是与Ma1对称的n型MOSFET，其余晶体管是p型MOSFET或是n型MOSFET。

4.一种ISFET电流型信号差分电路，由ISFET放大器和REFET放大器，准参比电极PRE，M1和M3构成二个跟随放大器组成，其特征在于，ISFET放大器和REFET放大器对称连接，ISFET和REFET的栅极由同一准参比电极PRE进行偏置，ISFET和REFET输出端连接M1和M3跟随放大器。

5.根据权利要求4的ISFET电流型信号差分电路，其特征在于，ISFET放大器和REFET放大器都是双模式的集成ISFET信号放大器的内部结构。

6.根据权利要求5的ISFET电流型信号差分电路，其特征在于，对ISFET放大器来说，双模式的集成ISFET信号放大器中的Ma1是ISFET；而对REFET放大器来说，双模式的集成ISFET信号放大器中的Ma1应是REFET。

7.根据权利要求4或5或6的ISFET电流型信号差分电路，其特征在于，所谓REFET，就是与ISFET比较，REFET的栅极是由对离子反应不敏感的薄膜材料组成。