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基于自组装膜生物传感微阵列的数字读出电路研究

张仁富  
【摘要】: 自组装膜(SAMs)生物传感微电极阵列(微阵列)是生化领域与微电子领域的重要结合,是本世纪的热点研究方向。本课题针对1×5安培型SAMs传感微阵列的微弱电流信号,对其CMOS模拟读出电路以及与模数转换器(ADC)结合的关键技术进行了研究,为生物微传感器的单芯片集成打下基础。 首先,以安培型SAMs生物传感微阵列为研究对象,分析了其输出信号的特点,根据传感微电极的反应特性,建立了传感微电极的电学模型。 其次,采用恒电位仪电流积分结构,将传感微电极的信号引入到读出电路中,隔离模拟读出电路部分与传感微阵列部分,使两部分的信号之间不会互相干扰,保证了传感微阵列正常稳定的工作;同时恒电位仪中的运算放大器采用了5个运算放大器共享一个半边的电路结构,有效降低了电路的功耗,节省了版图面积,保证了读出电路工作的稳定性。最后,对该单元进行了Spectre模拟仿真。在读出电路中,相关双采样(CDS)技术是目前应用最为成功的噪声抑制技术。CDS可以降低读出电路的噪声。提出了一种新的相关双采样电路,并对其进行了Spectre模拟仿真。 然后,采用了一种适合生物传感微阵列读出电路的中速、低功耗ADC——逐次逼近型(SAR)ADC把读出电路的模拟信号转换成数字信号,实现生物传感器信号的数字化。高速比较器是采用三级运算放大器级联结构设计的;DAC则是采用了高位按电荷等比例缩放、低位按电压等比例缩放的优化组合方案实现。最后,对整体电路进行了Spectre模拟仿真,并采用0.6μm DPDM N阱标准CMOS工艺规范,设计了读出电路版图。 仿真结果表明:①与其它文献相比,生物传感器输出随输入变化的等间距效果更好,CDS保持电路对积分电压具有良好的响应度。②生物传感器读出电路的输出转换电压在生物电流从0~50nA的范围内变化时具有很好的线性关系,传感器单元具有宽的动态响应范围,输出电压具有大于3V的较大输出摆幅。③ADC能很好的完成模数转换功能,其最大积分非线性误差(INL)为-1LSB,在采样电压为3V、采样速率为50Ksps情况下,功耗仅为0.93mW。④数字读出电路对传感微阵列信号有着良好的线性关系。


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