专利名称：一种离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物传感器技术领域，尤其涉及一种用于痕量检测的离子 敏场效应传感器专用高精度放大器电路。
背景技术：
io 离子敏场效应晶体管(Ion Sensitive Field Effect Transistor, ISFET)属于半导体生物传感器，是上个世纪七十年代初由P. Bergvdd发明的。ISFET通过栅极上不同敏感薄膜材料直接与被测溶液中离子与缓冲溶 液接触，进而可以测出溶液中的离子浓度。ISFET兼有电化学及MOSFET的双重特性，与传统的离子选择性电 15极(ISE)相比，ISFET具有小型、灵敏、响应快、无标记、检测方便、 易集成化和批量生产的优点。因此，ISFET在生命科学研究、生物医学工 程、医疗保健、食品加工、环境检测等领域有广阔的应用前景。但是，在用于检测、分析时需借助其他整套的分析设备，因此ISFET 的使用极其不便利。20 在微电子学领域，CMOS技术获得突飞猛进的发展，而ISFET由MOSFET演变而来，因此其制备可以考虑通过CMOS工艺予以实现。若 后续信号处理电路依据同一 CMOS工艺标准设计，那么传感单元ISFET 与信号处理电路可单片集成于同一芯片，实现大规模集成，从而降低成本， 大大减小整个系统的尺寸大小。这样一来，既提高系统的可靠性，又提高25了检测灵敏度及抗干扰能力，有利于进行高精度测量。因此，将微电子学与生物学、化学进行跨学科结合，实现ISFET微传 感器单芯片集成系统，成为目前研究生物传感器的热点。然而， 一般采用CMOS工艺的ISFET信号读取电路都是对信号进行 直接耦合放大，它们的初始失调参数并不等于零，存在几个mV甚至10mV30的失调电压和噪声，如此使得直接耦合放大器在放大信号的同时也放大了
失调电压和温漂等。目前，国内外报道的各种基于标准CMOS工艺的ISFET信号读取电 路普遍应用于大信号的测量，例如pH值的测量，因为每个pH的灵敏度 能够达到50mV之多，通常检测精度达到0.1个pH值即5mV就可以满足 5要求。但是在现代生物医学领域，通常需要进行痕量检测，即检测出微弱 变化的生物量信号，采用上述的传统方法很难实现。发明内容(一) 要解决的技术问题io 针对上述现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路，以提高放大器电路的测量精度并 抑制温漂，实现需要检测出微弱变化生物量信号的痕量检测。(二) 技术方案15 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路，该高精度放大器电 路至少包括主放大器，用于连续放大传感器敏感栅输入的敏感信号，输出最终的 放大处理结果；20 辅助放大器，用于在时钟的控制下交替接收传感器敏感栅输入的敏感信号，对接收的敏感信号进行放大处理得到放大处理结果，并在时钟的控 制下与主放大器的输入端交替连接，将得到的放大处理结果输出给主放大 器，对主放大器失调进行采样和动态校零，加强主放大器的输出；时钟，用于控制辅助放大器与传感器敏感栅交替连接，使辅助放大器 25交替接收传感器敏感栅输入的敏感信号，并控制辅助放大器与主放大器的 输入端交替连接，将辅助放大器的放大处理结果输出给主放大器。 所述主放大器包括主差分输入级，用干离子敏场效应传感器信号的输入； 辅差分输入级，用于辅助放大器信号的输入； 30 恒压模块，用于为主差分输入级的ISFET提供恒压工作条件； 恒流模块，用于为主差分输入级的ISFET和MOSFET Mb2提供偏置 电流；输出级，用于放大器信号的单端输出。所述恒压模块中的电流Ib为电流Ia的镜像电流，所述电流Ib用于提 5供恒压模块中Mc的偏置电流，并控制主差分输入级中ISFET的漏源两端 恒压值的大小。所述主差分输入级包括n型ISFET晶体管和n型MOSFET Mb2晶体 管，且n型ISFET晶体管与n型MOSFETMb2晶体管相互对称。所述辅放大器包括 io 主差分输入级，用于连接主放大器的差分输入信号；辅差分输入级，用于放大器动态校零信号的输入；输出级，用于与主放大器的单端连接。所述主差分输入级和辅差分输入级采用n沟道差分输入。所述主放大器或辅放大器采用折叠式共源共栅结构。 15 该高精度放大器电路进一步包括采样保持电容，用于存储放大器失调电压及低频噪声。所述高精度放大器电路中的晶体管，除主放大器的主差分输入级中的 晶体管为n型ISFET晶体管和n型MOSFET Mb2晶体管以外，其他部分 中的晶体管为p型MOSFET晶体管或n型MOSFET晶体管。 20 所述高精度放大器电路通过电子开关的转换来进行以下两个阶段工 作第一是在时钟的上半周期，电子开关S1和S2在^状态下，电路处于 采样阶段，将辅助运放的误差电压寄存在电容器Cnl和Cn2上；第二是在内部时钟的下半周期，电子开关Sl和S2在-2状态下，电路 25 处于动态校零和放大阶段。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果-1、利用本发明，通过将ISFET作为高精度放大器电路内部器件，并 30保持ISFET所需恒定电压和恒定电流条件的一致性，大大提高了放大器电 路的测量精度并抑制了温漂，实现了需要检测出微弱变化生物量信号的痕 I:本发明为了高精度放大微弱变化的直流信号并抑制温漂等问题，采用auto-zero技术设计出了适用于ISFET传感器的高精度放大器，该运 5放在获得非常低的输入噪声和很高的电源抑制比的同时，开环直流增益可 以达到140dB，运放的失调电压降低到十微伏以内，还适用放大频率较高 的输入信号。3、本发明提供的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路，还具 有消除传感器系统共模误差的能力。io 4、本发明提供的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路，由于采用了折叠式共源共栅结构，所以解决了套叠式共源共栅放大器无法连接 成单位缓冲器结构的缺陷。另外，该高精度放大器电路输出级的输出电阻 很高，因此可作为单级运算跨导放大器(OTA)来使用。5、本发明提供的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路，结构15新颖，能够实现输入信号的高精度和大动态范围检测。放大器工作时采用 电压源跟随方式，此时，^跟随相应的输入端ISFET敏感栅的膜电位的变 化，对传感器信号的测量转换为对^测量，同时放大器能够提供ISFET传感器的工作条件。20
图1为本发明提供的离子敏场效应传感器专用高精度放大器的电路图；图2为本发明提供的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路中主 放大器的电路图；25 图3为本发明提供的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路中辅放大器的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实
施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，图1为本发明提供的离子敏场效应传感器专用高精度放 大器的电路图，该高精度放大器电路至少包括主放大器11、辅助放大器12和时钟14。5 其中，主放大器11用于连续放大传感器敏感栅输入的敏感信号，输出最终的放大处理结果。辅助放大器12用于在时钟的控制下交替接收传感器敏感栅输入的敏 感信号，对接收的敏感信号进行放大处理得到放大处理结果，并在时钟14 的控制下与主放大器11的输入端交替连接，将得到的放大处理结果输出 io给主放大器11，对主放大器11失调进行采样和动态校零，加强主放大器 11的输出。所述主放大器11或辅放大器12中主差分输入级和辅差分输入级采用 n沟道差分输入。时钟14用于控制辅助放大器12与传感器敏感栅交替连接，使辅助放 15大器12交替接收传感器敏感栅输入的敏感信号，并控制辅助放大器12与 主放大器11的输入端交替连接，将辅助放大器12的放大处理结果输出给 主放大器11。该高精度放大器电路还可以进一步包括采样保持电容13，用于存储放 大器失调电压及低频噪声。 20 这种高精度放大器电路可通过CMOS工艺和ISFET集成在单一芯片上，并实现整个放大器的自调零和高增益。基于图1所述的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路，以下结 合具体的实施例对本发明提供的离子敏场效应传感器专用高精度放大器 25电路中主放大器和辅放大器进一步详细说明。如图2所示，图2为本发明提供的离子敏场效应传感器专用高精度放 大器电路中主放大器的电路图。所述主放大器11包括主差分输入级23、 辅差分输入级24、恒压模块22、恒流模块21和输出级25。其中，主差分输入级23用于离子敏场效应传感器信号的输入。辅差 30分输入级24用于辅助放大器信号的输入。恒压模块22用于为主差分输入
级的ISFET提供恒压工作条件。恒流模块21用于为主差分输入级的ISFET 和MOSFETMb2提供偏置电流。输出级25用于放大器信号的单端输出。所述恒压模块22中的电流Ib为电流Ia的镜像电流，所述电流Ib用 于提供恒压模块22中Mc的偏置电流，并控制主差分输入级23中ISFET 5的漏源两端恒压值的大々、。所述主差分输入级23包括n型ISFET晶体管和n型MOSFET Mb2 晶体管，且n型ISFET晶体管与n型MOSFETMb2晶体管相互对称。再参照图2，所述高精度放大器内部的主放大器电路采用n沟道差分 io输入，采用折叠式共源共栅结构，它解决了套叠式共源共栅放大器无法连 接成单位缓冲器结构的缺陷，其输出级的输出电阻比较高，因此常做单级 运算跨导放大器(OTA)来使用，同时放大器内部还包含为ISFET提供恒定 偏置的电路模块。而通常放大器只有一个差分输入级和一个输出级。主输入级中n型ISFET与n型MOSFET Mb2对称，其余晶体管如图 15所示或是p型MOSFET或是n型MOSFET。电流源10提供输入差分级 (ISFET和Mb2)的偏置电流，MOS管Ma2、 Mb2和Mc组成自举电路 提供ISFET的恒压工作条件。另外，电流源Ib由Ia电流镜像得到，Ib提供MOS管Mc的偏置电流 并控制ISFET的漏源两端恒压值的大小。因此，通过选择适当的Ia可以 20产生ISFET在线性区或饱和区所需的恒流恒压条件。如图3所示，图3为本发明提供的离子敏场效应传感器专用高精度放 大器电路中辅放大器的电路图。所述辅放大器12包括主差分输入级31、 辅差分输入级32和输出级33。 25 其中，主差分输入级31用于连接主放大器的差分输入信号。辅差分输入级32用于放大器动态校零信号的输入。输出级33用于与主放大器的 单端连接。图3所示辅助放大器设计与主放大器电路类似，也采用折叠式共源共 栅放大器。不同之处是，辅助放大器不包含ISFET，因此也不含为ISFET 在离子检测中，读出电路首先需要提供ISFET恒流lDs和恒压Vds偏置条件，由主放大器内部的恒压恒流电路实现。图1所示的ISFET高精度放大器电路通过电子开关的转换来进行以下 5两个阶段工作第一是在时钟的上半周期，电子开关Sl和S2在-l状态下， 电路处于采样阶段，将辅助运放的误差电压寄存在电容器Cnl和Cn2上； 第二是在内部时钟的下半周期，电子开关Sl和S2在-2状态下，电路处于 动态校零和放大阶段。将采样阶段寄存在电容器Cnl和Cn2上的误差电压 与辅助放大器正常工作时所产生的误差电压相互抵消，进而消除失调及其 io漂移，和共模信号对放大器输出的影响，并将辅助放大器的输出送至主运 放的辅助端其中一个，以加强主运放输出。整个检测电路结构新颖，能够实现输入信号的高精度和大动态范围检 观IJ。放大器工作时采用电压源跟随方式，此时，Vo跟随相应的输入端ISFET 敏感栅的膜电位的变化，对传感器信号的测量转换为对Vo测量，同时放 15大器能够提供ISFET传感器的工作条件。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 己，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修20 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路，其特征在于，该高精度放大器电路至少包括主放大器，用于连续放大传感器敏感栅输入的敏感信号，输出最终的放大处理结果；辅助放大器，用于在时钟的控制下交替接收传感器敏感栅输入的敏感信号，对接收的敏感信号进行放大处理得到放大处理结果，并在时钟的控制下与主放大器的输入端交替连接，将得到的放大处理结果输出给主放大器，对主放大器失调进行采样和动态校零，加强主放大器的输出；时钟，用于控制辅助放大器与传感器敏感栅交替连接，使辅助放大器交替接收传感器敏感栅输入的敏感信号，并控制辅助放大器与主放大器的输入端交替连接，将辅助放大器的放大处理结果输出给主放大器。
2、 根据权利要求1所述的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电 15 路，其特征在于，所述主放大器包括主差分输入级，用于离子敏场效应传感器信号的输入；辅差分输入级，用于辅助放大器信号的输入； 恒压模块，用于为主差分输入级的ISFET提供恒压工作条件； 恒流模块，用于为主差分输入级的ISFET和MOSFET Mb2提供偏置 20 电流；输出级，用于放大器信号的单端输出。
3、 根据权利要求2所述的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电 路，其特征在于，所述恒压模块中的电流Ib为电流Ia的镜像电流，所述 电流Ib用于提供恒压模块中Mc的偏置电流，并控制主差分输入级中25ISFET的漏源两端恒压值的大小。
4、 根据权利要求2所述的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电 路，其特征在于，所述主差分输入级包括n型ISFET晶体管和n型MOSFET Mb2晶体管，且n型ISFET晶体管与n型MOSFETMb2晶体管相互对称。
5、 根据权利要求所述的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电30路，其特征在于，所述辅放大器包括 主差分输入级，用于连接主放大器的差分输入信号； 辅差分输入级，用于放大器动态校零信号的输入； 输出级，用于与主放大器的单端连接。
6、 根据权利要求2或5所述的离子敏场效应传感器专用高精度放大 5器电路，其特征在于，所述主差分输入级和辅差分输入级采用n沟道差分输入。
7、 根据权利要求1所述的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电 路，其特征在于，所述主放大器或辅放大器采用折叠式共源共栅结构。
8、 根据权利要求1所述的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电 10路，其特征在于，该高精度放大器电路进一步包括采样保持电容，用于存储放大器失调电压及低频噪声。
9、 根据权利要求1所述的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路，其特征在于，所述高精度放大器电路中的晶体管，除主放大器的主差分输入级中的晶体管为ii型ISFET晶体管和n型MOSFET Mb2晶体管以 15夕卜，其他部分中的晶体管为p型MOSFET晶体管或n型MOSFET晶体管。
10、 根据权利要求1所述的离子敏场效应传感器专用高精度放大器电 路，其特征在于，所述高精度放大器电路通过电子开关的转换来进行以下两个阶段工作第一是在时钟的上半周期，电子开关S1和S2在-1状态下，电路处于 20采样阶段，将辅助运放的误差电压寄存在电容器Cnl和Cn2上；第二是在内部时钟的下半周期，电子开关Sl和S2在f状态下，电路 处于动态校零和放大阶段。
全文摘要
本发明公开了一种离子敏场效应传感器专用高精度放大器电路，包括主放大器，用于连续放大传感器敏感栅输入的敏感信号，输出最终的放大处理结果；辅助放大器，用于在时钟的控制下交替接收传感器敏感栅输入的敏感信号，对接收的敏感信号进行放大处理得到放大处理结果，并在时钟的控制下与主放大器的输入端交替连接，将得到的放大处理结果输出给主放大器；时钟，用于控制辅助放大器与传感器敏感栅交替连接，使辅助放大器交替接收传感器敏感栅输入的敏感信号，并控制辅助放大器与主放大器的输入端交替连接，将辅助放大器的放大处理结果输出给主放大器。利用本发明，提高了放大器电路的测量精度并抑制了温漂，实现了痕量检测。
文档编号G01N27/403GK101131375SQ20061011255
公开日2008年2月27日 申请日期2006年8月23日 优先权日2006年8月23日
发明者杨海钢, 魏金宝 申请人:中国科学院电子学研究所