和灵敏度。
[0035] 如图2所示，本发明实施例提供一种离子敏感场效应管传感器的读出电路2,所述 读出电路包括pH值感应电路101、基于MOS管的折叠共源共栅运算放大器电路102、缓冲级 电路103以及电容反馈电路104,所述MOS晶体管工作于亚阈值区。
[0036] 其中，所述pH值感应电路101包括钝化电容CP，所述钝化电容CP的正极与输入参 考电极相连，所述钝化电容cp的负极与所述折叠共源共栅运算放大器电路102的第一差分 输入端gl相连，即与作为所述折叠共源共栅运算放大器电路102的第一差分输入管的第一 NMOS晶体管NM1的栅极相连；所述钝化电容CP与所述第一NMOS晶体管共同构成离子敏感 场效应管ISFET。
[0037] 进一步地，所述折叠共源共栅运算放大器电路102由作为所述第一差分输入管的 第一NMOS晶体管匪1和作为第二差分输入管的第二NMOS晶体管匪2构成的差分输入级、由 第三NMOS晶体管NM3构成的偏置电流源、由第四NMOS晶体管NM4构成的阵列行选择开关 以及共源共栅放大级，所述共源共栅放大级由第一PM0S晶体管PM1、第二PM0S晶体管PM2、 第三PM0S晶体管PM3、第四PM0S晶体管PM4以及第五NMOS晶体管NM5、第六NMOS晶体管 NM6、第七NMOS晶体管NM7和第八NMOS晶体管NM8构成。
[0038] 其中，所述第一NMOS晶体管匪1的栅极与所述pH值感应电路101中的钝化电容 CP的负极相连，所述第二NMOS晶体管匪2的栅极与共模输入电压VeM相连；所述第一NMOS 晶体管匪1的漏极和所述第二NMOS晶体管匪2的漏极分别与所述第一PM0S晶体管PM1的 漏极和所述第二PM0S晶体管PM2的漏极相连；所述第一NMOS晶体管W1的源极与所述第 四NMOS晶体管NM4的漏极相连，所述第二NMOS晶体管NM2的源极与所述第四NMOS晶体管 NM4的源极相连，并与所述第三NMOS晶体管匪3的漏极相连；
[0039] 所述第三NMOS晶体管匪3的栅极与第一偏置电压IBN相连，所述第三NMOS晶体 管匪3的源极接地；
[0040] 所述第四NMOS晶体管NM4的栅极与阵列行选择信号Rowl相连；
[0041] 所述第一PM0S晶体管PM1的栅极与所述第二PM0S晶体管PM2的栅极相连，并与 第二偏置电压IBP相连；所述第一PM0S晶体管PM1的源极与所述第二PM0S晶体管PM2的 源极相连，并与电源电压VDD相连；所述第一PM0S晶体管PM1的漏极和所述第二PM0S晶体 管PM2的漏极分别与所述第三PM0S晶体管PM3的源极和所述第四PM0S晶体管PM4的源极 相连；
[0042] 所述第三PM0S晶体管PM3的栅极与所述第四PM0S晶体管PM4的栅极相连，并与 第三偏置电压VBP相连；所述第三PM0S晶体管PM3的漏极和所述第四PM0S晶体管PM4的 漏极分别与所述第五NMOS晶体管NM5的漏极和所述第六NMOS晶体管NM6的漏极相连；其 中，所述第三PM0S晶体管PM3的漏极作为所述折叠共源共栅运算放大器电路102的输出端 out与所述电容反馈电路104的输入端ifb相连；
[0043] 所述第五NMOS晶体管NM5的栅极与所述第六NMOS晶体管NM6的栅极相连，并与 第四偏置电压VBN相连，所述第五NMOS晶体管NM5的源极和所述第六NMOS晶体管NM6的 源极分别与所述第七NM0S晶体管NM7的漏极和所述第八NM0S晶体管NM8的漏极相连；
[0044] 所述第七NM0S晶体管NM7的栅极与所述第八NM0S晶体管NM8的栅极相连，并与 所述第四PM0S晶体管PM4的漏极相连；所述第七NM0S晶体管的源极NM7与所述第八NM0S 晶体管NM8的源极相连，并与地相连。
[0045] 进一步地，所述电容反馈电路104包括开关RST和反馈电容CF，其中，所述开关RST 的一端与所述反馈电容CF的一端相连，并与所述折叠共源共栅运算放大器电路102的输出 端out相连，所述开关RST的另一端与所述反馈电容CF的另一端相连，并与所述折叠共源 共栅运算放大器电路102的第一差分输入端gl相连。
[0046] 如图2所示的离子敏感场效应管感应器的读出电路中，所述钝化电容CP与所述第 一NM0S晶体管共同构成离子敏感场效应管ISFET，所述ISFET作为检测管，V' 8为ISFET 检测管的浮栅电位，间接地反应了待检环境中pH值的变化情况。V'g与待测溶液PH值之 间的关系如以下公式所示：
[0047] N'g=Vref-Vcheffl-Vtc
[0048] 其中，V,ef为接于ISFET晶体管外部的pH检测溶液内的输入参考电极，Vt。为陷阱 电荷、浮栅电容变化等导致的低频非理想因素，为与pH值变化相关的电压，其可以表示 为：
【主权项】
1. 一种离子敏感场效应管传感器的读出电路，其特征在于，所述读出电路包括pH值感 应电路，基于MOS晶体管的折叠共源共栅运算放大器电路、电容反馈电路和缓冲级电路，所 述MOS晶体管工作于亚阈值区，其中， 所述pH值感应电路的输入端与输入参考电极相连，所述pH值感应电路的输出端与所 述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连； 所述折叠共源共栅运算放大器电路的第二差分输入端与共模输入电压相连，所述折叠 共源共栅运算放大器电路的输出端同时与所述电容反馈电路的输入端和所述缓冲级电路 的输入端相连； 所述电容反馈电路的输出端与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端 相连；所述缓冲级电路的输出端为所述读出电路的输出端。
2. 根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述pH值感应电路包括钝化电容，其 中，所述钝化电容的正极与所述输入参考电极相连，所述钝化电容的负极与所述折叠共源 共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连； 所述钝化电容与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入管构成离子敏感 场效应管。
3. 根据权利要求2所述的读出电路，其特征在于，所述折叠共源共栅运算放大器电路 包括由作为所述第一差分输入管的第一 NMOS晶体管和作为第二差分输入管的第二NMOS晶 体管构成的差分输入级、由第三NMOS晶体管构成的偏置电流源、由第四NMOS晶体管构成的 阵列行选择开关以及共源共栅放大级，所述共源共栅放大级由第一 PMOS晶体管、第二PMOS 晶体管、第三PMOS晶体管、第四PMOS晶体管以及第五NMOS晶体管、第六NMOS晶体管、第七 NMOS晶体管和第八NMOS晶体管构成； 所述第一 NMOS晶体管的栅极与所述pH值感应电路中的钝化电容的负极相连，所述第 二NMOS晶体管的栅极与所述共模输入电压相连；所述第一 NMOS晶体管的漏极和所述第二 NMOS晶体管的漏极分别与所述第一 PMOS晶体管的漏极和所述第二PMOS晶体管的漏极相 连；所述第一 NMOS晶体管的源极与所述第四NMOS晶体管的漏极相连，所述第二NMOS晶体 管的源极与所述第四NMOS晶体管的源极相连，并与所述第三NMOS晶体管的漏极相连； 所述第三NMOS晶体管的栅极与第一偏置电压相连，所述第三NMOS晶体管的源极接 地； 所述第四NMOS晶体管的栅极与阵列行选择信号相连； 所述第一 PMOS晶体管的栅极与所述第二PMOS晶体管的栅极相连，并与第二偏置电压 相连；所述第一 PMOS晶体管的源极与所述第二PMOS晶体管的源极相连，并与电源电压VDD 相连；所述第一 PMOS晶体管的漏极和所述第二PMOS晶体管的漏极分别与所述第三PMOS晶 体管的源极和所述第四PMOS晶体管的源极相连； 所述第三PMOS晶体管的栅极与所述第四PMOS晶体管的栅极相连，并与第三偏置电压 相连；所述第三PMOS晶体管的漏极和所述第四PMOS晶体管的漏极分别与所述第五NMOS晶 体管的漏极和所述第六NMOS晶体管的漏极相连；其中，所述第三PMOS晶体管的漏极作为所 述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端与所述电容反馈电路的输入端相连； 所述第五NMOS晶体管的栅极与所述第六NMOS晶体管的栅极相连，并与第四偏置电压 相连，所述第五NMOS晶体管的源极和所述第六NMOS晶体管的源极分别与所述第七NMOS晶 体管的漏极和所述第八NMOS晶体管的漏极相连； 所述第七NM0S晶体管的栅极与所述第八NM0S晶体管的栅极相连，并与所述第四PM0S 晶体管的漏极相连；所述第七NM0S晶体管的源极与所述第八NM0S晶体管的源极相连，并与 地相连。
4. 根据权利要求3所述的读出电路，其特征在于，所述电容反馈电路包括开关和反馈 电容，其中，所述开关的一端与所述反馈电容的一端相连，并与所述折叠共源共栅运算放大 器电路的输出端相连，所述开关的另一端与所述反馈电容的另一端相连，并与所述折叠共 源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连。
5. -种离子敏感场效应管传感器，其特征在于，所述传感器包括权利要求1至4中任一 项所述的读出电路。
【专利摘要】本发明实施例公开了一种离子敏感场效应管传感器及其读出电路，所述读出电路包括pH值感应电路，基于MOS晶体管的折叠共源共栅运算放大器电路、电容反馈电路和缓冲级电路，所述MOS晶体管工作于亚阈值区，所述pH值感应电路的输入端与输入参考电极相连，所述pH值感应电路的输出端与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；所述折叠共源共栅运算放大器电路的第二差分输入端与共模输入电压相连，所述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端同时与所述电容反馈电路的输入端和所述缓冲级电路的输入端相连；所述电容反馈电路的输出端与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；所述缓冲级电路的输出端为所述读出电路的输出端。
【IPC分类】H03F3-45, G01N27-414, G01N27-00
【公开号】CN104614404
【申请号】CN201510064989
【发明人】刘昱, 王倩, 卫宝跃, 张海英
【申请人】中国科学院微电子研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月6日