專利名稱：一種電流型信號檢測模擬前端電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及CMOS模擬集成電路設計技術領域，具體涉及一種電流型信號檢測模擬前端電路。
背景技術：
隨著全球經濟的發展，人們保健意識的提高，全球衛生醫療行業得到了快速的發展。免疫分析技術作為體外診斷重要的方式，具有高度的準確性和特異性，因而在臨床檢驗領域中倍受重視，成為醫療檢驗方法中最為重要的技術之一。美國海軍實驗室于1998年率先開發成功磁敏型巨磁阻生物傳感器，該生物傳感器最初用于DNA因子、抗原-抗體、施體和受體的探測和分析，并逐步擴展到腫瘤，心臟病等疾病的免疫分析診斷中，具有靈敏度高、生物特異性好的特點，非常適合小型醫療儀器的自動化分析和實時檢測。目前國外的研究機構及公司在基于磁敏巨磁阻傳感器生物芯片的研究和制備領域處于壟斷地位，產品價格昂貴，因此重點研究生物傳感器和信號讀取電路單片集成的生物芯片，并開發與之配套的低成本、高靈敏度、快速定量的免疫檢測儀，滿足醫院心內科、急診科以及中小醫療機構的需求，具有重要的社會意義和經濟價值。磁敏型巨磁阻生物傳感器的檢測首先是將傳感器中變化的生物信號轉換為可知的電流、電壓等電信號，再通過適當的放大和整形，通過模數轉換器轉換為數字信號輸出到數字信號處理系統中，最終實現傳感器信號的分析檢測。國內在生物檢測芯片，尤其是基于CMOS技術的生物檢測芯片的發展較晚。清華大學、中國科學院物理所、同濟大學等，自2005年起，對巨磁阻生物傳感器陣列設計、傳感器材料選取、磁性標記與輸出信號處理等方面進行了相應的研究，但是還處于對磁敏傳感器的研究階段，關于讀出電路及生物芯片設計方面的研究還很少，因此開展相關研究，追趕國際步伐迫在眉睫。
發明內容
(一 )要解決的技術問題有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種電流型信號檢測模擬前端電路，以解決磁敏生物傳感器檢測電路精度較差、成本較高以及規模較大的問題，達到高精度、單芯片、全集成的目的。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種電流型信號檢測模擬前端電路，該電路包括帶隙基準源10、電流鏡11、緩沖器12、跨阻放大器13以及逐次逼近模數轉換器14 ;其中所述帶隙基準源10用于產生電流鏡11所需的10 μ A電流，并提供300mV的偏置電壓；所述電流鏡11將300mV偏置電壓鏡像加載到與該電路連接的磁敏生物傳感器陣列上，將磁敏生物傳感器陣列上的等效電阻變化轉換為電流變化，并為檢測電流提供輸出通路；所述緩沖器 12用于降低電流鏡11、跨阻放大器13和逐次逼近模數轉換器14的電路抖動對300mV偏置電壓的影響；所述跨阻放大器13將檢測電流轉換為電壓，并放大至逐次逼近模數轉換器14的最大輸入擺幅范圍；所述逐次逼近模數轉換器14將檢測電壓轉換為數字碼，輸出至數字處理器(DSP)進行信息處理，完成檢測。上述方案中，所述帶隙基準源10用于產生電流鏡所需的10 μ A電流，并提供300mV的偏置電壓。上述方案中，所述電流鏡11包括兩個PMOS管和兩個NMOS管，第一 PMOS管(PMO)和第一 NMOS管(NMO)接成二極管連接形式，與第二 PMOS管(PMl)和第二 NMOS管(NMl)構成電流鏡電路，將帶隙基準源10產生的10 μ A電流和300mV偏置電壓加載至與該電路連接的磁敏生物傳感器陣列，將磁敏生物傳感器陣列上的等效電阻變化轉換為電流變化。上述方案中，所述緩沖器12用于對帶隙基準源10輸出300mV電壓與后級電路進行隔離保護，減小電流鏡11、跨阻放大器13和逐次逼近模數轉換器14的電路噪聲和負載變化對輸出電壓值的影響。上述方案中，所述緩沖器12采用單級折疊共源共柵運放結構，其中輸入級PMOS管 (MO)為電流源，第一 PMOS管(Ml)和第一 PMOS管(M2)為輸入管，第一級運放結構包括四個PMOS 管(M3、M4、M5 和 M6)以及四個 NMOS 管(M7、M8、M9 和 M10)。上述方案中，所述跨阻放大器13采用兩級密勒補償的運算放大器結構以及反饋增益電阻(Rl)構成，其中反饋增益電阻(Rl)的電阻值為100K。上述方案中，所述跨阻放大器13將磁敏生物傳感器陣列的輸出檢測電流轉換為電壓，并放大至后級模數轉換器的最大輸入擺幅范圍；同時自身的輸入共模電壓也作為后級逐次逼近模數轉換器的輸入共模電壓。上述方案中，所述逐次逼近模數轉換器14將跨阻放大器13輸出模擬電壓轉換為數字碼輸出，輸出至數字處理器(DSP)進行信息處理，完成檢測。上述方案中，該電路采用單芯片全集成及電流檢測的方式實現。(三)有益效果與現有技術相比，本發明的技術方案產生的有益效果如下本發明提供的一種電流型信號檢測模擬前端電路，通過采用電流檢測和單芯片全集成的方式，由帶隙基準電壓源提供恒定的不隨工藝和負載變化的偏置電壓以及電流鏡的輸入電流，通過電流鏡加載給磁敏生物傳感器陣列。由電流鏡將磁敏生物傳感器陣列的電阻變化轉換為與之相對應的電流變化，輸出至跨阻放大器，放大至逐次逼近模數轉換器的輸入電壓范圍。最終由逐次逼近模數轉換器輸出數字碼，輸出至DSP進行信息處理，完成檢測。具有檢測精度高，速度快，整體電路可靠性高、功耗低的優點，適用于磁敏生物傳感器檢測單芯片系統中。
圖I是本發明實施例提供的電流型信號檢測模擬前端電路的結構示意圖；圖2是本發明實施例中單位增益緩沖器的電路示意圖；圖3是本發明實施例中跨阻放大器的電路示意圖；圖4是本發明實施例中逐次逼近模數轉換器的結構示意圖；圖5是本發明實施例中對覆蓋6K-14K磁敏生物傳感器電阻陣列范圍內的數字碼輸出；
圖6是本發明實施例中對覆蓋6K-14K磁敏生物傳感器電阻陣列范圍內的數字碼輸出的細部特征。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。參見圖I，本發明實施例提供一種電流型信號檢測模擬前端電路，包括帶隙基準源
10、電流鏡11、緩沖器12、跨阻放大器13以及逐次逼近模數轉換器14 ;所述帶隙基準源10用于產生電流鏡11所需的10 μ A電流，并提供300mV的偏置電壓；所述電流鏡11將300mV偏置電壓鏡像加載到與該電路連接的磁敏生物傳感器陣列上，將磁敏生物傳感器陣列上的等效電阻變化轉換為電流變化，并為檢測電流提供輸出通路；所述緩沖器12用于降低電流鏡11、跨阻放大器13和逐次逼近模數轉換器14的電路抖動對300mV偏置電壓的影響；所述跨阻放大器13將檢測電流轉換為電壓，并放大至逐次逼近模數轉換器14的最大輸入擺幅范圍；所述逐次逼近模數轉換器14將檢測電壓轉換為數字碼，輸出至DSP進行信息處理，完成檢測。參見圖1，帶隙基準源10用于產生電流鏡所需的10 μ A電流，并提供300mV的偏置電壓，使電壓偏置不隨磁敏生物傳感器陣列負載而變化。參見圖2，本發明實施例中的單位增益緩沖器12，采用單級折疊共源共柵運放結構，其中輸入級PMOS管MO為電流源，PMOS管Ml，M2為輸入管，第一級運放結構包括PMOS管M3，M4，M5，M6以及NMOS管M7，M8，M9，MlO0單位增益緩沖器12用于對帶隙基準源10電壓輸出進行隔離保護，降低電流鏡11、跨阻放大器13和逐次逼近模數轉換器14的電路抖動對300mV偏置電壓的影響。參見圖1，電流鏡11包括兩個PMOS管和兩個NMOS管，PMOS管PMO和NMOS管NMO接成二極管連接形式，與PMOS管PMl和NMOS管匪1構成電流鏡電路，將帶隙基準源10產生的10 μ A電流和300mV偏置電壓加載至磁敏生物傳感器陣列，將磁敏生物傳感器陣列上的等效電阻變化轉換為電流變化，并為檢測電流提供輸出通路。根據Idrt = Vbias/RsmsOT，其中Vbias為300mV偏置電壓，Rsensor為磁敏生物傳感器等效電阻。因此只要磁敏生物傳感器等效電阻發生變化，電流鏡就可以通過300mV偏置電壓，將電阻變化轉換為可檢測的電流變化Idet，輸出至跨阻放大器。參見圖1，跨阻放大器13采用兩級密勒補償的運算放大器結構以及反饋增益電阻Rl構成。Rl選擇為100K左右的電阻值，將微弱的磁敏生物傳感器電流變化Idet轉換為足夠大的電壓信號，使之滿足后級模數轉換器的輸入擺幅范圍。參見圖3，兩級密勒補償的運算放大器需要提供60dB以上的增益以及50MHZ以上的單位增益帶寬。參見圖1，因為磁敏生物傳感器檢測電路需要工作在500KHZ 5MHZ左右的時鐘頻率上，且在6 14K電阻值變化的范圍內需要檢測最小分辨率為16歐左右的電阻變化，因此要求模數轉換器具有8 10位的精度且具有較低的功耗。因此本發明采用速度中等，功耗較低的逐次逼近模數轉換器結構實現。逐次逼近模數轉換器的設計指標為lObit/lMSPS，功耗ImW即可滿足本電路的設計需求。、
逐次逼近模數轉換 器14基本拓撲結構參見圖4，在此結構中，首先采樣保持單元將模擬輸入信號VIN采樣并保持，將其作為比較單元的一個輸入。此時逐次逼近寄存器(SAR單元)開始二進制搜索算法。首先置最高位(MSB)為1，其他位都為O;并將N比特碼字串(100. ..O)加到DAC電容陣列，此時DAC輸出模擬電壓1/2VREF，其中VREF為逐次逼近模數轉換器的參考電壓；然后將DAC轉換來的模擬電壓作為比較器另一端的輸入，與輸入信號VIN作比較。如果輸入信號VIN大于1/2VREF，比較器輸出邏輯低電平，則最高位MSB保持不變；如果輸入信號VIN小于1/2VREF，比較器輸出邏輯高電平，則最高位MSB將會被置O。確定最高位碼字后，保持最高位不變，再置次高位為1，其他低位為0，并將該碼字串加到DAC陣列，進而比較出次高位的碼字。其他各低位依次重復下去，直到比較出最低位(LSB)的結果為止，至此得出輸入信號VIN所對應的數字碼。圖5和圖6是本發明實施例中對覆蓋6K-14K傳感器電阻陣列范圍內的數字碼輸出，數字碼流從218至30連續輸出，中間無失碼現象發生，通過設置模數轉換器參考電壓范圍，可實現O至255個數字碼流的完整輸出，技術效果良好。綜上所述，本發明提供的一種電流型信號檢測模擬前端電路，具有以下有益效果(I)本發明通過采用電流檢測和單芯片全集成的方式，集成度，靈敏度高；(2)由帶隙基準源提供恒定的不隨工藝和負載變化的磁敏生物傳感器陣列偏置電壓；(3)由電流鏡電路將磁敏生物傳感器陣列的等效電阻變化轉換為可檢測的微弱電流變化，并輸出；(4)由跨阻放大器將檢測電流轉換為電壓，并放大至模數轉換器的輸入電壓范圍；(5)設計了一款lObit/lMSPS逐次逼近模數轉換器作為模擬與數字接口，將模擬傳感器檢測電壓轉換為數字碼輸出，輸出至DSP處理，完成檢測，適用于磁敏生物傳感器檢測單芯片系統中。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種電流型信號檢測模擬前端電路，其特征在于，該電路包括帶隙基準源(10)、電流鏡(11)、緩沖器(12)、跨阻放大器(13)以及逐次逼近模數轉換器(14);其中 所述帶隙基準源(10)用于產生電流鏡(11)所需的10 μ A電流，并提供300mV的偏置電壓； 所述電流鏡(11)將300mV偏置電壓鏡像加載到與該電路連接的磁敏生物傳感器陣列上，將磁敏生物傳感器陣列上的等效電阻變化轉換為電流變化，并為檢測電流提供輸出通路； 所述緩沖器(12)用于降低電流鏡(11)、跨阻放大器(13)和逐次逼近模數轉換器(14) 的電路抖動對300mV偏置電壓的影響； 所述跨阻放大器(13)將檢測電流轉換為電壓，并放大至逐次逼近模數轉換器(14)的最大輸入擺幅范圍； 所述逐次逼近模數轉換器(14)將檢測電壓轉換為數字碼，輸出至數字處理器(DSP)進行信息處理，完成檢測。
2.根據權利要求I所述的電流型信號檢測模擬前端電路，其特征在于，所述帶隙基準源(10)用于產生電流鏡所需的10 μ A電流，并提供300mV的偏置電壓。
3.根據權利要求I所述的電流型信號檢測模擬前端電路，其特征在于，所述電流鏡(11)包括兩個PMOS管和兩個NMOS管，第一PMOS管(PMO)和第一 NMOS管(NMO)接成二極管連接形式，與第一 PMOS管(PMl)和第二 NMOS管(匪I)構成電流鏡電路，將帶隙基準源(10)產生的10 μ A電流和300mV偏置電壓加載至與該電路連接的磁敏生物傳感器陣列，將磁敏生物傳感器陣列上的等效電阻變化轉換為電流變化。
4.根據權利要求I所述的電流型信號檢測模擬前端電路，其特征在于，所述緩沖器(12)用于對帶隙基準源(10)輸出300mV電壓與后級電路進行隔離保護，減小電流鏡(11)、跨阻放大器(13)和逐次逼近模數轉換器(14)的電路噪聲和負載變化對輸出電壓值的影響。
5.根據權利要求4所述的電流型信號檢測模擬前端電路，其特征在于，所述緩沖器(12)采用單級折疊共源共柵運放結構，其中輸入級PMOS管(MO)為電流源，第一 PMOS管(Ml)和第一 PMOS管(M2)為輸入管，第一級運放結構包括四個PMOS管(M3、M4、M5和M6)以及四個NMOS管(M7、M8、M9和M10)。
6.根據權利要求I所述的電流型信號檢測模擬前端電路，其特征在于，所述跨阻放大器(13)采用兩級密勒補償的運算放大器結構以及反饋增益電阻(Rl)構成，其中反饋增益電阻(Rl)的電阻值為100K。
7.根據權利要求I所述的電流型信號檢測模擬前端電路，其特征在于，所述跨阻放大器(13)將磁敏生物傳感器陣列的輸出檢測電流轉換為電壓，并放大至后級模數轉換器的最大輸入擺幅范圍；同時自身的輸入共模電壓也作為后級逐次逼近模數轉換器的輸入共模電壓。
8.根據權利要求I所述的電流型信號檢測模擬前端電路，其特征在于，所述逐次逼近模數轉換器(14)將跨阻放大器(13)輸出模擬電壓轉換為數字碼輸出，輸出至數字處理器(DSP)進行信息處理，完成檢測。
9.根據權利要求I所述的電流型信號檢測模擬前端電路，其特征在于，該電路采用單芯片全集成及電流檢測 的方式實現。
全文摘要
本發明公開了一種電流型信號檢測模擬前端電路，包括帶隙基準源、電流鏡、緩沖器、跨阻放大器以及逐次逼近模數轉換器；帶隙基準源用于產生電流鏡所需的10μA電流，并提供300mV的偏置電壓；電流鏡將300mV偏置電壓鏡像加載到磁敏生物傳感器陣列上，并為檢測電流提供輸出通路；緩沖器用于降低電路抖動對300mV偏置電壓的影響；跨阻放大器將檢測電流轉換為電壓，并進行放大；逐次逼近模數轉換器將檢測電壓轉換為數字碼，輸出至DSP，完成檢測。本發明采用單芯片全集成及電流檢測的方式，有效提取了磁敏生物傳感器中的微弱變化信號，并利用跨阻放大器將檢測電流轉換為電壓、合理進行放大，最終由模數轉換器輸出數字碼。
文檔編號G01N27/04GK102645451SQ20121012633
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月26日 優先權日2012年4月26日
發明者劉海南, 胡曉宇, 陳鋮穎, 黑勇 申請人:中國科學院微電子研究所