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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

作　者: 张仁富
导　师: 潘银松
学　校: 重庆大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 自组装膜生物微传感阵列读出电路相关双采样逐次逼近ADC
分类号: TP212.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 46次
引　用: 1次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-12
  1.1 引言  8
  1.2 国内外研究现状  8-10
  1.3 课题研究的意义  10-11
  1.4 课题的来源  11
  1.5 课题的主要研究内容  11-12
2 自组装膜微电极传感器  12-20
  2.1 概述  12-14
    2.1.1 生物传感器  12-13
    2.1.2 自组装成膜技术  13
    2.1.3 微阵列简介  13-14
  2.2 传感器工作原理  14-15
  2.3 传感微电极的输出信号及其电学模型  15-19
    2.3.1 传感微电极的输出信号  15-17
    2.3.2 微电极的结构及其电路模型  17-19
  2.4 本章小结  19-20
3 传感微阵列模拟读出电路的设计  20-45
  3.1 微弱电流信号检测  20-22
    3.1.1 检测原理  20
    3.1.2 微弱电流信号检测常用方法  20-22
  3.2 恒电位仪电流检测  22-23
  3.3 数字读出电路方案  23-24
  3.4 恒电位仪积分电路单元的设计  24-31
    3.4.1 运算放大器的设计  24-30
    3.4.2 恒电位仪积分电路的设计  30-31
  3.5 相关双采样电路单元的设计  31-38
    3.5.1 CMOS 读出电路的噪声分析  31-33
    3.5.2 抑制噪声的方法  33-34
    3.5.3 CDS 电路的设计  34-38
  3.6 传感微阵列模拟读出电路的设计  38-44
    3.6.1 传感微阵列恒电位仪电路的设计  38-40
    3.6.2 传感微阵列模拟读出电路的设计  40-41
    3.6.3 移位寄存器  41-43
    3.6.4 传感微阵列模拟读出电路的仿真  43-44
  3.7 本章小结  44-45
4 传感微阵列的ADC 设计  45-70
  4.1 ADC 的主要性能指标  45-46
    4.1.1 ADC 的静态指标  45
    4.1.2 ADC 的动态指标  45-46
  4.2 ADC 的种类  46-51
    4.2.1 快闪结构模数转换器  46-47
    4.2.2 流水线结构模数转换器  47-49
    4.2.3 逐次逼近模数转换器  49-50
    4.2.4 过采样模数转换器  50-51
  4.3 ADC 结构的确定  51-52
  4.4 10 位DAC 电路的设计  52-54
    4.4.1 DAC 的选择  52
    4.4.2 DAC 的原理  52-54
    4.4.3 RC 参数的选择  54
  4.5 比较器的设计  54-62
    4.5.1 比较器总体结构的设计  54-55
    4.5.2 前置放大器的设计  55-56
    4.5.3 锁存器的设计  56-57
    4.5.4 自偏置差分放大器的设计  57-58
    4.5.5 比较器的仿真  58-62
  4.6 ADC 控制电路的设计  62-66
    4.6.1 计数器  62-63
    4.6.2 译码器  63-65
    4.6.3 逐次逼近逻辑  65-66
  4.7 ADC 的整体仿真  66-68
  4.8 本章小结  68-70
5 数字读出电路的整体仿真与版图设计  70-76
  5.1 数字读出电路的整体仿真  70-72
  5.2 版图设计  72-75
    5.2.1 IC 版图设计的方法  72
    5.2.2 版图的布局与实现  72-75
  5.3 本章小结  75-76
6 总结与展望  76-78
  6.1 论文的主要工作  76
  6.2 论文的创新和特色之处  76-77
  6.3 对今后工作的展望  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-83
附录  83

基于自组装膜生物传感微阵列的数字读出电路研究

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