專利名稱：基于雙模式的集成isfet傳感器信號(hào)差分讀出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及差分放大器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于雙模式的集成ISFET傳感器信號(hào)差分讀出電路。
背景技術(shù)：
由離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管ISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor)所構(gòu)成的各種傳感器，通過ISFET柵極上不同敏感薄膜材料與被測(cè)溶液中離子的生化反應(yīng)，可用來檢測(cè)多項(xiàng)生化指標(biāo)，如酸堿度pH以及pCO2、pO2等。這要求在一定工作條件下，ISFET所產(chǎn)生的端口電壓或電流與這些生化指標(biāo)呈一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系。
ISFET所產(chǎn)生的電流、電壓信號(hào)一般需經(jīng)過前端檢測(cè)電路采集、放大后，才能與后端電子系統(tǒng)連接，組成實(shí)用的測(cè)量?jī)x器。目前的一個(gè)研究焦點(diǎn)是將ISFET和檢測(cè)電路通過標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝集成，這樣，既提高了檢測(cè)靈敏度及抗干擾能力，有利于進(jìn)行高精度測(cè)量；同時(shí)在同一芯片上還可方便地實(shí)現(xiàn)ISFET的多通道傳感器(即多參數(shù)檢測(cè))，并能進(jìn)一步地與A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器、邏輯控制電路等進(jìn)行單芯片合成，從而使基于ISFET的生化指標(biāo)測(cè)試儀向著智能化、微型化、低功耗、便攜式發(fā)展。
由于ISFET傳感器中的參比電極與溶液作用后所產(chǎn)生的基準(zhǔn)電位的不穩(wěn)定，造成ISFET輸出信號(hào)的漂移。因而，在信號(hào)檢測(cè)電路中，有必要對(duì)ISFET所產(chǎn)生的信號(hào)與系統(tǒng)的某一參考信號(hào)進(jìn)行差分，以消除基準(zhǔn)電位等所引起的“共模”誤差。迄今為止，用標(biāo)準(zhǔn)分立元件在PCB(PrintedCircuit Board)上組成的ISFET傳感器信號(hào)差分讀出電路已有報(bào)道，但還未見和ISFET傳感器單芯片CMOS集成的信號(hào)差分讀出電路。
在離子的生化反應(yīng)檢測(cè)中，為提高傳感器信號(hào)讀出的靈敏度、穩(wěn)定性或信號(hào)的線性動(dòng)態(tài)范圍，常需要ISFET既可偏置在線性區(qū)也可偏置在飽和區(qū)。以往，對(duì)工作在這二個(gè)不同區(qū)域的ISFET，需要有兩套獨(dú)立的讀出電路。本發(fā)明僅用一個(gè)共同的讀出電路，通過對(duì)偏置電流的數(shù)字式編程控制，能在測(cè)量中根據(jù)需要將同一ISFET偏置在不同工作點(diǎn)上。在傳感器的線性工作范圍內(nèi)，具有向ISFET提供所需恒定電壓和恒定電流的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于雙模式的集成ISFET傳感器信號(hào)差分讀出電路。
設(shè)計(jì)和ISFET單芯片集成的信號(hào)讀出電路，能通過數(shù)字式編程測(cè)量同一ISFET在飽和區(qū)和線性區(qū)的特性，并能在大動(dòng)態(tài)輸入范圍的條件下，保持ISFET所需工作條件的一致性(即恒定電壓和恒定電流條件)；同時(shí)，具有消除傳感器系統(tǒng)“共模”誤差的能力。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)就是所提出的差分信號(hào)處理電路是以電流型信號(hào)變換為基礎(chǔ)，因而，適合處理高精度、具有較大動(dòng)態(tài)范圍的ISFET傳感器輸入信號(hào)。
本發(fā)明有前后兩級(jí)電路組成。圖1電路是前級(jí)ISFET信號(hào)放大器(又稱OTAOperational Trans-conductance Amplifier)電路；圖2電路是后級(jí)ISFET電流型信號(hào)差分電路。發(fā)明中提出的這兩個(gè)電路均可通過CMOS工藝與ISFET集成在單一芯片上。
如圖1電路所示，由于Ma1和Mb1所組成的差分級(jí)，ISFET Ma1的電流將被恒定在I0/2，而Vds的取值將決定ISFET是否工作在線性區(qū)或飽和區(qū)。根據(jù)ISFET的特性，Ma1的pinch-point電壓Vsat可表示成Vsat(Ma1)=Vgs(Ma1)-Vt(Ma1)=I0/βMa1---(1)]]>其中Vgs(Ma1)指ISFET Ma1的柵源電壓，Vt(Ma1)是Ma1的閾值電壓。若Ma1的Vds大于它的臨界電壓Vsat，Ma1將會(huì)工作在飽和區(qū)；相反，若Vds小于Vsat，Ma1將工作在線性區(qū)。Vds可通過Mc兩端電壓的升降來調(diào)節(jié)，即有關(guān)系Vds(Ma1)＝Vgs(Mc)-Vgs(Ma2)(2)考慮到Mc和Ma2工作在飽和區(qū)，由MOSFET的端口特性方程可推出Vgs(Mc)=2I1/βMc+Vt(Mc)---(3)]]>Vgs(Ma2)=I0/βMa2+Vt(Ma2)---(4)]]>其中I1是Mc的偏置電流。對(duì)應(yīng)Ma1臨界電壓Vsat，考慮到Vt(Mc)≈Vt(Ma2)，由公式(1)～(4)可得I1c=0.5(βMc/βMa1+βMc/βMa2)2I0---(5)]]>I1c又可稱為I1的臨界電流，即若選擇某一偏置電流I1a，使得I1＝I1a＜I1c，這樣，Ma1就工作在線性區(qū)，并有Id＝I0/2，Vds=2I1a/βMc-I0/βMa2;]]>又若選擇另一偏置電流I1b，使得I1＝I1b＞I1c，同樣，Ma1就工作在飽和區(qū)，并有Id＝I0/2，Vds=2I1b/βMc-I0/βMa2.]]>這些恒定的偏置電流和電壓將在傳感器線性輸入范圍內(nèi)保持不變，保證了ISFET膜電位的測(cè)量精度和一致性。
圖2為ISFET電流型信號(hào)差分電路的結(jié)構(gòu)框圖，ISFET和REFET公用同一個(gè)參比電極PRE，整個(gè)差分檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)新穎，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入信號(hào)的高精度和大動(dòng)態(tài)范圍檢測(cè)。ISFETAMP與REFETAMP分別和M1和M3構(gòu)成二個(gè)跟隨放大器，即Vo1跟隨相應(yīng)的輸入端ISFET敏感柵的膜電位的變化且Vo2也跟隨REFET的鈍化膜電位的變化，同時(shí)給ISFET和REFET兩傳感器提供恒壓和恒流等工作條件。這樣，ISFET和REFET兩傳感器的差分信號(hào)測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)Vo1與Vo2的差值(Vo1-Vo2)的測(cè)量。
后級(jí)電流型信號(hào)差分電路實(shí)現(xiàn)差值(Vo1-Vo2)的電壓信號(hào)與電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，輸出電流信號(hào)Id與差值(Vo1-Vo2)成線性關(guān)系。其中恒流源I2和I3分別提供兩跟隨輸出級(jí)的偏置電流。Id′、I2和I3滿足如下表達(dá)式Id′＝(Vo1-Vo2)/Rd (6)I2＝Id1+Id′ (7)I3＝Id2-Id′ (8)調(diào)整M0與M7、M2與M4、M5與M6及M8與M9等電流鏡像對(duì)管的寬長(zhǎng)比(W/L)比例參數(shù)均為1時(shí)，則Id滿足關(guān)系，Id＝Id2-Id1(9)由公式(6)、(7)、(8)和(9)，可以進(jìn)一步得到，Id＝I3-I2+2·(Vo1-Vo2)/Rd (10)整個(gè)集成ISFET傳感器信號(hào)的差分輸出信號(hào)Vout由如下公式得到，Vout＝Ro·Id＝Ro·[(I3-I2)+2·(Vo1-Vo2)/Rd](11)由公式(11)可以看出，Vout與(Vo1-Vo2)成正比例關(guān)系，其比例系數(shù)為2Ro/Rd，因此測(cè)量電路的增益可以通過調(diào)整Ro/Rd比值大小來實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明的前級(jí)ISFET信號(hào)放大器電路圖。
圖2是本發(fā)明的后級(jí)ISFET電流型信號(hào)差分電路。
具體實(shí)施例方式
在圖1電路中，Ma1是n型ISFET，Mb1是與Ma1對(duì)稱的n型MOSFET，其余晶體管如圖標(biāo)所示或是p型MOSFET或是n型MOSFET。若Ma1換成p型ISFET，圖1電路應(yīng)作相應(yīng)的互補(bǔ)變換。Co是補(bǔ)償電容，用以提高OTA系統(tǒng)的穩(wěn)定度。電流源I0提供輸入差分級(jí)(Ma1和Mb1)的偏置電流，另外，電流源I1a和I1b通過切換開關(guān)SW接入放大器，經(jīng)電流鏡像(M9，M8，M7，M2，M1)，提供MOS管Mc的偏置電流I1。由MOS管Ma2、Mb2和Mc組成自舉電路，若I1a接入，即產(chǎn)生ISFET在線性區(qū)所需的恒定電流和恒定電壓條件；若I1b接入，即產(chǎn)生ISFET在飽和區(qū)所需的恒定電流和恒定電壓條件。這些恒定偏置條件一旦建立，將不會(huì)隨著輸入信號(hào)(敏感柵的膜電位)的變化而變化。
在圖2電路中，ISFET放大器和REFET放大器都具有如圖1所示的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，所不同的是(1)對(duì)ISFET放大器來說，圖1電路中的Ma1是ISFET；(2)而對(duì)REFET放大器來說，圖1電路中的Ma1應(yīng)是REFET。所謂REFET(Reference Field Effect Transistor)，就是與ISFET比較，REFET的柵極是由對(duì)離子反應(yīng)不敏感的薄膜材料組成。同時(shí)，ISFET和REFET的柵極由同一準(zhǔn)參比電極PRE(Pseudo Reference Electrode)進(jìn)行偏置。將ISFET信號(hào)和REFET信號(hào)差分，可消除系統(tǒng)的“共模”誤差，如PRE電位的不穩(wěn)定、器件的溫漂等。
權(quán)利要求
1.一種雙模式的集成ISFET信號(hào)放大器，由Ma1和Mb1組成的差分放大器，Ma2、Mb2和Mc組成自舉電路，M9，M8，M7，M2，M1電流鏡像電路，電流源I1a和I1b，I0組成，其特征在于，M7，M2，電流鏡像電路連接于Ma2、Mb2和Mc組成的自舉電路，Ma2、Mb2和Mc組成自舉電路連接于Ma1和Mb1組成的差分放大器，Ma1和Mb1源極接有電流源I0，同時(shí)連接M9，M8，M1電流鏡像電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的雙模式的集成ISFET信號(hào)放大器，其特征在于，還包括有連接于輸出端的Co補(bǔ)償電容，用以提高OTA系統(tǒng)的穩(wěn)定度，電流源I0提供輸入差分級(jí)Ma1和Mb1的偏置電流，另外，電流源I1a和I1b通過切換開關(guān)SW接入放大器，經(jīng)電流鏡像電路(M9，M8，M7，M2，M1)，提供MOS管Mc的偏置電流I1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的雙模式的集成ISFET信號(hào)放大器，其特征在于，Ma1和Mb1差分放大，Ma1是n型ISFET，Mb1是與Ma1對(duì)稱的n型MOSFET，其余晶體管是p型MOSFET或是n型MOSFET。
4.一種ISFET電流型信號(hào)差分電路，由ISFET放大器和REFET放大器，準(zhǔn)參比電極PRE，M1和M3構(gòu)成二個(gè)跟隨放大器組成，其特征在于，ISFET放大器和REFET放大器對(duì)稱連接，ISFET和REFET的柵極由同一準(zhǔn)參比電極PRE進(jìn)行偏置，ISFET和REFET輸出端連接M1和M3跟隨放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的ISFET電流型信號(hào)差分電路，其特征在于，ISFET放大器和REFET放大器都是雙模式的集成ISFET信號(hào)放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的ISFET電流型信號(hào)差分電路，其特征在于，對(duì)ISFET放大器來說，雙模式的集成ISFET信號(hào)放大器中的Ma1是ISFET；而對(duì)REFET放大器來說，雙模式的集成ISFET信號(hào)放大器中的Ma1應(yīng)是REFET。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5或6的ISFET電流型信號(hào)差分電路，其特征在于，所謂REFET，就是與ISFET比較，REFET的柵極是由對(duì)離子反應(yīng)不敏感的薄膜材料組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及差分放大器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于雙模式的集成ISFET傳感器信號(hào)差分讀出電路。雙模式的集成ISFET信號(hào)放大器包括Ma1和Mb1組成的差分放大器，Ma2、Mb2和Mc組成自舉電路，M9，M8，M7，M2，M1電流鏡像電路，電流源I1a和I1b，I0。ISFET電流型信號(hào)差分電路包括ISFET放大器和REFET放大器，準(zhǔn)參比電極PRE，M1和M3構(gòu)成二個(gè)跟隨放大器。本發(fā)明適合處理高精度、具有較大動(dòng)態(tài)范圍的ISFET傳感器輸入信號(hào)。
文檔編號(hào)H03F3/45GK1797944SQ200410098990
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者楊海鋼, 魏金寶 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所