单片集成式电化学测试系统电路的研究

论文摘要

随着集成电路工艺和设计的发展,基于微电子技术的化学分析和生物医疗的研究已经成为目前生化研究的主流,并且可望为化学分析和生物科技技术带来全面性的发展。芯片实验室（Lab-on-a-Chip, LOC）是以芯片为平台的微全分析系统（Micro Total Analysis System,μTAS）,它把生物和化学等领域所涉及的样品制备、生化反应和分析过程等基本操作所需要的“实验室”集成到一块几平方厘米的芯片上。单片集成式电化学测试系统是芯片实验室的关键技术之一,而恒电位仪电路是电化学测试系统的常用组成部分。本文研究了基于三电极恒电位仪的单片集成式电学化测试系统的电路,为进一步研究相关的芯片实验室的工作打下了基础。论文在查阅大量国内外微电极原理和化学反应特性的相关文献的基础上,针对微电极与待测溶液发生氧化还原反应时所产生的与溶液浓度成正比的电流信号,选取了合适的微电极等效电路模型。针对电化学的微弱电流信号,采用了电流式电化学测试方法。论文采用了新型的恒电位仪结构来保持参比电极和工作电极之间的电压恒定,与传统三电极恒电位仪相比,电路结构简单,并直接读出CE端的电流。该恒电位仪结构基于电流镜电路,拥有良好的输出电流、电压之间的线性转换和较宽的电流感应范围。采用Cadence软件对恒电位仪电路进行仿真,仿真结果表明该电路具有较宽的电流感应范围（20pA 20uA）。在参考了恒电位仪的输入电压范围基础上,设计了可编程激励信号部分中的数模转换器DAC。DAC的分辨率为10位,采用了分段式结构,高六位（b9b4）采用了温度计码DAC,低四位（b3b0）采用了二进制码DAC。在高六位部分,采用了两组三七译码器,分别作为高六位中的行解码器（b9b7）和列解码器（b7b4）,并通过单位解码器组成高六位的温度计码解码电路;在电流源的开关部分,采用了在开关MOS管后串接一个缓冲管用以减小电路毛刺。在Cadence仿真下表明:该DAC具有良好的模数转换功能,输出电流范围为010mA,微分非线性误差（DNL）和积分非线性误差（INL）分别约为0.7LSB和0.8LSB,建立时间约为2ns。最后,对整个系统进行了版图设计,并进行了DRC和LVS验证。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究的主要内容
• 2 CMOS 恒电位仪
• 2.1 电化学分析原理
• 2.2 电流式恒电位仪结构
• 2.3 简单的电极等效电路模型
• 2.4 CMOS 恒电位仪电路的设计
• 2.4.1 标准三电极恒电位仪结构
• 2.4.2 基于电流镜的恒电位仪结构
• 2.4.3 恒电位仪的电路设计
• 2.4.4 控制Op-amp
• 2.4.5 仿真结果
• 3 片上激励信号转换器 DAC 的设计
• 3.1 DAC 的主要性能指标
• 3.1.1 静态性能指标
• 3.1.2 动态性能指标
• 3.2 DAC 的种类
• 3.2.1 电压型DAC
• 3.2.2 开关电容型DAC
• 3.2.3 电流型DAC
• 3.2.4 温度计码DAC
• 3.3 10 位DAC 电路结构的选取
• 3.4 10 位DAC 电路的设计
• 3.4.1 6 位温度计码DAC
• 3.4.2 温度计编码电路
• 3.4.3 CMOS 差分开关的设计
• 3.4.4 单位电流源电路的设计
• 3.4.5 DAC 中单位电流源完整电路
• 3.5 DAC 的仿真
• 3.5.1 低四位和高六位的仿真
• 3.5.2 10 位DAC 的仿真
• 3.5.3 DNL 和INL
• 3.5.4 DAC 的建立时间
• 3.5.5 DAC 的功耗
• 3.6 电化学测试系统电路的仿真
• 4 版图设计
• 4.1 恒电位仪的版图设计
• 4.2 片上激励信号转换器的版图设计
• 4.2.1 DAC 电路版图的整体布局
• 4.2.2 电流源设计
• 4.2.3 温度计码电流源版图
• 4.2.4 温度计码编码电路版图
• 4.2.5 单片集成式电化学感测系统电路的整体版图
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录