一種帶驅動功能的電流電壓轉換器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電流電壓轉換器技術領域，是一種帶驅動功能的電流電壓轉換器。
【背景技術】
[0002] 為了檢測多種電化學傳感器輸出的微弱電流信號（nA-i!A量級)，需要采用高增益、 高線性度的電流電壓轉換電路，傳統的做法是采用運算放大器加一個反饋電阻構成電流 電壓轉換器，然而這種做法在檢測小電流（nA級）時，需要采用兆歐級以上的大電阻來 實現高增益，不但占用大量的硅片面積，同時還需在速度和穩定性間折衷。已有文獻報道 【參閱：MikkoSaukoski,LasseAaltonen,KariHalonen.FullyIntegratedCharge SensitiveAmplifierforReadoutofMicromechanicalCapacitiveSensors[C],IEEE InternationalSymposiumonCircuitsandSystems,May2005(6): 5377-5380】利用 工作在線性區的長溝道晶體管來替代無源電阻，通過控制此晶體管的柵電壓來調整等效電 阻，然而這種方法形成的有源電阻線性度會受到電路狀態的影響，長溝道晶體管的漏極電 壓隨著轉換后的電壓變化而變化，由于存在二級效應影響了等效的有源電阻值，從而限制 了可以檢測的電流范圍。大部分的電化學傳感器工作時首先要在電極上加上靜態的偏置電 壓(進行計時安培法測量)或是動態的掃描偏置電壓(進行循環伏安法測量)。為了將所需電 壓準確加在電極上，需要有相應的驅動電路，然而現有的電化學傳感器讀出電路大多針對 檢測電路展開【參閱：杜黎，電化學傳感器測試電路設計與實現，大連理工大學，碩士學位論 文，2009,頁6-頁15】，沒有將驅動電路集成到系統中。因此，有必要設計一種線性度良好、 低噪聲并且帶驅動功能的電流電壓轉換器作為傳感器輸出電流信號讀出的接口電路。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的是提供一種帶驅動功能的電流電壓轉換器，其線性度良好、噪聲低， 可以將傳感器輸出的微弱電流信號轉換為mV級以上的電壓信號，送給后續的模數轉換器 等電路進行處理。同時驅動電路將傳感器工作需要的偏置電壓加載到工作電極WE、參比電 極RE和輔助電極AE上。
[0004] 為了實現上述目的，本發明的技術方案如下： 一種帶驅動功能的電流電壓轉換器，包括用于接收處理傳感器信號的電流電壓轉換電 路，其特征在于：還包括用于為傳感器提供恒定偏置電壓或動態掃描偏壓的傳感器驅動電 路101 ;當待測物質進行化學反應時，所述傳感器驅動電路101保證傳感器參比電極RE和 工作電極WE之間的電壓差固定。
[0005] 優選的，所述傳感器驅動電路101包含第一放大器1、第二放大器2和電阻R1、R2 ; 所述第二放大器2的同相輸入端與傳感器參比電極RE連接，第二放大器2的反相輸入端和 輸出端短接形成單位增益放大器，同時第二放大器2的輸出端通過電阻R2連接到第一放大 器1的反相輸入端；偏置電壓VBAS通過電阻R1連接到第一放大器1的反相輸入端，第一放 大器1的同相輸入端接共模電平，輸出端連接傳感器輔助電極AE;所述第二放大器2檢測 參比電極RE和工作電極WE的電壓差，第一放大器1和電阻Rl、R2形成的反饋環路將此電 壓差加到輔助電極AE上，從而起到調節參比電極RE和工作電極WE之間電壓差的作用。
[0006] 優選的，所述電流電壓轉換電路包括兩條分別獨立工作的跨阻放大器通路11和 積分器通路12,將來自傳感器的輸出電流信號轉換為電壓信號。
[0007] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果： (1)本發明所述帶驅動功能的電流電壓轉換器，可以和傳感器集成在一個基片上，提供 傳感器工作所需偏壓的同時將傳感器輸出的微弱電流信號轉換為易于檢測的mV級以上電 壓信號，可作為接口芯片，用于微小型化的傳感器讀出系統。
[0008] (2)所述傳感器驅動電路能在待測物質發生化學反應時，可保持工作電極WE和參 比電極RE之間的電壓差不變，并通過此驅動電路將外加電壓VBAS加載到傳感器的電極上。
[0009] (3 )所述電流電壓轉換器既可以檢測直流電流信號，也可以檢測交流電流信號，根 據待測電流的大小選擇上述兩條轉換通路中的一條；檢測交流信號時，根據待測信號的頻 率，相應改變時鐘產生電路的分頻比，從而改變積分器的積分頻率和采樣保持電路的采樣 頻率，就可以保持相同的過采樣率。
[0010] (4)所述電流電壓轉換器，采用全定制方法設計，在一塊集成電路芯片上實現，通 過標準CMOS互補金屬氧化物半導體工藝制作。
[0011] (5)所述帶驅動能力的電流電壓轉換器，具有兩條信號轉換通路，檢測范圍廣，能 夠將InA到1mA之間的電流信號轉換為mV級以上的電壓信號，并能提供傳感器電極發生化 學反應時需要偏置電壓，具有高線性度、高集成度、低噪聲和低功耗的優點。可以與多種類 型傳感器單片集成在一起形成傳感器信號讀出的接口電路。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明所述傳感器驅動電路和電流電壓轉換器結構框圖； 圖2為采用本發明所述跨阻放大器電流轉換通路的掃描特性曲線圖； 圖3為采用本發明所述積分器電路對傳感器輸出電流積分的仿真結果圖； 圖4為采用本發明所述積分器電流轉換通路的掃描特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0013] 為方便本領域的技術人員理解，下面結合附圖和實施例對本發明做詳細介紹。
[0014] 如圖1所示，所述電流電壓轉換器由傳感器驅動電路101和電流電壓轉換電路構 成，傳感器驅動電路101包括第一放大器1、第二放大器2、電阻R1和電阻R2 ;電流電壓轉 換電路包括跨阻放大器102、積分器103、采樣保持電路104和時鐘產生電路105。傳感器驅 動電路101提供參比電極RE、工作電極WE和輔助電極AE上需要的電壓，外加電壓VBAS確 定了傳感器上所加電壓大小，VBAS可以是靜態電壓，也可以是動態掃描電壓。電流電壓轉 換電路將工作電極WE上流過的電流轉換成電壓，根據電流大小選擇跨阻放大器通路11或 是積分器通路12進行轉換，每條轉換通路都具有高線性度和低噪聲的特點。
[0015] 如圖1所示，傳感器工作電極WE不論接到跨阻放大器通路11還是積分器通路12， 其電壓均與共模電平相同，參比電極RE和工作電極WE的電壓差由接成單位增益放大器的 第二放大器2來檢測。同時，第一放大器1和電阻R1、R2形成反饋環路，將此電壓差加到輔 助電極AE上，從而起到調整參比電極RE和工作電極WE間電壓的作用。為了讓傳感器工作 起來，先要外加電壓VBAS，所加電壓值由待測物質產生氧化還原反應所需的電壓值確定，可 以是恒定電壓，也可以是掃描電壓，然后才可以檢測傳感器的輸出電流。由于參比電極RE 上不流過電流，所以流經工作電極WE上的電流均來自輔助電極AE，這樣也有助于保持參比 電極RE上的電壓穩定。