一種帶驅動功能的電流電壓轉換器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種帶驅動功能的電流電壓轉換器,包含傳感器驅動電路和電流電壓轉換電路，傳感器驅動電路包括第一放大器、第二放大器和電阻R1、R2。傳感器驅動電路可以保證當電極上進行氧化還原反應時，參比電極RE和工作電極WE之間的電壓差固定，并且根據傳感器工作原理和測量方法不同加載恒定電壓或是掃描電壓到傳感器電極。電流電壓轉換電路包含跨阻放大器、積分器、采樣保持電路和時鐘產生電路，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。本實用新型所述電流電壓轉換器具有高線性度、高集成度、低噪聲和低功耗的優點，可以同多種類型傳感器單片集成在一起形成傳感器讀出接口電路。
【專利說明】-種帶驅動功能的電流電壓轉換器
【技術領域】
[0001] 本實用新型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（ηΑ- μ 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（ηΑ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：Mikko Saukoski, Lasse Aaltonen, Kari Halonen. Fully Integrated Charge Sensitive Amplifier for Readout of Micromechanical Capacitive Sensors[C], IEEE International Symposium on Circuits and Systems, May 2005(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。 實用新型內容
[0003] 本實用新型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，本實用新型的技術方案如下：
[0005] -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。
[0006] 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Rl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RU 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。
[0007] 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。
[0008] 與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果：
[0009] (1)本實用新型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。
[0010] (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。
[0011] (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。
[0012] (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。
[0013] (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ImA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。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1為本實用新型所述傳感器驅動電路和電流電壓轉換器結構框圖；
[0015] 圖2為采用本實用新型所述跨阻放大器電流轉換通路的掃描特性曲線圖；
[0016] 圖3為采用本實用新型所述積分器電路對傳感器輸出電流積分的仿真結果圖； [0017]圖4為采用本實用新型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】
[0018] 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實用新型做詳細介 紹。
[0019] 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Rl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。
[0020] 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。
[0021] 如圖1所示，電流電壓轉換電路中存在兩條電流信號轉換通路：跨阻放大器通路 11用于檢測大的直流或交流電流（1 μ A到ImA);積分器通路12用于檢測小的直流或交流電 流（In A到ΙμΑ)。兩條電流轉換通路交替工作，轉換后的電壓信號送到后續模數轉換器等 電路進行處理。當跨阻放大器通路11工作時，可以關閉積分器通路，反之亦然，有效降低了 電路功耗。跨阻放大器102中采用IM Ω以下的電阻做反饋電阻，既能滿足檢測1 μ A到ImA 間電流的需求，也可降低電阻引入的熱噪聲。時鐘產生電路105產生兩相不交疊時鐘Clkl 和Clk2,所有開關均采用傳輸門實現，避免了單獨采用NMOS管或是PMOS管做開關時的閾值 損失現象，同時有效降低了在整個工作電壓范圍內開關導通電阻的變化，第一開關21、第三 開關23、第五開關25、第七開關26由時鐘Clk2控制，第二開關22、第四開關24、第六開關 26、第八開關28由時鐘Clkl控制。積分器103在積分器通路12輸入端和共模電平之間用 時鐘Clk2控制的第一開關21相連、積分器通路12輸入端和第二運放4的反相輸入端之間 用時鐘Clkl控制的第二開關22相連，其作用在于當時鐘Clk2控制的第一開關21閉合時， 輸入電流可以泄放到共模電平，同時積分器103進行復位，第二運放4的反相輸入端與輸出 相連，由于虛短，電壓值與同相輸入端電壓值相同，均為共模電平。當時鐘Clkl控制的第二 開關22閉合時，輸入電流流過積分電容C itg,進行積分。采樣保持電路104包括第三運放5， 電容Cl、電容C2,采樣保持電路104和積分器103采用同頻同相的時鐘信號，將積分電壓進 行采樣保持后送到輸出。
[0022] 1.跨阻放大器通路
[0023] 電流信號轉換通路1中跨阻放大器102的增益由跨接在第一運放3反相輸入端和 輸出端的可變電阻R決定，輸出電壓與輸入電流關系如1式所不：
[0024] F0 (1)
[0025] 如果用跨阻放大器102檢測小電流（μ A級以下)，需要采用較大可變電阻（ΜΩ級 以上)，這樣將占用大量的硅片面積、引入較大的電阻產生的熱噪聲，同時還需在速度和穩 定性間折衷，降低了電路可靠性。所以在本實用新型中，采用跨阻放大器102檢測1 μ A到 ImA范圍內的交/直流電流，此時可變電阻R只需從1ΚΩ到1ΜΩ變化。從1式可以看出， 輸出電壓與輸入電流Iin和可變電阻R成線性關系。
[0026] 2.積分器通路
[0027] 積分器通路中包含積分器103、采樣保持電路104和時鐘產生電路105。當傳感器 工作電極WE和積分器通路輸入端相連時，積分器103將傳感器的輸出電流轉換為電壓信 號。如圖1所示，積分器通路采用兩相非交疊時鐘Clkl和Clk2,當時鐘Clk2為高時，Clk2 控制的第一開關21和第三開關23閉合，積分器進行復位，第二運放4的輸出端與反相輸入 端相連，輸出端電壓和反相輸入端電壓與同相輸入端電壓相同，均為共模電平，此時輸入電 流不流入積分電容CitgJJ是流到共模電平。當時鐘Clkl為高時，Clkl控制的第二開關22 閉合，輸入電流流過積分電容Cit#進行充電，積分器處于積分狀態。在Clkl由高向低跳變 的時刻，積分器的輸出電壓如2式所不：
【權利要求】
1. 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。
2. 根據權利要求1所述帶驅動功能的電流電壓轉換器，其特征在于：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R1、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。
3. 根據權利要求1所述帶驅動功能的電流電壓轉換器，其特征在于：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。
4. 根據權利要求3所述帶驅動功能的電流電壓轉換器，其特征在于：所述跨阻放大器 通路（11)包括第一運放（3)和可變電阻R;所述運放的同相輸入端接共模電平，反相輸入端 與傳感器連接，可變電阻R跨接在運放的反相輸入端和輸出端。
5. 根據權利要求4所述的帶驅動功能的電流電壓轉換器，其特征在于：所述可變電阻R 變化范圍為1KQ到1MQ。
6. 根據權利要求3所述帶驅動功能的電流電壓轉換器，其特征在于：所述積分器通路 包括積分器（103)、采樣保持電路（104)和時鐘產生電路（105)，傳感器的輸出電流通過積 分器（103)轉換為積分電壓后，再通過采樣保持電路（104)進行采樣保持；時鐘產生電路 (105)將外界輸入的基準時鐘信號分頻處理后產生積分器（103)和采樣保持電路（104)需 要的各相時鐘。
7. 根據權利要求6所述帶驅動功能的電流電壓轉換器，其特征在于：所述時鐘產生電 路（105)產生兩相非交疊時鐘。
8. 根據權利要求6所述帶驅動功能的電流電壓轉換器，其特征在于：所述積分器（103) 包括第一開關（21)、第二開關（22)、第三開關（23)和第二運放（4)、積分電容Cit#;傳感器 信號通過時鐘信號Clk2控制的第一開關（21)連接至第二運放（4)的反相輸入端，Clkl控制 的第二開關（22)-端連接傳感器輸入信號端，一端連接共模電平，第二運放（4)同相輸入 端與共模電平相連；第二運放（4)反相輸入端和輸出端之間跨接積分電容Cit#和時鐘Clk2 控制的第三開關（23)。
9. 根據權利要求6所述帶驅動功能的電流電壓轉換器，其特征在于：所述采樣保持電 路包括第四開關（24)、第五開關（25)、第六開關（26)、第七開關（27)、第八開關（28)、電容 C1、電容C2、第三運放（5);積分器（103)輸出端信號依次通過時鐘Clkl控制的第四開關 (24)、電容C1、的通過時鐘Clk2控制的第七開關（27)接入第三運放（5)的反相輸入端；電 容C1兩端分別通過受時鐘Clk2控制的第五開關（25)、受時鐘Clkl控制的第六開關（26) 與共模電平相連；電容C2和時鐘Clkl控制的第八開關（28)并聯，跨接在第三運放（5)的 反相輸入端和輸出端，同時第三運放（5)的同相輸入端與共模電平相連。
10. 根據權利要求9所述帶驅動功能的電流電壓轉換器，其特征在于：所述電容Cl、C2 容值相同。
11. 根據權利要求9所述帶驅動功能的電流電壓轉換器，其特征在于：第一至第八開關 均采用傳輸門實現。
【文檔編號】G01R15/14GK204214938SQ201420751874
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年12月4日 優先權日:2014年12月4日
【發明者】陳敏, 李志超 申請人:深圳市德賽微電子技術有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
