一種生物傳感器前置放大電路設(shè)計(jì)與仿真

1、J 1SHANXI AGRIC 1UNIV 1(N at ural S cience Edition 學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2008,28(3002419收稿日期:2007204220修回日期:2007207210作者簡介:劉洋(19792,女(漢,遼寧營口人,在讀碩士,主要從事生物傳感器方面的研究。通訊作者:左月明,教授,博士生導(dǎo)師。Tel :035426288430,E 2mail :zyueming88yahoo 1com 1cn一種生物傳感器前置放大電路設(shè)計(jì)與仿真劉洋,楊威,王佩華,左月明(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,山西太谷030801摘要:對(duì)一種適用于電流型生物傳感器的前置放大電路進(jìn)行了設(shè)

2、計(jì),并對(duì)其進(jìn)行了模擬仿真,結(jié)果表明該前置放大電路能夠測量達(dá)到011nA 級(jí)的微弱電流信號(hào),具有極大的希望被應(yīng)用于免疫型生物傳感器的實(shí)際電路中。關(guān)鍵詞:生物傳感器;前置放大電路;仿真中圖分類號(hào):TN72217+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):167128151(20080320342204The Design and Simulation of a Preamplif ier Circuit of Biosensors LI U Y ang et al.(Collage of Engineering and Technology ,S hanx i A g ricultural Universit

3、y ,Tai gu S hanx i 030801,China Abstract :A preamplifier for ampere biosensor was designed and simulated.It was showed that this kind of preamplifier can detect current level equivalent to 011nA.It can be used ,with great potential ,in the circuit for immunological biosensor.K ey w ords :Preamplifie

4、r circuit ;Simulation ;Biosensors生物傳感器是以生物分子作為敏感元件的一類新興傳感器,將化學(xué)信號(hào)、熱信號(hào)、光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)或者直接產(chǎn)生電信號(hào)予以放大輸出,從而得到檢測結(jié)果。在應(yīng)用生物傳感器對(duì)抗原、抗體、結(jié)合變化進(jìn)行研究時(shí),往往得到的是微弱信號(hào),可能是微安級(jí)甚至是納安級(jí)的電流,最小值和最大值之間相差1000倍,其動(dòng)態(tài)范圍較大,為了對(duì)生物傳感器輸出的微弱電流信號(hào)進(jìn)行處理和顯示,必須首先將信號(hào)放大到所要求的強(qiáng)度。免疫型生物傳感器輸出的微弱電流信號(hào)反映了抗原、抗體結(jié)合的重要信息,而前置放大電路是該類型生物傳感器放大檢測電路的核心。因此本文探討了關(guān)于生物傳感器的前置放大

5、電路的設(shè)計(jì)與仿真。目的是為設(shè)計(jì)該類傳感器電路探討其可能性并為實(shí)際制作奠定良好的基礎(chǔ)1。1設(shè)計(jì)思想有一類生物傳感器輸出的信號(hào)是微弱電流信號(hào),其干擾源來源廣泛,主要有基底電流、噪聲干擾、50Hz 工頻干擾、極化電壓等。由于干擾源的影響,生物傳感器前置放大電路的放大倍數(shù)不能過大,以免干擾信號(hào)淹沒有用信號(hào)。另外由于被測信號(hào)是生物體,其內(nèi)阻可達(dá)幾十千歐,乃至幾百千歐,因此對(duì)生物傳感器前置放大電路的設(shè)計(jì)有以下基本要求2:1高輸入阻抗;2穩(wěn)定的放大倍數(shù);3低噪聲;4高共模抑制比;5低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移;6線性好、精度高、成本低等。2電路設(shè)計(jì)211運(yùn)算放大器的選擇由于被測信號(hào)是微弱的電流

6、信號(hào),放大容易引起電壓和電流的失調(diào),以及零點(diǎn)漂移、自激干擾等現(xiàn)象;還有背景噪聲、電路噪聲、元器件噪聲的影響。上述這些因素對(duì)微弱信號(hào)放大器的精度、穩(wěn)定度要求很高,這時(shí)普通的運(yùn)算放大器和儀用放大器已經(jīng)無法滿足精度的要求。最后選用集成運(yùn)算放大器ICL7650。ICL7650是Intersil 公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和先進(jìn)的CMOS 工藝制成的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)算放大器。電路設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)工藝研制成功的第四代集成運(yùn)算放大器。ICL7650除了具有普通運(yùn)算放大器的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍外,還具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小和低漂移等特點(diǎn)。特點(diǎn)如下:輸入阻抗:1012;輸入偏置電壓平均溫度系數(shù):0101uV -1;

7、輸入偏置電流:<10pA ;開環(huán)增益:120dB ;轉(zhuǎn)換速率:215v us -1;單位增益帶寬:2M Hz 。ICL7650利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)消除了CMOS 器件固有的失調(diào)和漂移,從而擺脫了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零電路的束縛,克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的這些缺點(diǎn)。ICL7650的工作原理如圖1所示。圖中,MA IN 是主放大器(CMOS 運(yùn)算放大器,NULL 是調(diào)零放大器(CMOS 高增益運(yùn)算放大器。電路通過電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行兩個(gè)階段工作,第一是在內(nèi)部時(shí)鐘(OSC 的上半周期,電子開關(guān)A 和B 導(dǎo)通,A 和C 斷開,電路處于誤差檢測和寄存階段; 第二是在內(nèi)部時(shí)鐘的下半周期,電子開關(guān)A 和C 導(dǎo)通,A

8、 和B 斷開,電路處于動(dòng)態(tài)校零和放大階段。圖1ICL7650內(nèi)部原理圖Fig 11Inner principle of ICL7650由于ICL7650中的NULL 運(yùn)算放大器的增益A CAN 一般設(shè)計(jì)在100dB 左右,因此,即使主運(yùn)放MA IN 的失調(diào)電壓V OSN 達(dá)到100mV ,整個(gè)電路的失調(diào)電壓也僅為1uV 。由于以上兩個(gè)階段不斷交替進(jìn)行,電容C N 和C M 將各自所寄存的上一階段結(jié)果送入運(yùn)放MA IN 、NULL 的調(diào)零端,這使得圖1所示電路幾乎不存在失調(diào)和漂移。這個(gè)器件具有較高的工作穩(wěn)定性和優(yōu)良的高精度放大性能。所以常常被用在測量微弱信號(hào)的測量放大電路中3。212電路設(shè)計(jì)由于

9、電流通常不能被直接測量,所以先要將電流轉(zhuǎn)換為電壓,生物傳感器前置放大電路實(shí)際上就是電流 電壓轉(zhuǎn)換電路。電路中采用“采樣電阻+電壓放大器”將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電壓信號(hào)4,其電路如圖2所示。圖2電流電壓轉(zhuǎn)換電路Fig 12Current voltage conversion circuit生物傳感器的換能器輸出的電流信號(hào)I S 經(jīng)采樣電阻R 1取樣,其R 1兩端的電壓值為:V ab =I S R 1然后將V ab 作為電壓放大器的輸入信號(hào)。所以電壓放大器的輸出電壓為:V out =(1+R 3R 2V ab 其放大倍數(shù)A 1為:A 1=1+R 3R 2這一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)大約設(shè)在10倍左右

10、。但是實(shí)際上,考慮運(yùn)算放大器不是理想的,其增益為有限值,選用的運(yùn)放ICL7650增益A 為120dB ,則電路的反饋深度為:F =R 3R 2+R 3根據(jù)負(fù)反饋放大器的增益計(jì)算公式可以得到該同相放大器的實(shí)際增益為:A 1=A (1+A F =106(1+106/10=919999213電路的噪聲抑制與抗干擾設(shè)計(jì)由于檢測的是微弱的電流信號(hào),必須有效地抑制噪聲和干擾的影響。首先,前置放大電路的噪聲源主要是反饋電阻R 2上的熱噪聲和放大器34328(3劉洋:一種生物傳感器前置放大電路設(shè)計(jì)與仿真的等效輸入噪聲。其中系統(tǒng)的噪聲電流更為重要。本系統(tǒng)反饋電阻上的約翰遜噪聲電流為:2n=4k T R2式中,T

11、為絕對(duì)溫度;k為玻爾茲曼常數(shù)。當(dāng)頻率小于100Hz時(shí),上式為系統(tǒng)主要噪聲源。為減小低頻噪聲,須加大反饋電阻。例如當(dāng)R f=1M時(shí),噪聲電流為pA級(jí)5。影響系統(tǒng)的另一個(gè)噪聲源是運(yùn)算放大器的輸入漏電流,為了減少這種漏電流,可以采用低噪聲的高輸入阻抗的IC器件。另外,運(yùn)放本身存在極間分布電容C P,因而前置放大電路的輸出電壓通過R2向C4充電產(chǎn)生噪聲,在兩端并聯(lián)電容,使得:R2×C4=R in×C p式中,R in為運(yùn)放輸入阻抗,這樣就可以抵消因極間電容帶來的噪聲干擾。同時(shí)為了消除外界電信號(hào)的干擾,采用屏蔽電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)6。對(duì)于電路噪聲,電路使用的運(yùn)算放大器為斬波穩(wěn)零放大器ICL7

12、650。在對(duì)電路的調(diào)試過程中,為了消除電源帶來的干擾,所以在放大器的正負(fù)電源引腳處接濾波電容。3電路參數(shù)的選取及仿真311主要參數(shù)的選取在本電路設(shè)計(jì)中,由于生物傳感器輸出的信號(hào)是微弱的納安級(jí)電流信號(hào),所以在這里選取電阻R1為20M的電阻,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ICL7650的輸入阻抗(1012。在實(shí)際測量中,前級(jí)放大電路的放大倍數(shù)不應(yīng)太大,這樣我們?nèi)2為10k,反饋電阻R3不應(yīng)超過100k,所以此前置放大電路的放大倍數(shù)為10倍左右。312電路仿真在Multisim2001平臺(tái)上搭建仿真電路圖,電路如圖3所示。并設(shè)定相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行仿真。在仿真電路中采用交流電流信號(hào)源L1提供納安級(jí)電流信號(hào),頻率為2k Hz;采

13、樣電阻R1取20M。采用直流電壓源V1、V2(±12V為放大器ICL7650供電。其中電源濾波電容C6與C8 (104p F在Multisim2001平臺(tái)上用100p F代替。仿真波形如圖4所示。此電路仿真的數(shù)據(jù)如表1所示,仿真數(shù)據(jù)線性分析的結(jié)果如圖5所示 。圖3仿真電路圖Fig13The circuit for simulation圖4仿真波形Fig14Simulated wave form圖5線性分析的結(jié)果Fig15Diagram showing linearity ofinput and output從仿真結(jié)果可看出此電路將生物傳感器輸出的微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電壓信號(hào),并將微

14、弱的電壓信號(hào)放大了10倍左右,另外還必須考慮到輸入失調(diào)電流對(duì)測量的影響(輸入偏置電流I B< 0101nA,因此測量基本能夠達(dá)到011nA級(jí)。443山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2008輸入電流(110nA 與輸出電壓成正比,并具有較高的靈敏度。表1電流2電壓轉(zhuǎn)換電路的仿真數(shù)據(jù)T ab 11Simulated data by current -voltage conversion circuit輸入Enter輸出Out put輸入電流(nA 頻率(k Hz R1(M R1兩端電壓理論值(mV 仿真值(mV 論放大倍數(shù)仿真放大倍數(shù)輸出電壓理論值(mV 仿真值(mV 0101220012011

15、39111019352121151601102202101138611101936221015115711002202010131864111019322201015115701010022020010138164011101935220010151610004結(jié)論本文探討了適合于生物傳感器微弱電流信號(hào)檢測的微電流前置放大電路,并對(duì)此電路進(jìn)行了仿真和分析,從仿真和分析結(jié)果可知此電路的設(shè)計(jì)有望把生物傳感器輸出的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合后續(xù)電路處理的電壓信號(hào),從而能夠檢測生物傳感器換能器中抗原抗體的結(jié)合事件。本電路有很大的希望應(yīng)用于實(shí)際的傳感器的制造中。此外,由本文可以看出,電路的仿真是一個(gè)強(qiáng)有力的

16、技術(shù),可以為電路的設(shè)計(jì)與實(shí)際制造提供有價(jià)值的信息,有助于減小電路成本和縮短研制時(shí)間。參考文獻(xiàn)1何星月,劉之景.生物傳感器的應(yīng)用J .物理學(xué)和高新技術(shù),2002,32(4:2492252.2張國雄.測控電路M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:224.3陳國杰,曹輝.高性能微電流集成放大器的設(shè)計(jì)J .核電子學(xué)與探測技術(shù),2005,25(3:2432245.4張曙光,紀(jì)建偉,羅興吾,等.檢測技術(shù)M .北京:中國水利水電出版社,2003:1252127.5朱震鈞,王立元,王明時(shí).生物電極微電流動(dòng)態(tài)檢測裝置J .測量技術(shù),2000,19(6:20221.6嚴(yán)戚義.測量系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)J .儀表技術(shù),1996(6:17219.(上接第341頁I7=imcomplement (I4I8=imextendedmin (I7,22I9=imimpo semin (I7,I8wat =watershed (I923特征量提取本文主要目的是利用Matlab 實(shí)現(xiàn)煤粒數(shù)據(jù)檢測,因此需要從已分割的煤粒中提取特征量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測,程序如下:labeled ,numObject s =bwlabel (I ,4;graindata =regionprop s (labele