用于皮安级生物传感器测量的简易半共享跨阻放大器分析

DOI:10.1109/TBCAS.2019.2897287 期刊:IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems 出版年份:2019 更新时间:2026-01-09 18:45:12
摘要: 高灵敏度小电流检测在生物传感器应用中日益普及,包括体内多巴胺测量、单细胞电生理学、光电容积描记法、脉搏血氧测定和纳米孔记录等领域。因此,亟需可高度扩展的跨阻放大器设计方案。半共享放大器结构通过多个反相半部分共用运算放大器的同相端来提升扩展性,相比独立运算放大器方案,该设计能降低近一半的硅片面积与功耗。本文在分析简易半共享结构扩展性的同时,探究了增加共享同一同相端的反相半放大器数量时的性能权衡。基于此结构设计的跨阻放大器通过电容电流积分原理实现最小化单路放大器尺寸。由于该积分放大器处于非稳态(非定常电路),其噪声分析具有挑战性,为此我们提出频域转换方法用于仿真中的噪声特性评估。采用标准0.35μm工艺制备的1024通道跨阻放大器阵列实测验证了上述分析:该阵列在高增益模式(7.00 mV/pA)和低增益模式(0.86 mV/pA)下均呈现优异线性度,全阵列1024通道间失配仅1.65 mV,且具备极低噪声特性。该技术对实现更大规模阵列制造至关重要,将为生物传感器应用提供更高通量的检测工具。
作者: Geoffrey Mulberry,Kevin A. White,Brian N. Kim
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研究概述 实验方案 设备清单

分析一种简单的半共享跨阻放大器结构在皮安级生物传感器测量中的可扩展性,研究增加共享单个非反相半部分的反相半放大器数量的权衡关系,并设计测试此类放大器阵列以验证分析结果。

半共享跨阻放大器阵列展现出高线性增益(高增益模式为7.00 mV/pA,低增益模式为0.86 mV/pA)、低失配度(1024个放大器间仅1.65 mV差异)及极低噪声特性,验证了理论分析的准确性。该技术对实现更大规模阵列及更高通量生物传感器测量工具至关重要。

由于积分放大器电路具有非平稳特性且未达到稳态,噪声分析颇具挑战性。随着共享反相半电路数量的增加,其可扩展性权衡可能会对性能或设计复杂度造成限制。

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