基于电流镜的三电极电化学CMOS恒电位仪的设计

基于电流镜的电化学CMOS恒电位仪的设计
陈坤1,孟丽娅1,赖小峰2,刘泽东1,胡大江1
(1.重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;
2. 中国航天科工集团○六一基地3405厂,贵阳550009
摘要:设计了一种基于电流镜的三电极电化学传感器CMOS恒电位仪电路,由控制运放、电流镜和单端输出的跨导放大器构成。

与传统的恒电位仪相比,该电路结构简单,减少了读出电路的功耗和版图面积,具有较宽的动态范围。

在CSMC 0.5um 2PTM CMOS工艺下,用Spectre仿真器对电路进行了模拟,仿真结果表明:传感电流范围由20pA到20uA,动态范围可达120dB。

关键词:电化学传感器,恒电位仪,电流镜,运算放大器
中图分类号:TN 492 文献标识码:A
Current-Mirror-Based CMOS potentiostats for
amperometric chemical sensors
CHEN Kun1,MENG Li-ya1, LAI Xiao-feng2, LIU Ze-dong1, HU Da-jiang1
(1. Key Laboratory of Optoelectronic Technology and System under the State Ministry of
Education,Chongqing University, Chongqing 400030, China
2. No.3405 Plant of 061 Base of China Aerospace Science and Industry Corporation,Guiyang
550009, China
Abstract:a CMOS potentiostat based on three-electrode amperometric chemical sensor is designed. The circuit is formed by the control amplifier, current-mirror and the single-ended OTA. Comparing with the traditional design, this structure has several advantages: the power consumption is lower, the layout area is smaller and the range of sensing current is wider. Simulation is carried out with 0.5 um CMOS process by Spectre emulator, the sensor range is from 20pA to 20uA.
Key words: amperometric chemical sensor;potentiostat;current-mirror;operation amplifier
0引言
电化学领域中经常要检测一些已知溶液中分析物的浓度,因此在对分析物进行检测时,需要对其产生的伴随信号进行分析。

一般情况下,所产生的伴随信号为电压信号或者电流信号,并且同被分析物的浓度成比例关系。

通过对所得的电压或电流信号进行数据对比,可以得到溶液中分析物的浓度值。

恒电位仪是电化学传感器的接口,其作用是将外部激励信号准确地施加于传感器上,驱动样品溶液发生电化学反应,并对产生的响应信号做相应的预处理(如信号转换、放大、滤波等。

恒电位仪的出现,不仅解决了电化学研究过程中因反应造成外部激励信号值偏离的问题,而且促进了电化学检测与分析领域的多元化发展[1]。

因此,恒电位仪在电化学检测系统构成中占据了至关重要的地位。

1三电极恒电位仪
本文采用电流型三电极电化学传感器恒电位仪。

三电极体系与两电极体系的主要区别在于:除工作电极和辅助电极之外,加入了参比电极。

三电极恒电位仪的优势在于: (1参比电极是非极化电极,有着稳定的电势,其作用是作为控制和测量工作电极电势的参照点。

而两电极体系只有工作电极和辅助电极,在测试中只能控制二者之间的电势差,并不能控制工作电极的电势。

(2三电极的参比电极紧靠工作电极,实
质是采用减小液间距离的方式来减小溶液电阻。

而两电极体系则是通过微小的电流来减小电阻。

当有电流流过时,引起二电极的辅助电极的电压
变化,进而使得引起工作电极电位的改变。

理想的三电极恒电位仪电路主要由运算放大器、三电极体系、溶液分析物和读出电阻四部分构成, 其结构如图1所示[3]。

其中三电极体系由工作电极(WE、参比电极(RE和辅助电极(CE构成。

工作电极的作用是在外加电位V bias 下,使待测溶液发生电化学反应,从而测定该电极上产生的电流;辅助电极和工作电极构成一个导通回路;而参比电极作为工作电极和辅助电极的基准电极[2]。

恒电位仪的作用是控制偏压V bias 通过CE 向溶液注入合适的电流,使WE 和RE 之间的电压差V cell 保持在需要的恒定电压上,如等式(1所示。

cell WE RE bias V V V V =-= (1
图1 电流型三电极电化学传感器恒电位仪
的原理图
Fig 1 Conceptual drawing of three electrode amperometric electrochemical sensor and
potentiostat
2安培型传感器等效电路模型
当V cell 达到分析物的氧化还原反应电压时,在WE 端产生氧化还原反应电流I r ,该电流与分析物的浓度成一定比例。

图2是安培型传感器的一个等效电路。

R S1和R S2是溶液的阻抗,C CE 和C WE 分别为WE 和CE 与待测溶液交界面处的电容。

R WE 是WE 的法拉第阻抗即传感器电荷转移时产生的电阻,其值如下:
/WE cell R R V I = (2
CE
W E
图2 电流传感器的等效电路模型
Fig2 Electrical model of an amperometric
sensor
3 CMOS 恒电位仪电路的设计 3.1 标准单端输出恒电位
典型的标准单端输出恒电位仪拓扑结构如图3所示。

电路输入信号V in 通过运放OP2控制CE 的电流,通过OP1构成的单位增益缓冲器得到RE 的电压。

由于OP1具有高输入阻抗,所以只有很小的电流流过RE 端,可以忽略。

最终,CE 端的电流流向WE ,WE 则通过OP3虚拟接地。

氧化还原反应电流信号I WE 由WE 端流出,通过电阻R2转换为输出电压信号V o [4]。

2O WE V I R =-⨯ (3
图3 标准的单端输出恒电位仪电路 Fig 3 The basic potentiostat circuit 3.2 基于电流镜的单端输出恒电位仪
Mohammad 于2004年提出了一种基于电流镜的三电极电化学恒电位仪电路的设计,直接采用电流镜来复制CE 端的电流,使得结构更加简单,具有较低的功耗,但电路的电流传感范围较小(1nA-200nA[4]-[5]。

本文提出的基于电流镜的三电极单端输出恒电位仪结构如图4所示,主要由控制电路和信号放大读出电路两部分组成。

控制部分使V cell 等于V bias ,并通过控制V bias 使V cell 维持在所需电压上;放大部分直接读出CE 端的电流,并将电流信号转换为电压信号。

图4单端恒电位仪框图
Figure 4 Block diagram of the single-ended
potentiostat
所设计的恒电位仪电路如图5所示。

该电路由控制运放,电流镜和单端输出的跨导放大器所组成。

控制运放控制RE 和CE 之间的电压,使其等于V bias ;电流镜复制CE 端的“传感电流”;单端输出的跨导运放进行I-V 转换。

在电流镜中,P 管M p1作共漏极,使Mp1的源端作为电路的输入端,则电路具有较低的输入阻抗,如等式4所示。

低输入阻抗使电路能接收到发生化学反应时所产生的大部分的传感电流,即使电路具有较宽的电流传感范围。

DF 为最基本的差分运放,增大了电路的输出阻抗,提高了增益,稳定输出电流。

1
1111
1
11op mn in mp op mp r g R g r g +≅≅
+⋅………………….(4 其中,1mp g 为P 管M p1的跨导,1mn g 为N 管M n1的跨导,1op r 为M p1的输出电阻。

在图5的跨导运算放大器部分中,为防止M p4管的栅漏电压V ds 随电流的变化而改变,所以M p5管必须要保持电流的恒定,因此M p5管的栅源电压V gs ,即使放大器的输入端电压保持恒定,进而使输出端电压能够
进行线性转换。

图5 基于电流镜的晶体管级单端恒电位仪 Fig 5 The transistor level of the single-ended
potentiostat based current-mirror
控制运算放大器(Control Op-Amp采用了折叠式共源共栅放大器。

放大器的结构如图7所示。

图7 折叠式共源共栅放大器 Fig 7 Folded-cascode OTA amplifier 4仿真结果
在CSMC 0.5um 2PTM CMOS 工艺下,采用Cadence 公司的Spectre 仿真器对电路进行模拟仿真,电源电压为3.3V 。

折叠式共源共栅运算放大器的仿真结果如图8所示。

放大器的直流增益约为80dB ,单位增益带宽可达
40MHz ,相位裕度为58︒
,功耗约为300 uW 。

仿真结果表明:该放大器具有直流增益高、单位增益带宽大、相位裕度佳、功耗较低等优点。

增益相位
频率/Hz
相位/(°
增益/d B
图8 运算放大器的仿真结果
Fig 8 Simulation result of operation amplifier
对恒电位仪电路进行DC 扫描,WE R 范围为:4
12
1010-Ω,输入输出的拟合曲线如图9所示,传感器的电流传感范围约20p 到
20uA ,即动态范围为120dB ,该恒电位仪具有较宽的动态响应范围。

10Io&Isensor 曲线
Vout 曲线
log
(log 电压/V
电流/A
电阻/Ω
图9 恒电位仪的传输特性曲线
Fig 9 Transfer characteristics of potentiostat 5结论
本文设计了一种基于电流镜的三电极电化学传感器CMOS 恒电位仪电路。

该电路的电流传感范围为:20pA~20uA ,动态范围达120dB 。

相比于标准的单端恒电位仪电路,该电路具有较高的动态范围和较低的功耗,更能够满足电化学检测系统的需要。

参考文献
[1] Mohammad M.Ahmadi, Graham A.Jullien .
Current-mirror-based potentiostats for thr- ee electrode amperometric electrochemic- al sensors[J].Transactions on Circuits and System. IEEE 2009, 56(7:1339-1348. [2] 钟海军, 邓少平.恒电位仪研究现状及基于恒电位仪的电化学检测系统的应用[J].分析仪器, 2009,(2:1-5.
[3] 胡茜,葛思擘,王伊卿,等.电化学气敏传感器的原理及其应用[J].仪器仪表与传感器,2007,(5:77-78
[4] P. Kim, N. Kohl, B. Hassler, et al. An elec- trochemical interface for integrated biose- nsors[J].Sensors. IEEE 2003, 19(2 1036- 1040
[5] L.Busoni, M.Carla, and nzi. A comp- arison between potentiostatic circuits with grounded work or auxiliary electrode [J]. Review of Scientific Instruments. 2002,
73(4:1921–1923.
[6] S. Martin, F. Gebara, B. Brown, et al. A Fully Differential Potentiostat[J]. Sensors. IEEE2009, 9(2:892-895.
作者简介:
陈坤(1986-,男,河南信阳人,2008年至今于重庆大学攻读仪器科学与技术硕士学位,主要研究方向为CMOS 集成电路及SOC 片上系统。