一种生物传感器前置放大电路设计与仿真图文Word格式.docx
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生物传感器;
前置放大电路;
仿真
中图分类号:
TN72217+1 文献标识码:
A 文章编号:
167128151(20080320342204
TheDesignandSimulationofaPreamplifierCircuitofBiosensorsLIUYangetal.
(CollageofEngineeringandTechnology,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China
Abstract:
Apreamplifierforamperebiosensorwasdesignedandsimulated.Itwasshowedthatthiskindofpreamplifiercandetectcurrentlevelequivalentto011nA.Itcanbeused,withgreatpotential,inthecircuitforimmunologicalbiosensor.Keywords:
Preamplifiercircuit;
Simulation;
Biosensors
生物传感器是以生物分子作为敏感元件的一类新兴传感器,将化学信号、热信号、光信号转化成电信号或者直接产生电信号予以放大输出,从而得到检测结果。
在应用生物传感器对抗原、抗体、结合变化进行研究时,往往得到的是微弱信号,可能是微安级甚至是纳安级的电流,最小值和最大值之间相差1000倍,其动态范围较大,为了对生物传感器输出的微弱电流信号进行处理和显示,必须首先将信号放大到所要求的强度。
免疫型生物传感器输出的微弱电流信号反映了抗原、抗体结合的重要信息,而前置放大电路是该类型生物传感器放大检测电路的核心。
因此本文探讨了关于生物传感器的前置放大电路的设计与仿真。
目的是为设计该类传感器电路探讨其可能性并为实际制作奠定良好的基础[1]。
1 设计思想
有一类生物传感器输出的信号是微弱电流信号,其干扰源来源广泛,主要有基底电流、噪声干扰、50Hz工频干扰、极化电压等。
由于干扰源的影响,生物传感器前置放大电路的放大倍数
不能过大,以免干扰信号淹没有用信号。
另外由于被测信号是生物体,其内阻可达几十千欧,乃至几百千欧,因此对生物传感器前置放大电路的设计有以下基本要求[2]:
1高输入阻抗;
2稳定的放大倍数;
3低噪声;
4高共模抑制比;
5低的输入失调电压和输入失调电流以及低
的漂移;
6线性好、精度高、成本低等。
2 电路设计
211 运算放大器的选择
由于被测信号是微弱的电流信号,放大容易引起电压和电流的失调,以及零点漂移、自激干扰等现象;
还有背景噪声、电路噪声、元器件噪声的影响。
上述这些因素对微弱信号放大器的精度、稳定度要求很高,这时普通的运算放大器和仪用放大器已经无法满足精度的要求。
最后选用集成运算放大器ICL7650。
ICL7650是Intersil公司利用动态校零技术和
先进的CMOS工艺制成的斩波稳零式高精度运算放大器。
电路设计技术和先进工艺研制成功的第四代集成运算放大器。
ICL7650除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外,还具有高增益、高共模抑制比、失调小和低漂移等特点。
特点如下:
输入阻抗:
1012Ω;
输入偏置电压平均温度系数:
0101uV・℃-1;
输入偏置电流:
<
10pA;
开环增益:
≥120dB;
转换速率:
215v・us-1;
单位增益带宽:
2MHz。
ICL7650利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移,从而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚,克服了传统斩波稳零放大器的这些缺点。
ICL7650的工作原理如图1所示。
图中,MAIN是主放大器(CMOS运算放大器,NULL是调零放大器(CMOS高增益运算放大器。
电路通过电子开关的转换来进行两个阶段工作,第一是在内部时钟(OSC的上半周期,电子开关A和B导通,A和C断开,电路处于误差检测和寄存阶段;
第二是在内部时钟的下半周期,电子开关A和C导通,A和B断开,电路处于动态校零和放大阶段。
图1 ICL7650内部原理图
Fig11 InnerprincipleofICL7650
由于ICL7650中的NULL运算放大器的增益ACAN一般设计在100dB左右,因此,即使主运放MAIN的失调电压VOSN达到100mV,整个电路
的失调电压也仅为1uV。
由于以上两个阶段不断交替进行,电容CN和CM将各自所寄存的上一阶段结果送入运放MAIN、NULL的调零端,这使得图1所示电路几乎不存在失调和漂移。
这个器件具有较高的工作稳定性和优良的高
精度放大性能。
所以常常被用在测量微弱信号的测量放大电路中[3]。
212 电路设计由于电流通常不能被直接测量,所以先要将电流转换为电压,生物传感器前置放大电路实际上就是电流
———电压转换电路。
电路中采用“采样电阻+电压放大器”将微弱的电流信号转换成了电压信号[4],其电路如图2所示。
图2 电流—电压转换电路
Fig12 Current—voltageconversioncircuit
生物传感器的换能器输出的电流信号IS经采样电阻R1取样,其R1两端的电压值为:
Vab=IS・R1
然后将Vab作为电压放大器的输入信号。
所以电压放大器的输出电压为:
Vout=(1+
R3
R2Vab其放大倍数A1为:
A1=1+
R3R2
这一级放大电路的放大倍数大约设在10倍左右。
但是实际上,考虑运算放大器不是理想的,其增益为有限值,选用的运放ICL7650增益A为
120dB,则电路的反馈深度为:
F=
R2+R3
根据负反馈放大器的增益计算公式可以得到该同相放大器的实际增益为:
A1
=A(1+AF=10
6
(1+106/10
=919999213 电路的噪声抑制与抗干扰设计
由于检测的是微弱的电流信号,必须有效地抑制噪声和干扰的影响。
首先,前置放大电路的噪声源主要是反馈电阻R2上的热噪声和放大器
3
4328(3刘洋:
的等效输入噪声。
其中系统的噪声电流更为重要。
本系统反馈电阻上的约翰逊噪声电流为:
δ2
n=4kTR2
式中,T为绝对温度;
k为玻尔兹曼常数。
当频率小于100Hz时,上式为系统主要噪声源。
为减小低频噪声,须加大反馈电阻。
例如当Rf=1MΩ时,噪声电流为pA级[5]。
影响系统的另一个噪声源是运算放大器的输入漏电流,为了减少这种漏电流,可以采用低噪声的高输入阻抗的IC器件。
另外,运放本身存在极间分布电容CP,因而前置放大电路的输出电压通过R2向C4充电产生噪声,在两端并联电容,使得:
R2×
C4=Rin×
Cp
式中,Rin为运放输入阻抗,这样就可以抵消因极间电容带来的噪声干扰。
同时为了消除外界电信号的干扰,采用屏蔽电缆驱动技术[6]。
对于电路噪声,电路使用的运算放大器为斩波稳零放大器ICL7650。
在对电路的调试过程中,为了消除电源带来的干扰,所以在放大器的正负电源引脚处接滤波电容。
3 电路参数的选取及仿真
311 主要参数的选取
在本电路设计中,由于生物传感器输出的信号是微弱的纳安级电流信号,所以在这里选取电阻R1为20MΩ的电阻,远远小于ICL7650的输入阻抗(1012Ω。
在实际测量中,前级放大电路的放大倍数不应太大,这样我们取R2为10kΩ,反馈电阻R3不应超过100kΩ,所以此前置放大电路的放大倍数为10倍左右。
312 电路仿真
在Multisim2001平台上搭建仿真电路图,电路如图3所示。
并设定相应参数进行仿真。
在仿真电路中采用交流电流信号源L1提供纳安级电流信号,频率为2kHz;
采样电阻R1取20MΩ。
采用直流电压源V1、V2(±
12V为放大器ICL7650供电。
其中电源滤波电容C6与C8(104pF在Multisim2001平台上用100pF代替。
仿真波形如图4所示。
此电路仿真的数据如表1所示,仿真数据线性分析的结果如图5所示
。
图3 仿真电路图
Fig13 Thecircuitfor
simulation
图4 仿真波形
Fig14 Simulatedwave
form
图5 线性分析的结果
Fig15 Diagramshowinglinearityof
inputandoutput
从仿真结果可看出此电路将生物传感器输出的微弱的电流信号转换成了电压信号,并将微弱的电压信号放大了10倍左右,另外还必须考虑到输入失调电流对测量的影响(输入偏置电流IB<
0101nA,因此测量基本能够达到011nA级。
443山西农业大学学报(自然科学版2008
输入电流(1~10nA与输出电压成正比,并具有较高的灵敏度。
表1 电流2电压转换电路的仿真数据
Tab11 Simulateddatabycurrent-voltageconversioncircuit
输入Enter
输出Output
输入电流
(nA频率
(kHzR1(MΩR1两端电压
理论值
(mV仿真值
(mV论放大倍数
仿真放大倍数
输出电压
(mV
仿真值
010*********
2
20
20010
1381640
11
101935
220010
15161000
4 结论
本文探讨了适合于生物传感器微弱电流信号
检测的微电流前置放大电路,并对此电路进行了仿真和分析,从仿真和分析结果可知此电路的设计有望把生物传感器输出的微弱电流信号转换成
适合后续电路处理的电压信号,从而能够检测生物传感器换能器中抗原抗体的结合事件。
本电路有很大的希望应用于实际的传感器的制造中。
此外,由本文可以看出,电路的仿真是一个强有力的技术,可以为电路的设计与实际制造提供有价值的信息,有助于减小电路成本和缩短研制时间。
参 考 文 献
[1]何星月,刘之景.生物传感器的应用[J].物理学和高新技术,2002,32(4:
2492252.[2]张国雄.测控电路[M].北京:
机械工业出版社,2006:
224.
[3]陈国杰,曹辉.高性能微电流集成放大器的设计[J].核电子学与探测技术,2005,25(3:
2432245.[4]张曙光,纪建伟,罗兴吾,等.检测技术[M].北京:
中国水利水电出版社,2003:
1252127.[5]朱震钧,王立元,王明时.生物电极微电流动态检测装置
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