基于电流镜的电化学CMOS恒电位仪的设计.pdf

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1、2011年第30卷第5期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)107基于电流镜的电化学CMOS恒电位仪的设计陈坤，孟丽娅，赖小峰，刘泽东，胡大江(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，贵州贵阳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

2、面积，具有较宽的动态范围。在CSMC0．5p．m2PTMCMOS工艺下，用Spectre仿真器对电路进行了模拟，仿真结果表明：传感电流范围为20pA-20p．A，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：TN492文献标识码：A文章编号：1000-9787(2011)O5-0107-03Design0fcurrent-mirror．basedCMoSpotentiostatf0ramDerometricCIIemlCaISenS0rSCHENKun，ME

3、NGLi—ya，LAIXiao．feng，LIUZe．dong，HUDa-jiang(1．KeyLaboratoryforOptoelectronicTechnologyandSystemoftheMinistryofEducation，ChongqingUniversity，Chongqing400030，China；2．No．3405Plantof061BaseofChinaAerospaceScienceandIndustryCorporation，Guiyang550009，China)A

4、bstract：ACMOSpotentiostatbasedonthree—electrodeamperometricchemicalsensorisdesigned．Thecircuitisformedbythecontrolamplifier，current—minorandthesingle—endedOTA．Comparedwiththetraditionaldesign，thisstructurehasseveraladvantages，forexamplethepowerconsump

5、tionislower，thelayoutareaissmallerandtherangeofsensingcurentiswider．Simulationiscarriedoutwith0．5I．LmCMOSprocessbySpectreemulator，thecurrent—sensingrangeisfrom20pA～20tLA．Dynamicrangeis120dB．Keywords：amperometricchemicalsensor；potentiostat；current—maIl

6、'or；operationamplifier0引言1三电极恒电位仪电化学领域中经常要检测一些已知溶液中分析物的浓本文采用电流型三电极电化学传感器恒电位仪。三电度，因此，在对分析物进行检测时，需要对其产生的伴随信极体系与两电极体系的主要区别在于：除工作电极和辅助号进行分析。一般情况下，所产生的伴随信号为电压信号电极之外，加入了参比电极。三电极恒电位仪的优势在于：或者电流信号，并且同被分析物的浓度成比例关系。通过1)参比电极是非极化电极，有着稳定的电势，其作用是作对所得的电压或电流信号进行数据对比，可

7、以得到溶液中为控制和测量工作电极电势的参照点。而两电极体系只有分析物的浓度值。工作电极和辅助电极，在测试中只能控制二者之间的电势恒电位仪是电化学传感器的接口，其作用是将外部激差，并不能控制工作电极的电势；2)三电极的参比电极紧励信号准确地施加于传感器上，驱动样品溶液发生电化学靠工作电极，实质是采用减小液间距离的方式来减小溶液反应，并对产生的响应信号做相应的预处理(如，信号转电阻。而两电极体系则是通过微小的电流来减小电阻。当换、放大、滤波等)。恒电位仪的出现，不仅解决了电化学有电流流过时，引起二电极

8、的辅助电极的电压变化，进而使研究过程中因反应造成外部激励信号值偏离的问题，而得引起工作电极电位的改变。且，促进了电化学检测与分析领域的多元化发展。因理想的三电极恒电位仪电路主要由运算放大器、三电此，恒电位仪在电化学检测系统构成中占据了至关重要的极体系、溶液分析物和读出电阻四部分构成，其结构如图1地位。所示。其中三电极体系由工作电极(WE)、参比电极(RE)收稿日期：2010-09-08108传感器与微系统第3O卷和辅助电极(CE)构成。工作电极的作用是在外加电位i。下，使待测溶液发