一种生物传感器前置放大电路设计与仿真

1、J 1SHANXI AGRIC 1UNIV 1(N at ural S cience Edition 学报(自然科学版2008,28(3002419收稿日期:2007204220修回日期:2007207210作者简介:刘洋(19792,女(汉,辽宁营口人,在读硕士,主要从事生物传感器方面的研究。通讯作者:左月明,教授,博士生导师。Tel :035426288430,E 2mail :zyueming88yahoo 1com 1cn一种生物传感器前置放大电路设计与仿真刘洋,杨威,王佩华,左月明(山西农业大学工程技术学院,山西太谷030801摘要:对一种适用于电流型生物传感器的前置放大电路进行了设

2、计,并对其进行了模拟仿真,结果表明该前置放大电路能够测量达到011nA 级的微弱电流信号,具有极大的希望被应用于免疫型生物传感器的实际电路中。关键词: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(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

5、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

6、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:1012;输入偏置电压平均温度系数:0101uV -1;

7、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:2M Hz 。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,MA IN 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

8、 和B 断开,电路处于动态校零和放大阶段。图1ICL7650内部原理图Fig 11Inner principle of ICL7650由于ICL7650中的NULL 运算放大器的增益A CAN 一般设计在100dB 左右,因此,即使主运放MA IN 的失调电压V OSN 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C N 和C M 将各自所寄存的上一阶段结果送入运放MA IN 、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

9、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Fig 12Current voltage conversion circuit生物传感器的换能器输出的电流信号I S 经采样电阻R 1取样,其R 1两端的电压值为:V ab =I S R 1然后将V ab 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:V out =(1+R 3R 2V ab 其放大倍数A 1为:A 1=1+R 3R 2这一级放大电路的放大倍数大约设在10倍左右

10、。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 =R 3R 2+R 3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:A 1=A (1+A F =106(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R 2上的热噪声和放大器34328(3刘洋:一种生物传感器前置放大电路设计与仿真的等效输入噪声。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:2n=4k T R2式中,T

11、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R f=1M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C P,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=R in×C p式中,R in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ICL7

12、650。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20M的电阻,远远小于ICL7650的输入阻抗(1012。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10k,反馈电阻R3不应超过100k,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2k Hz;采

13、样电阻R1取20M。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 (104p F在Multisim2001平台上用100p F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Fig13The circuit for simulation图4仿真波形Fig14Simulated wave form图5线性分析的结果Fig15Diagram showing linearity ofinput and output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

14、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I B< 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(110nA 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T ab 11Simulated data by current -voltage conversion circuit输入Enter输出Out put输入电流(nA 频率(k Hz R1(M R1两端电压理论值(mV 仿真值(mV 论放大倍数仿真放大倍数输出电压理论值(mV 仿真值(mV 0101220012011

15、39111019352121151601102202101138611101936221015115711002202010131864111019322201015115701010022020010138164011101935220010151610004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

16、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J .测量技术,2000,19(6:20221.6严戚义.测量系统的抗干扰技术J .仪表技术,1996(6:17219.(上接第341页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 实现煤粒数据检测,因此需要从已分割的煤粒中提取特征量实现数据检测,程序如下:labeled ,numObject s =bwlabel (I ,4;graindata =regionprop s (labele