基于数字调节回路的超低功耗无放大器电位计设计

《IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems》：An Ultra-Low-Power Amplifier-Less Potentiostat Design Based on Digital Regulation Loop

新型基于数字低压差稳压器的电化学 biosensor 电位计电路架构，无需传统跨阻放大器等被动元件。提出单侧调节（SSR）、双侧调节（DSR）及差分传感背景工作电极（BWE）三种配置，180nm CMOS 工艺下实现0.0645-0.266mm2面积，支持100Hz-100MHz宽频带、1V-1.8V宽电压范围，DSR型功耗低至3.7nW，动态范围达129.5dB。

　　

摘要：

本文提出了一种用于与安培型电化学生物传感器接口的新型电位计电路架构。该架构基于数字低压降稳压器（DLDO）结构，与其它典型的电位计拓扑不同，成功消除了对跨阻放大器（TIA）、控制放大器和其他无源元件的需求。通过使用带时钟的比较器、数字环路滤波器和电流控制DAC，该架构能够同时调节所需的电极电压并测量传感器电流。本文讨论了三种不同配置的电位计：单侧稳压（SSR）电位计、双侧稳压（DSR）电位计以及带有参考工作电极的差分感应DSR电位计。这些电位计采用180纳米互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺设计和制造，所占 active silicon 面积分别为0.0645平方毫米、0.1653平方毫米和0.266平方毫米。验证结果表明，所提出的电位计可在100 Hz至100 MHz的宽采样频率范围内正常工作，供电电压范围为1 V至1.8 V。在129.5 dB的动态范围内，所提出的DSR电位计的功耗最低仅为3.7 nW。

引言

电化学已被广泛用于揭示化学反应与电信号之间的复杂关系。基于电化学的生物传感技术因其微型化能力、高精度、快速响应时间和低成本而受到青睐[1],[2],[3],[4],[5]，相较于光学、色谱和磁弹性传感等其它传感方式具有明显优势。