荧光检测生物芯片的CTIA型读出电路设计
发布时间：2021-11-10 14:35
随着荧光检测技术在生命科学领域应用越来越广泛,弱光信号的探测需求越来越大,基于CMOS图像传感器的电容反馈跨阻放大器（Capacitive Trans-impedance Amplifier,CTIA）型读出电路,具有片上集成、高增益、低噪声和通量大等诸多优点。但在传统的读出电路中,弱光信号受到光电二极管偏置电压引起的暗电流和非线性影响,将直接制约荧光检测读出电路的精度与信噪比,因此传统的读出电路已无法满足荧光检测的根本需求。为了改善荧光检测的系统性能,本文主要针对CTIA型读出电路系统架构进行验证,详细阐述了CTIA型读出电路系统的工作原理,并重点针对噪声性能进行理论分析。在CTIA电路中,一种新型双增益结构被提出,通过增益开关控制低增益模式（Low Gain,LG）和高增益模式（High Gain,HG）。同时在深阱工艺下设计的T型开关有效地降低开关漏电流。在采样电路系统中,相关双采样（Correlated Double Sampling,CDS）电路紧跟在单端输出积分电路后面构成降噪电路,通过减小系统失调和低频噪声实现高精度和低噪声。同时CDS电路也作为采样保持电路输出有效信号,...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
T结构与CTIA结构输出信噪比与输入光强的关系
图 2.14 相关双采样对模拟信号处理的幅频特性结出相关双采样技术对噪声传递的重要性质：满足 m=0，2，4，……时，1-cos(m )=0，这些噪声将被满足 m=1，3，5，……时，1-cos(m )=2，这些噪声受到个周期的噪声被传递。满足 m<1 时，K(fn)随着频率 fn的下降而快速衰减。当 m有效地降低低频噪声。满足 m>1 时，每次相关双采样至多只传送一个周期的噪减小的速度还和电路带宽有关，带宽越小，减小的速度就 CDS 电路处理后，远离信号的低频噪声几乎不存在。只有噪声离信号越远，噪声越小。
式（3.13）中 fT4为晶体管 M4 的截止频率，可以看出非主极点的频率由 M4 截止频率和电流因子B 决定。所以 B 被限定了最大值，一般设计为 3~5，本文取 B=4。此外，对于电流镜（M7-M10）可以允许一个很大的输出摆幅，输出电压大约可以达到电源电压减 0.4V，这完全满足摆幅的设计需求。另外为了能得到较好的带宽性能，M4 和 M6 不得不用高速晶体管，这意味着电流镜器件的 必须很大，L 相对较小。电路的供电统一由一个基准源产生，有利于降低系统误差。该运放的偏置由带隙基准电压提供 15μA 电流。（a）直流增益和单位增益带宽 （b）外部正负压摆率
【参考文献】：
期刊论文
[1]微光CMOS图像传感器读出电路研究[J]. 徐星,陈世军. 电子设计工程. 2015(08)
[2]CMOS斩波稳定放大器的分析与研究[J]. 杨银堂,贺斌,朱樟明. 电子器件. 2005(01)
[3]几种相关双采样拓扑电路分析[J]. 佟首峰,阮锦,郝志航. 半导体光电. 2000(05)
博士论文
[1]应用于生物芯片中的CMOS荧光检测系统的设计和研究[D]. 刘楠.复旦大学 2008
硕士论文
[1]基于CTIA的读出电路的设计与实现[D]. 曲建国.西安理工大学 2008
本文编号：3487448
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
T结构与CTIA结构输出信噪比与输入光强的关系
图 2.14 相关双采样对模拟信号处理的幅频特性结出相关双采样技术对噪声传递的重要性质：满足 m=0，2，4，……时，1-cos(m )=0，这些噪声将被满足 m=1，3，5，……时，1-cos(m )=2，这些噪声受到个周期的噪声被传递。满足 m<1 时，K(fn)随着频率 fn的下降而快速衰减。当 m有效地降低低频噪声。满足 m>1 时，每次相关双采样至多只传送一个周期的噪减小的速度还和电路带宽有关，带宽越小，减小的速度就 CDS 电路处理后，远离信号的低频噪声几乎不存在。只有噪声离信号越远，噪声越小。
式（3.13）中 fT4为晶体管 M4 的截止频率，可以看出非主极点的频率由 M4 截止频率和电流因子B 决定。所以 B 被限定了最大值，一般设计为 3~5，本文取 B=4。此外，对于电流镜（M7-M10）可以允许一个很大的输出摆幅，输出电压大约可以达到电源电压减 0.4V，这完全满足摆幅的设计需求。另外为了能得到较好的带宽性能，M4 和 M6 不得不用高速晶体管，这意味着电流镜器件的 必须很大，L 相对较小。电路的供电统一由一个基准源产生，有利于降低系统误差。该运放的偏置由带隙基准电压提供 15μA 电流。（a）直流增益和单位增益带宽 （b）外部正负压摆率
【参考文献】：
期刊论文
[1]微光CMOS图像传感器读出电路研究[J]. 徐星,陈世军. 电子设计工程. 2015(08)
[2]CMOS斩波稳定放大器的分析与研究[J]. 杨银堂,贺斌,朱樟明. 电子器件. 2005(01)
[3]几种相关双采样拓扑电路分析[J]. 佟首峰,阮锦,郝志航. 半导体光电. 2000(05)
博士论文
[1]应用于生物芯片中的CMOS荧光检测系统的设计和研究[D]. 刘楠.复旦大学 2008
硕士论文
[1]基于CTIA的读出电路的设计与实现[D]. 曲建国.西安理工大学 2008
本文编号：3487448
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