荧光检测生物芯片的CTIA型读出电路设计

摘要

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（LowGain,LG）和高增益模式（HighGain,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，该电路具有低功耗和结构简单等特点。在列放大电路中，实现了可编程多增益信号传输，以满足系统在不同应用下的需求。 基于TSMC65nmCMOS工艺，在CadenceIC5141平台下完成了电路的前后仿真和系统版图设计。测试结果显示，在LG模式下非线性误差为0.96%，在HG模式下非线性误差为1.34%。电路可以检测到244pA的光电流，同时检测到21.7fA的暗电流，信噪比达到了15dB，基本上可以满足荧光检测的应用需求。

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