传感技术中的ISFET传感器偏置电路

ISFET（离子敏感场效应晶体管）可用于测量流体的酸性。精确的测量要求 ISFET 的偏置条件（ID 和 VDS）保持恒定，同时栅极直接接触被测流体。流体的酸性改变通道宽度，从而产生一个与流体的 PH 值成正比例的栅极-源极电压 VGS。图 1 所示电路是一种更简单、更精确的实现方法。电压 VA 通过 ISFET Q1 设定漏极电流 ID，而电压 VB 设定 Q1 的漏极-源极电压 VDS。两个 AD8821 型高精度测量放大器 IC1 和 IC2 均配置得具有等于1的增益。IC3 是 AD8627 型精密 JFET 输入放大器，它缓冲漏极电压 VD，确保流经 R1 的电流全都流经 Q1 。图 ISFET（离子敏感场效应晶体管）是传感技术中的一种关键元件，尤其适用于测量溶液的酸碱度（pH值）。ISFET的工作原理基于其通道宽度的变化，这种变化由溶液中的离子浓度引起，进而影响到栅极-源极电压（VGS），形成与pH值直接相关的信号。在精确测量时，ISFET的偏置条件至关重要，包括漏极电流（ID）和漏极-源极电压（VDS）需保持恒定，以确保测量的稳定性和准确性。 图1展示了一种简化且精确的ISFET偏置电路设计。在这个电路中，电压VA通过ISFET Q1来设定漏极电流ID，而VB则用于设定Q1的VDS。两个AD8821高精度测量放大器IC1和IC2被配置为增益为1的运算放大器，分别控制ID和VDS。IC1的输出端和参考输入端之间的差分电压等于VA，使得ID="VA/R1"。当R1设置为20kΩ时，每增加1V的VA，ID将增加50mA。IC2则同样作用于VDS，使得VDS等于VB。 IC3是一个AD8627型精密JFET输入放大器，它的作用是缓冲漏极电压VD，确保所有流过R1的电流都流经Q1，增强了电路的稳定性。这种设计使得ISFET的栅极能够连接到广泛的共模电压范围内，提供了更大的灵活性。 图2进一步展示了该电路连接到ADC（如AD7790）时的浮动栅极优势。在这种配置下，栅极电压直接连接到ADC的参考引脚，仅需一个简单的RC滤波器作为信号调理电路。对于高漏极电流应用，如超过1mA的情况，R1的精度成为主要误差来源。在250mA的漏极电流下，0.1%的R1误差仅导致250nA的误差。VDS的误差则主要来源于IC3的增益误差和IC2、IC3的输入偏置电压，即使在2V的VDS下，误差也能保持在450mV以下。 总结来说，ISFET传感器偏置电路通过精确控制ID和VDS，确保了ISFET的稳定工作，进而准确测量溶液的pH值。电路设计中的各个组件，如AD8821和AD8627放大器，以及适当的电阻选择，共同确保了测量的精度和系统的可靠性。这种电路设计对于环境监测、生物医学应用以及其他需要实时监控溶液酸碱度的领域具有重要的实际意义。