Статья

Название статьи ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АЦП ДВОЙНОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ В РАМКАХ 90 НМ КМОП ТЕХПРОЦЕССА
Автор Л. К. Самойлов, Е. А. Жебрун
Рубрика РАЗДЕЛ II. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Месяц, год 02, 2018
Индекс УДК 621.317
DOI 10.23683/2311-3103-2018-2-142-154
Аннотация Рассмотрены возможности создания специализированных микроэлектронных систем электрохимической импедансной спектроскопии (EIS) как части программно-аппаратных комплексов на основе биологических датчиков (БД). Для повышения точности итогового значения в таких комплексах обеспечивается работа большого количества параллельных каналов БД. Стремление пользователей получать достоверный результат приводит к необходимости одновременного проведения до 500 анализов одного вещества. Исследован вопрос возможностей и ограничений систем EIS в контексте современных достижений технологии. В работе показано, что эффективные многоканальные системы EIS могут быть построены в виде систем на кристалле в рамках стандартных КМОП-техпроцессов. В системах EIS со сравнительно низкой частотой рабочих сигналов БД (до 20 кГц) широко используются АЦП двойного интегрирования (АЦПДИ), входные цепи которых оптимально сочетаются с выходами БД, а выходы позволяют выполнять операцию цифрового умножения на цифровой сигнал. В АЦПДИ, исходя из рассмотренных в работе ограничивающих факторов, существует возможность оптимизации характеристик в соответствии с конечными требованиями. В рамках современного техпроцесса 90 нм спроектированы основные узлы АЦПДИ – ОУ интегратора и компаратор. Приведенные схемотехнические решения позволяют расширить свободу выбора параметров в пространстве переменных тактовой частоты, скорости преобразования и точности преобразования. Так, например, возможно создание устройства ввода аналоговых сигналов на основе интегрирующего преобразователя с точностью 10 бит при 1МГц частоты преобразования на тактовой частоте 5ГГц. При этом для одного канала аналогового интерфейса БД мощность сокращается до десятков микроватт и площадь на кристалле до 0,05 мм2, что позволяет достигнуть плотной интеграция в многоканальных системах EIS на основе АЦПДИ с большим количеством БД. Использованный техпроцесс предоставлен одним из лидеров отечественного рынка микроэлектроники ОАО "НИИМЭ и МИКРОН" (г. Москва). Это позволяет использовать продемонстрированные схемотехнические наработки в программах импортозамещения.

Скачать в PDF

Ключевые слова Модуль обработки информации; биологический датчик; импедансная спектроскопия; аналого-цифровой преобразователь; интегратор; компаратор.
Библиографический список 1. Норманов Д.Д., Аткин Э.В., Осипов Д.Л. Эффективный по площади блок маломощного АЦП. Научная сессия НИЯУ МИФИ-20 14 // Аннотации докладов: в 3-х т. О.Н. Голотюк (ответственный редактор). – 2014. – С. 68.
2. Osipov D., Malankin E., Shumikhin V. Linearity analysis of single-ended SAR ADC with split capacitive DAC // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Publishing, 2016. – Vol. 151, No. 1. – P. 012014.
3. Evgenij Barsoukov, J. Ross Macdonald. Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications. – 2nd Edition. Wiley Interscience Publications, April 2005. – 616 p. ISBN: 978-0-471-64749-2.
4. Evtugyn G. Biosensors: Essentials. – Springer-Verlag, New York, 2014. – 265 p. ISBN: 978-3-642-40240-1. DOI: 10.1007/978-3-642-40241-8.
5. Биосенсоры: основы и приложения: пер. с англ. / под ред. Э. Тёрнера, И. Карубе, Дж. Уилсона. – М.: Мир, 1992. ISBN 5-03-001186-2.
6. Santos A. et al. Fundamentals and Applications of Impedimetric and Redox Capacitive Biosensors // J. of Anal. & Bioanal. Tech. – 2014. – S7:016.
7. Ghindilis A.L. et al. Sensor array: Impedimetric label-free sensing of DNA hybridization in real time for rapid, PCR-based detection of microorganisms // Electroanalysis. – 2009.
– Vol. 21, issue 13. – P. 1459-1468.
8. Yang C., Jadhav S.R., Worden R.M., and Mason A.J. Compact low-power impedance-to-digital converter for sensor array Microsystems // IEEE J. Solid-State Circuits. – 2009.
– Vol. 44, No. 10. – P. 2844-2855.
9. Liu X., Li L., Mason A.J. High Throughput Impedance Spectroscopy Biosensor Array Chip // Phil. Trans. R. Soc. A. – 2014. – Vol. 372. DOI: 10.1098/rsta.2013.0107.
10. Daniels, J.S. An Integrated Impedance Biosensor Array // PhD thesis, Stanford University.
– 2010. – 240 p. – URL: https://stacks.stanford.edu/file/druid:dn968xz4219/thesis_toplevel-augmented.pdf (дата обращения: 27.06.16).
11. Самойлов Л.К., Жебрун Е.А., Титов А.Е. Микросхемотехника аналоговых интерфейсов систем электрохимической импедансной спектроскопии // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2016: Сб. трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. – М.: ИППМ РАН, 2016. Ч. III. – С. 79-86.
12. Тарасов С.Е., Емец В.В., Гуторов М.А., Решетилов А.Н. Импедансная спектроскопия в современных электрохимических ДНК-биосенсорах // Вестник биотехнологии. – 2014.
– Т. 10, № 3. – C. 43-50.
13. Grenier K., Dubuc D., Chen T., et al. Recent advances in microwave-based dielectric spectroscopy at the cellular level for cancer investigations // IEEE Trans. Microwave Theory Techniques. – May 2013. – Vol. 6 1, No. 5. – P. 2023-2030.
14. Jafari H., Soleymani L., and Genov R. 16-Channel CMOS Impedance Spectroscopy DNA Analyzer With Dual-Slope Multiplying ADCs // IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems. – Oct. 2012. – Vol. 6, No. 5. – P. 468-478.
15. Wu W., Staszewski R.B., Long J.R. Millimeter-Wave Digitally Intensive Frequency Generation in CMOS. – Academic Press, 2015. – 200 p.
16. Sergey Krutchinsky, Vasiliy Bespyatov, Alexander Korolev, Eugeniy Zhebrun, Anton Zolotarev. Circuitry design feature of stages with high-gain coefficient on field-effect transistors // Advanced Materials Research. Vol. 320. Trans Tech Publications, Swizerland, 2011.
– P. 589-596. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.320.589.
17. Holberg D., Allen P. CMOS Analog Circuit Design. 3rd Edition. – Oxford University Press, 2011. – 783 p.
18. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: ДМК Пресс, 2008. – Т. 1: 832 c. – Т. 2: 942 c.
19. Bonetti A. Low Power and Compact Successive Approximation ADC for Bioelectronic Chips. Master thesis, Politecnico di Milano, 2012. 70 p. – URL: https://www.politesi.polimi.it/ bitstream/10589/44562/1/2012_04_Bonetti.PDF (дата обращения: 27.06.16).
20. Levine P., Gong P., Levicky R., Shepard K. Active CMOS biochip for electrochemical DNA assays. In E. Lagally, & K. Iniewski (Eds.). Microfluidics and nanotechnology for biosensing to the single molecule limit [Chapter 2]. – New York: Taylor and Francis, 2014. – P. 19-80.

Comments are closed.