ISFET传感器偏置电路的应用优势分析

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1，该电路为 ISFET（用于测量流体酸性的传感器）提供理想的偏置。

为了控制 ID，放大器 IC1 迫使其输出端和参考输入端之间的差分电压等于其差分输入电压 VA。由于检测到的差分电压等于 R1 两端的电压，因此 ID=“VA/R1”。在 R1 设定为 20kΩ时， ID 可按 50mA/V 增减。同样，放大器 IC2 迫使其输出端和参考输入端之间的差分电压等于其差分输入电压 VB，从而迫使VDS 等于 VB。（注意：如果您的设计不需要单独调节 VDS 和 ID，则电路可以根据一个控制电压来工作。把 VA 和 VB 连在一起，并用所要求的电压 VDS 来驱动它。于是 R1 等于 VDS/ID。）有关电压 VGS 介于 IC2 的栅极电压和输出电压之间。该电路有一个很有用特点，即电流源是浮动的，从而使栅极电压能连接到电路的共模范围内的任何电压。该电路的VG 范围是 （VA+2-VEE）

图2，该配置显示出图1所示电路连接到 ADC 时所具有的浮动栅极的优点。

图 2 示出了该电路连接到 AD7790型 差分输入 Σ-Δ ADC 时具有的浮动栅极的优点。栅极电压直接连接到 ADC 参考引脚。VS（或 VG）端和 ADC 输入端之间所需的唯一信号调节电路就是一个简单的 RC 滤波器。在电流大于 1mA 时，电阻器 R1 的 0.1% 误差在电流源误差中占据主导地位，因此，在漏极电流高达250mA 时，R1的0.1%误差就是小于 250 nA。VDS的误差是由 IC3 的增益误差以及 IC2 和 IC3 的输入偏移电压产生的。漏极-源极电压高达 2V时，漏极-源极电压的误差小于 450mV。