微流控芯片340 nm紫外探测电路设计

柳常清+曹国华+武俊峰+李胤

摘要： 针对微流控芯片对紫外探测的性能要求，设计了探测器前置放大电路。通过理论分析和计算机仿真给出了光电探测器放大电路分析设计的一般方法，使得所设计的电路可同时满足稳定性和快速性的要求。经实验证实，所设计的电路可很好地满足微流控芯片对340 nm紫外探测的要求，并达到较高探测精度。

关键词： 微流控芯片； 光电探测器； 前置放大电路

中图分类号： TN 23文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.013

引言微流控芯片实验室（labonachip）又被称为微流控芯片，是一种正在蓬勃发展的高新技术平台，目前已在十分广阔的领域取得进展，展现了其在生物化学分析、医学诊断、药物筛选等相关领域广阔的应用前景。CD式微流控芯片作为微流控芯片的一种，由于其特殊的结构特点已被多家国内外公司应用到生化分析仪器上。为满足对微流控芯片的探测要求，其探测电路需要具备足够的稳定性能及探测精度。本文在理论分析的前提下结合计算机仿真对光电探测电路进行分析设计以保证光电探测电路的稳定可靠。1系统工作原理CD式微流控芯片中流体的转移及混合均是在离心力的作用下完成的。其基本结构和系统结构如图1、图2所示。在生化分析过程中，芯片在无刷直流电机的驱动之下，首先跟随一定的速度曲线以特定的运动方式进行离心运动，完成血清分离和血清与反应试剂的混合，待试剂开始与分离出来的血清进行反应后，电机以50～100 r/min速度低速旋转，同时对各通道进行光学探测。光学探测部分主要由卤钨灯光源、光源光束准直系统、硅光电二极管以及微型光谱仪组成。卤钨灯光源光束经过准直系统后透过芯片并经分光镜分光后被微型光谱仪和硅光电探测器接收。光谱仪对可见光进行探测，紫外增强的硅光电管则主要进行340 nm紫外光部分的探测。为保证探测数据的可靠与精确，必须对光电管前置放大电路进行合理设计以满足探测电路对快速性和稳定性的要求。

2探测电路设计及分析基本的光电探测电路如图3所示。在有光照射时，光电管将产生与入射光强成正比的电流Isc，Isc流过反馈电阻RF在输出端形成电压Vout=Isc*RF；考虑探测器结电容、分流电阻、放大器输入电容以及反馈电阻寄生电容的影响而建立图4模型。光学仪器第36卷

第6期柳常清，等：微流控芯片340 nm紫外探测电路设计

在图4中，CJ为探测器结电容，RJ为探测器分流电阻，CD为放大器差模输入电容，CM为放大器共模输入电容。由于CJ，CD，CM的存在将在电路传递函数中引入一个极点，从而可能引发电路输出震荡。典型现象是对阶跃输入响应的振铃现象。是否会产生震荡还取决于RF寄生电容CRF的大小以及放大器增益带宽积，根据各元件参数不同其电路开环增益与噪声增益幅频特性有以下三种情况，如图5所示。 图5不同元件参数对放大电路噪声增益的影响

参考文献：

[1]李鹏，祝连庆，陈青山，等.微弱光信号的光电探测放大电路的设计[J].电子元器件应用，2012，14（7）：2632.

[2]霍戌文，李伟，李进，等.光电探测微信号放大器设计[J].浙江理工大学学报，2005，22（3）：259262.

[3]刘彬，张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报，2003，27（3）：193196.

摘要： 针对微流控芯片对紫外探测的性能要求，设计了探测器前置放大电路。通过理论分析和计算机仿真给出了光电探测器放大电路分析设计的一般方法，使得所设计的电路可同时满足稳定性和快速性的要求。经实验证实，所设计的电路可很好地满足微流控芯片对340 nm紫外探测的要求，并达到较高探测精度。

关键词： 微流控芯片； 光电探测器； 前置放大电路

中图分类号： TN 23文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.013

引言微流控芯片实验室（labonachip）又被称为微流控芯片，是一种正在蓬勃发展的高新技术平台，目前已在十分广阔的领域取得进展，展现了其在生物化学分析、医学诊断、药物筛选等相关领域广阔的应用前景。CD式微流控芯片作为微流控芯片的一种，由于其特殊的结构特点已被多家国内外公司应用到生化分析仪器上。为满足对微流控芯片的探测要求，其探测电路需要具备足够的稳定性能及探测精度。本文在理论分析的前提下结合计算机仿真对光电探测电路进行分析设计以保证光电探测电路的稳定可靠。1系统工作原理CD式微流控芯片中流体的转移及混合均是在离心力的作用下完成的。其基本结构和系统结构如图1、图2所示。在生化分析过程中，芯片在无刷直流电机的驱动之下，首先跟随一定的速度曲线以特定的运动方式进行离心运动，完成血清分离和血清与反应试剂的混合，待试剂开始与分离出来的血清进行反应后，电机以50～100 r/min速度低速旋转，同时对各通道进行光学探测。光学探测部分主要由卤钨灯光源、光源光束准直系统、硅光电二极管以及微型光谱仪组成。卤钨灯光源光束经过准直系统后透过芯片并经分光镜分光后被微型光谱仪和硅光电探测器接收。光谱仪对可见光进行探测，紫外增强的硅光电管则主要进行340 nm紫外光部分的探测。为保证探测数据的可靠与精确，必须对光电管前置放大电路进行合理设计以满足探测电路对快速性和稳定性的要求。

2探测电路设计及分析基本的光电探测电路如图3所示。在有光照射时，光电管将产生与入射光强成正比的电流Isc，Isc流过反馈电阻RF在输出端形成电压Vout=Isc*RF；考虑探测器结电容、分流电阻、放大器输入电容以及反馈电阻寄生电容的影响而建立图4模型。光学仪器第36卷

第6期柳常清，等：微流控芯片340 nm紫外探测电路设计

在图4中，CJ为探测器结电容，RJ为探测器分流电阻，CD为放大器差模输入电容，CM为放大器共模输入电容。由于CJ，CD，CM的存在将在电路传递函数中引入一个极点，从而可能引发电路输出震荡。典型现象是对阶跃输入响应的振铃现象。是否会产生震荡还取决于RF寄生电容CRF的大小以及放大器增益带宽积，根据各元件参数不同其电路开环增益与噪声增益幅频特性有以下三种情况，如图5所示。 图5不同元件参数对放大电路噪声增益的影响

参考文献：

[1]李鹏，祝连庆，陈青山，等.微弱光信号的光电探测放大电路的设计[J].电子元器件应用，2012，14（7）：2632.

[2]霍戌文，李伟，李进，等.光电探测微信号放大器设计[J].浙江理工大学学报，2005，22（3）：259262.

[3]刘彬，张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报，2003，27（3）：193196.

摘要： 针对微流控芯片对紫外探测的性能要求，设计了探测器前置放大电路。通过理论分析和计算机仿真给出了光电探测器放大电路分析设计的一般方法，使得所设计的电路可同时满足稳定性和快速性的要求。经实验证实，所设计的电路可很好地满足微流控芯片对340 nm紫外探测的要求，并达到较高探测精度。

关键词： 微流控芯片； 光电探测器； 前置放大电路

中图分类号： TN 23文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.013

引言微流控芯片实验室（labonachip）又被称为微流控芯片，是一种正在蓬勃发展的高新技术平台，目前已在十分广阔的领域取得进展，展现了其在生物化学分析、医学诊断、药物筛选等相关领域广阔的应用前景。CD式微流控芯片作为微流控芯片的一种，由于其特殊的结构特点已被多家国内外公司应用到生化分析仪器上。为满足对微流控芯片的探测要求，其探测电路需要具备足够的稳定性能及探测精度。本文在理论分析的前提下结合计算机仿真对光电探测电路进行分析设计以保证光电探测电路的稳定可靠。1系统工作原理CD式微流控芯片中流体的转移及混合均是在离心力的作用下完成的。其基本结构和系统结构如图1、图2所示。在生化分析过程中，芯片在无刷直流电机的驱动之下，首先跟随一定的速度曲线以特定的运动方式进行离心运动，完成血清分离和血清与反应试剂的混合，待试剂开始与分离出来的血清进行反应后，电机以50～100 r/min速度低速旋转，同时对各通道进行光学探测。光学探测部分主要由卤钨灯光源、光源光束准直系统、硅光电二极管以及微型光谱仪组成。卤钨灯光源光束经过准直系统后透过芯片并经分光镜分光后被微型光谱仪和硅光电探测器接收。光谱仪对可见光进行探测，紫外增强的硅光电管则主要进行340 nm紫外光部分的探测。为保证探测数据的可靠与精确，必须对光电管前置放大电路进行合理设计以满足探测电路对快速性和稳定性的要求。

2探测电路设计及分析基本的光电探测电路如图3所示。在有光照射时，光电管将产生与入射光强成正比的电流Isc，Isc流过反馈电阻RF在输出端形成电压Vout=Isc*RF；考虑探测器结电容、分流电阻、放大器输入电容以及反馈电阻寄生电容的影响而建立图4模型。光学仪器第36卷

第6期柳常清，等：微流控芯片340 nm紫外探测电路设计

在图4中，CJ为探测器结电容，RJ为探测器分流电阻，CD为放大器差模输入电容，CM为放大器共模输入电容。由于CJ，CD，CM的存在将在电路传递函数中引入一个极点，从而可能引发电路输出震荡。典型现象是对阶跃输入响应的振铃现象。是否会产生震荡还取决于RF寄生电容CRF的大小以及放大器增益带宽积，根据各元件参数不同其电路开环增益与噪声增益幅频特性有以下三种情况，如图5所示。 图5不同元件参数对放大电路噪声增益的影响

参考文献：

[1]李鹏，祝连庆，陈青山，等.微弱光信号的光电探测放大电路的设计[J].电子元器件应用，2012，14（7）：2632.

[2]霍戌文，李伟，李进，等.光电探测微信号放大器设计[J].浙江理工大学学报，2005，22（3）：259262.

[3]刘彬，张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报，2003，27（3）：193196.