張風(fēng)體

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1 引言

基因測(cè)序技術(shù)是現(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究的重要工具，發(fā)展到今天已是第四代，第四代基因測(cè)序技術(shù)被稱為納米孔測(cè)序法，由于具有長(zhǎng)度長(zhǎng)、成本低等優(yōu)勢(shì)，已成為最有前途的測(cè)序方法之一。國內(nèi)外從事納米孔基因測(cè)序的廠商有牛津納米孔技術(shù)公司（ONT）、齊碳、羅氏等。

納米孔測(cè)序法的基本原理為[1]：制作直徑約為1～10 nm 的納米孔[1-3]，包括固態(tài)納米孔和生物納米孔等；待測(cè)物可以是單鏈DNA 或者標(biāo)記物等，借助電泳驅(qū)動(dòng)單個(gè)待測(cè)物逐一通過納米孔，由于待測(cè)物自身的帶電性質(zhì)，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)其穿過納米孔，并在穿越的過程中引起納米孔電阻的變化，產(chǎn)生所謂的阻斷電流；根據(jù)阻斷電流識(shí)別出不同的堿基，從而實(shí)現(xiàn)核酸序列測(cè)定。該技術(shù)存在如序列讀取錯(cuò)誤率高、通量不夠等問題。納米孔測(cè)序中產(chǎn)生0～100 pA 的阻斷電流值[1]，該電流跟納米孔大小、待測(cè)物特性以及測(cè)試條件等相關(guān)，pA 級(jí)的電流很容易被噪聲淹沒從而導(dǎo)致讀出錯(cuò)誤。另外為了降低成本，采用硅基電路設(shè)計(jì)讀出電路，并集成百萬或千萬量級(jí)反應(yīng)單元的高通量測(cè)序方案成為主流趨勢(shì)，檢測(cè)單元的面積和功耗極大地限制了測(cè)序儀集成度的提升，所以納米孔基因測(cè)序儀急需一種面積和功耗都極小且具有較高檢測(cè)精度的檢測(cè)電路單元。

微電流檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)有很多種，在納米孔基因測(cè)序領(lǐng)域內(nèi)，ONT 技術(shù)路線中檢測(cè)電路采用的是跨導(dǎo)放大器（TIA）結(jié)構(gòu)，結(jié)合多路復(fù)用的方式充分利用讀出電路[4]；羅氏檢測(cè)電路采用運(yùn)放閉環(huán)反饋的方式固定納米孔電極的電位，收集檢測(cè)電流并將其積分放大后輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行量化，羅氏也有簡(jiǎn)化的電路結(jié)構(gòu)，如共柵放大器和單開關(guān)等結(jié)構(gòu)[5]。以上方案都難以達(dá)到較高的精度，文獻(xiàn)[6-7]在TIA 基礎(chǔ)上增加了降噪功能的電路結(jié)構(gòu)，雖然能夠優(yōu)化噪聲從而達(dá)到較高的檢測(cè)精度，但是均以犧牲面積和功耗為代價(jià)。

本文根據(jù)高通量納米孔測(cè)序儀的需要，設(shè)計(jì)出一種極低噪聲、極小面積的檢測(cè)電路，并具備雙向檢測(cè)的功能。

2 微電流檢測(cè)電路

本文提出的微電流檢測(cè)電路單元如圖1 所示，包括運(yùn)放、鉗位管、復(fù)位開關(guān)、積分電容、方向切換開關(guān)、納米孔、ADC 等。相比羅氏檢測(cè)電路，該電路增加了由S1、S2、M1 和M2 組成的方向控制電路，另外采用了最簡(jiǎn)的5 管運(yùn)放，增加了一級(jí)跟隨級(jí)，能在兩個(gè)檢測(cè)方向上工作，滿足納米孔檢測(cè)系統(tǒng)的需要。

圖1 本文提出的微電流檢測(cè)電路單元

運(yùn)放和跟隨級(jí)占據(jù)主要的功耗和面積，為了降低面積和功耗開銷，運(yùn)放主體采用5 管結(jié)構(gòu)作為第一級(jí)，第二級(jí)為一個(gè)跟隨器，在滿足噪聲要求的情況下應(yīng)盡量使其面積和功耗達(dá)到最小。運(yùn)放對(duì)管使用閃爍噪聲更低的PMOS 管作為輸入對(duì)管，第二級(jí)主要配合切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)放電方向電壓鉗位和信號(hào)檢測(cè)的功能。第一級(jí)、選擇開關(guān)M1 和S1 組成充電通路，第二級(jí)、M2 和S2 組成放電通路，方向控制信號(hào)CMD 為低時(shí)充電，反之放電，該結(jié)構(gòu)可以保證兩個(gè)方向檢測(cè)的噪聲水平一致。積分電容Cint=100 fF，其在100 μs 內(nèi)接收500 pA電流時(shí)的電壓為500 mV。電流在固定的時(shí)間內(nèi)被積分放大后經(jīng)過輸出級(jí)M3 輸出，復(fù)位開關(guān)Rst 按照固定的周期清零積分電容上的電荷，M3 通過選擇開關(guān)Sel將信號(hào)輸出到公共信號(hào)線，公共信號(hào)線并聯(lián)尾電流源并連接ADC，最終實(shí)現(xiàn)ADC 的復(fù)用。

2.1 噪聲分析

電路包含復(fù)位噪聲電壓Vo1、運(yùn)放噪聲電壓Vo2、納米孔電阻噪聲電壓Vo3、鉗位管噪聲電壓Vo4和跟隨器噪聲電壓Vo5[8-10]。簡(jiǎn)化的Vo2和Vo3檢測(cè)電路如圖2 所示，其他部分不需要簡(jiǎn)化。在計(jì)算過程中，直接計(jì)算各部分噪聲傳遞到輸出端的噪聲電壓。在圖2 中，Z 表示納米孔模型的阻抗，Z=Rn//Cn，納米孔的電阻Rn=1 GΩ，納米孔的電容Cn=1 pF，納米孔電阻和電容形成的極點(diǎn)pn=1/(RnCn)；Vn為運(yùn)放的等效輸入噪聲電壓；gm為鉗位管的跨導(dǎo)，gm=3 nS；A 為運(yùn)放的傳遞函數(shù)，Vf為反饋電壓，Vo為輸出電壓，Io表示輸出電流。

圖2 簡(jiǎn)化的檢測(cè)電路

2.1.1 復(fù)位噪聲

復(fù)位噪聲由積分電容引起[10]：

式中：k=1.38×10-23J/K，為玻耳茲曼常數(shù)；T=300 K，為開爾文溫度。計(jì)算可得復(fù)位噪聲功率

2.1.2 運(yùn)放噪聲

運(yùn)放噪聲電壓傳遞函數(shù)Hop(s)滿足（s 為復(fù)頻域變量）：

將A=A0/(1+s/pA)，Z=Rn//Cn=Rn/(1+s/pn)，pn=1/(RnCn)代入得

式中A0為運(yùn)放增益，A0≈100，遠(yuǎn)大于1，gmRn＞1，pA?pn，式(3)可化簡(jiǎn)為

式(4) 存在3 個(gè)極點(diǎn)頻率pop0、pop1、pop2，1 個(gè)零點(diǎn)頻率zop0。zop0=pn，pop0≈RnCint，pop1=A0gm/Cn，pop2≈pA。

Hop(s)曲線如圖3 所示。Hop(s)的增益G=Cn/Cint，帶寬W=πA0gm/(2Cn)。

圖3 Hop(s)曲線

根據(jù)仿真得到運(yùn)放各器件的參數(shù)，從而計(jì)算出運(yùn)放的等效輸入噪聲功率譜密度為8.3×10-15V2/Hz，G=10，W=75 kHz；為了計(jì)算方便，Hop(s) 可以等效為G=10、W=75 kHz 的低通系統(tǒng)，得到的輸出噪聲功率為62.4×10-9V2。

2.1.3 納米孔噪聲

納米孔可以等效為一個(gè)電阻和電容的并聯(lián)[11]，納米孔自身的噪聲為電阻噪聲，in為納米孔噪聲電流，噪聲電流引起的噪聲電壓的傳遞函數(shù)為

簡(jiǎn)化得

將in轉(zhuǎn)換為電壓，得到納米孔電壓傳遞函數(shù)Hn(s)滿足：

Hn(s)的3 個(gè)極點(diǎn)和1 個(gè)零點(diǎn)約簡(jiǎn)后為：zn0=A0pA，pn0=1/(RnCint)，pn1≈A0gm/Cn，pn2≈pA。

Hn(s)曲線如圖4 所示。由于在pn0處已經(jīng)沒有增益，所以在計(jì)算納米孔噪聲時(shí)，可以將傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為

圖4 Hn(s)曲線

2.1.4 鉗位管噪聲

鉗位管噪聲能量為4kT/gm，該部分噪聲除以A0可以等效為運(yùn)放的輸入噪聲，然后根據(jù)運(yùn)放的傳遞函數(shù)可以計(jì)算出該部分噪聲對(duì)應(yīng)的輸出噪聲。根據(jù)仿真可知，等效輸入噪聲功率譜密度為0.552×10-15V2/Hz，

2.1.5 跟隨器噪聲

跟隨器噪聲為熱噪聲，負(fù)載電容為1 pF。熱噪聲均可以按照式(1)計(jì)算=41.4×10-9V2。

2.1.6 周期復(fù)位的影響

整個(gè)系統(tǒng)是周期復(fù)位，系統(tǒng)復(fù)位在頻域引入的傳遞函數(shù)[8-9]的幅度如下：

式中Tint為積分時(shí)間，f 為頻率。在低頻時(shí)增益接近零，能夠抑制低頻段的噪聲，而由于納米孔噪聲中的輸出噪聲主要集中在低頻段，所以受影響較大，在計(jì)算時(shí)需要單獨(dú)考慮?？紤]復(fù)位的影響，納米孔噪聲電壓的傳遞函數(shù)修改為

式(10)的幅度為sinc 函數(shù)，對(duì)sinc 函數(shù)的平方項(xiàng)進(jìn)行積分的結(jié)果為0.5π，代入?yún)?shù)可以得到納米孔的輸出噪聲功率：

Tint=100 μs，代入數(shù)據(jù)可以得到該部分噪聲功率為82.8×10-9V2。另外，gm=3 nS，可以知道其等效噪聲為納米孔噪聲的1/3，所以鉗位管的輸出噪聲功率為27.6×10-9V2。

通過上述計(jì)算分析，復(fù)位噪聲、納米孔噪聲、鉗位管以及跟隨器的噪聲基本固定，與運(yùn)放參數(shù)基本沒有關(guān)系，而運(yùn)放自身噪聲與設(shè)計(jì)密切相關(guān)，是設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)考慮的。

2.2 仿真和驗(yàn)證

在上述的輸出噪聲中，除運(yùn)放自身噪聲外，其他部分噪聲相對(duì)固定，而運(yùn)放自身噪聲可以通過增加器件面積和功耗的方式來降低，但是考慮到千萬通量的納米孔測(cè)序傳感器會(huì)集成上千萬個(gè)電流檢測(cè)電路，電流檢測(cè)電路的面積和功耗都會(huì)有千萬倍的放大，所以在噪聲滿足要求的情況下要盡量降低其面積和功耗，盡量壓縮傳遞函數(shù)的增益和帶寬，最終需結(jié)合仿真對(duì)面積、功耗和噪聲進(jìn)行折中。

在180 nm 工藝平臺(tái)，根據(jù)應(yīng)用需求，積分時(shí)間Tint=100 μs，在納米孔兩端加100 mV 電壓時(shí)，待測(cè)的電流為100 pA，100 pA 的電流在100 fF 電容上連續(xù)充電或者放電100 μs 后可以得到100 mV 的有效電壓，即100 mV 對(duì)應(yīng)100 pA 的電流。

經(jīng)過折中后的噪聲計(jì)算結(jié)果如表1 所示，可以看出運(yùn)放噪聲和納米孔噪聲占主要地位。采用PSS+Pnoise 的仿真方式，檢測(cè)單元的噪聲仿真結(jié)果如圖5 所示，納米孔電阻的噪聲功率為88.2×10-9V2，表1的計(jì)算值為82.8×10-9V2，兩者基本一致；M51、M52、M28 和M29 為運(yùn)放的對(duì)管和負(fù)載管，不考慮1/f 噪聲時(shí)的噪聲貢獻(xiàn)約為19%，增加1/f 噪聲后的噪聲貢獻(xiàn)約為44%，總體噪聲功率為129.0×10-9V2，比表1 中的結(jié)果大；仿真的總體輸出噪聲功率為290.8×10-9V2，計(jì)算值為232.2×10-9V2，前者約大25%，這主要是由運(yùn)放計(jì)算誤差導(dǎo)致的。最終以仿真結(jié)果為準(zhǔn)，仿真的噪聲電壓有效值為540 μV，δ 為標(biāo)準(zhǔn)差，按照正態(tài)分布估算，則6δ 的噪聲電壓為3.2 mV，對(duì)應(yīng)的噪聲電流為3.2 pA。

表1 經(jīng)過折中后的噪聲計(jì)算結(jié)果

圖5 檢測(cè)單元的噪聲仿真結(jié)果

需要說明的是，以上分析和仿真均是按照待測(cè)電流為100 pA 評(píng)估的，隨著待測(cè)電流的降低，運(yùn)放的W和gm也跟隨降低，導(dǎo)致運(yùn)放的噪聲功率降低，最終的輸出噪聲也會(huì)相應(yīng)降低，所以該電路能夠保證在0～100 pA 范圍內(nèi)檢測(cè)精度小于3.2 pA。

在180 nm 工藝平臺(tái)，對(duì)檢測(cè)電路單元進(jìn)行了流片和驗(yàn)證，圖6 為檢測(cè)單元的版圖，為了充分利用空間，將其設(shè)計(jì)為窄長(zhǎng)的形狀，面積為5 μm×16 μm=80 μm2，功耗為1.5 μW。版圖的寄生電容會(huì)增加積分電容，通過調(diào)整積分電容尺寸以保證與前仿真結(jié)果一致，由于檢測(cè)電路是低頻電路，寄生電阻參數(shù)的影響可以忽略，另外工藝角會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放失調(diào)偏差，最終結(jié)果會(huì)通過存儲(chǔ)一個(gè)基線值的方式進(jìn)行校正。

圖6 檢測(cè)單元的版圖

為了測(cè)試電路性能，需要產(chǎn)生100 pA 的待測(cè)電流和1 pF 的輸入電容。100 pA 待測(cè)電流可以通過一個(gè)1 GΩ 的電阻和100 mV 電壓產(chǎn)生，該電阻可以外部提供或者在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。連接外部1 GΩ 電阻時(shí)，由于PAD、引線以及電阻自身的寄生，會(huì)產(chǎn)生大約3.5 pF 的電容；芯片內(nèi)部采用poly 電阻實(shí)現(xiàn)1 GΩ 電阻時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生分布電容。以上兩種方法都無法提供1 GΩ 和1 pF 的測(cè)試電路。噪聲電流仿真和測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表2 所示，1 GΩ 和3.5 pF（外接1 GΩ）或者1 GΩ 和分布電容（內(nèi)部1 GΩ）的測(cè)試和仿真結(jié)果一致，從而間接證明了1 GΩ 和1 pF 電容的噪聲水平。

表2 噪聲電流仿真和測(cè)試結(jié)果對(duì)比

文獻(xiàn)[11-12]與本文提出的電流檢測(cè)電路單元的參數(shù)對(duì)比如表3 所示，可以看出，本文提出的電流檢測(cè)電路的面積、功耗以及噪聲水平都極低，尤其是面積和功耗指標(biāo)遠(yuǎn)低于另外兩種結(jié)構(gòu)。另外文獻(xiàn)[11-12]都有較大的輸入電容，輸入電容主要與寄生電容、檢測(cè)單元的面積等相關(guān)，實(shí)際上在高通量集成時(shí)不可能將檢測(cè)單元或者檢測(cè)電極做大，或者說高通量集成的情況下輸入電容自然就會(huì)很小。本文設(shè)計(jì)的電路單元更加適用于高通量集成的情況。

表3 微電流檢測(cè)電路單元的參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

本文針對(duì)第四代納米孔測(cè)序的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一款具有雙向、低噪聲和小面積特性的電流檢測(cè)電路，能檢測(cè)0～100 pA 的電流，在180 nm 的工藝平臺(tái)下的仿真和流片驗(yàn)證結(jié)果表明，其檢測(cè)精度小于3.2 pA，面積僅為80 μm2，功耗為1.5 μW，并且能夠在充電和放電兩個(gè)方向上進(jìn)行檢測(cè)。本文提出的電流檢測(cè)電路支持大規(guī)模集成，從而形成千萬通量的納米孔測(cè)序檢測(cè)電路，并且其雙向檢測(cè)能力配合算法可以實(shí)現(xiàn)更好的檢測(cè)效果。