JSSC 2020第3期Clocking & PLLs28nm

Design and Analysis of a Microwave-Optical Dual Modality Biomolecular Sensing Pl

提出一种高灵敏度与选择性的微波-光学双模态生物分子传感器

28nm CMOS, 0.2 ppm/√Hz频率灵敏度, 11.5mW功耗, 500/s暗计数率, 300ps定时抖动

微波传感器光学传感器生物分子检测正交振荡器单光子雪崩二极管

▸创新点1：正交振荡器反应传感方案通过差分耦合振荡器设计，有效抑制1/f³相位噪声达20 dB/decade，突破传统微波传感器灵敏度极限（0.2 ppm/√Hz），属于电路架构创新

▸创新点2：新颖的斩波技术通过差异化调制自由振荡频率，在保持锁定频率稳定的同时提升灵敏度，实现11.5 mW低功耗下的高频稳定性，属于信号处理技术创新

▸创新点3：单光子雪崩二极管光学传感器集成光子强度/发射时间双参数检测，达成500/s暗计数率与300 ps时序抖动（1V偏压），显著增强生物分子特异性识别能力，属于光电融合系统创新

▸创新点4：微波-光学双模态协同传感机制通过介电特性与光学特征联合分析，在蛋白质热变性实验中验证了灵敏度与选择性的同步提升，属于跨物理域系统集成创新

Abstract

A combined microwave-optical biomolecular sensor with high sensitivity and selectivity is presented. The microwave sensor characterizes the dielectric properties of a medium using the oscillation frequency shift. To improve the sensor sensitivity beyond the 1/ f 3 phase noise limit, a quadrature-oscillator-based reactance sensing scheme is proposed, which attenuates the 1/ f 3 noise by 20 dB/decade. Further sensitivity enhancement is realized by a novel chopping technique that modulates the free