上海交大：精密傳感接口芯片領域取得重要進展！

近日，上海交通大學集成電路學院（信息與電子工程學院）陳銘易副教授課題組在精密傳感接口芯片領域取得重要進展，提出了適用于腦機接口、水聲信號檢測等各類精密傳感接口的片上偽電阻精密自動校準技術，成功解決了一項關鍵技術難題，為可精確調諧的片上超高阻值電阻的規模化量產奠定了基礎，相關成果以“A 25.8% 3σ/μ-Accuracy, 0.12%/℃ Temperature Drift Sigma-Delta Modulation Calibrated Pseudo-Resistor with G? to T? Tuning Range”（一種具有25.8% 3σ/μ精度、0.12%/℃溫漂、GΩ至TΩ量級調節范圍的ΣΔ調制校準型偽電阻）為題發表于《IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）》上。

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11184842

研究背景

在以腦機接口為代表的各類精密傳感接口電路中，超高阻值電阻（>100G?）是完成精密信號調理的重要部件之一。當前實現超高阻值片上電阻的主流技術路線有偽電阻、占空比電阻、開關電容電阻等三種方式，然而面臨精度低、溫漂高、工藝魯棒性和線性度差等一系列技術挑戰。因此，如何實現高性能、低成本、可量產的超高阻值片上電阻，是困擾業界多年的共性關鍵技術難題之一。

研究內容

該研究創新提出一種基于Σ?調制環路的主從校準架構，利用閉環反饋對片上偽電阻進行精密自動校準。校準后的偽電阻具有“自舉”柵源電壓，其阻值受時鐘頻率精確調控，并達到開關電容參考電阻值的40倍，從而成功實現了相對精度高、溫漂低、線性度好、調諧范圍寬的低成本超高阻值片上電阻，進而基于該校準偽電阻，實現了可精確調諧高通頻率的高線性度低噪聲電容耦合儀表放大器，廣泛適用于腦機接口、水聲信號檢測等精密傳感接口領域。

研究成果

芯片采用180nm 標準CMOS工藝流片，片上偽電阻自動校準電路功耗和面積分別僅為1.1μW 和0.028mm2。測試結果表明，校準偽電阻的阻值可在1.5G?至2.5T?范圍內精確調諧。在-40℃至80℃溫區內，平均溫漂為0.12%/℃，相比未校準偽電阻減小二個數量級，與片上多晶硅電阻相當。室溫下阻值相對精度（3σ/μ）為25.8%，相比未校準偽電阻提升超一個數量級。電容耦合儀表放大器可實現精確調諧的0.13~217Hz高通截止頻率，總諧波失真僅為0.0093%，線性輸出擺幅高達3.93VPP，0.5~200Hz帶寬內輸入參考噪聲為2.4μVrms。研究成果廣泛適用于腦機接口、水聲信號檢測等各類精密傳感接口領域，成功解決了領域內一大共性關鍵技術難題，為可精確調諧的片上超高阻值電阻的規模化量產奠定了基礎。

論文信息

論文第一作者為集成電路學院（信息與電子工程學院）2021級博士研究生郝禹植，通訊作者為陳銘易副教授，共同作者為電子科技大學樊華教授、約克大學連勇教授。該研究受到國家自然科學基金項目資助。

陳銘易，歐洲微電子研究中心(IMEC)博士后，現集成電路學院（信息與電子工程學院）長聘教軌副教授。近三年主持國家自然科學基金面上項目、十四五國家重點研發計劃課題、中國電子學會專項，以及企業委托開發等項目十余項。在IEEE JSSC、SSC-L、TIE、TPE、TIM、TBCAS、VLSI Symposium等國際期刊和會議發表論文50余篇，申請發明專利20余項。指導研究生獲創“芯”大賽全國一等獎3項，企業杯賽一等獎1項。研究成果獲歐盟 “瑪麗-居里”卓越獎、第七屆華人芯片設計技術研討會最佳報告獎等。課題組融合傳感芯片實驗室聚焦與各類傳感器深度融合的高性能模擬與混合信號集成電路設計研究，重點研究領域包括精密傳感接口芯片、超高分辨率模數轉換器芯片、微能量采集和電源管理芯片等。應用領域涵蓋腦機接口、人形機器人、精密測量等工業、消費和醫療場景。

期刊信息

IEEE固態電路期刊（JSSC）是國際集成電路領域最高級別期刊之一，旨在發布具有高度原創性和影響力的最新突破性成果，代表業內頂尖技術水平和研發前沿。

本文來自：上海交大