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imec超小型信道生医感测芯片 提升模拟数字转换效能

作者:时间:2022-06-20来源:工商时报收藏

比利时微电子研究中心()于2022年IEEE国际超大规模集成电路技术研讨会(VLSI Symposium),发表了一颗具备微缩能力的神经讯号读取芯片,主打世界最小尺寸的讯号纪录信道,可用于神经医学实验,同步撷取神经元的局部场电位与动作电位。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202206/435372.htm

该微芯片采用创新的架构,透过交流耦合一阶差量三角积分(AC-coupled 1st order delta-delta-sigma architecture)的调变设计,可以将微弱的神经模拟讯号低失真转换至数字讯号。超小型信道能直接将输入讯号进行数字化,可望突破现有技术,打造出更高分辨率的生物感测工具。

用来开发多信道人机接口的芯片设计要求严苛,低功耗和小尺寸成为关键挑战。近期出现了多种创新的读取电路设计,满足上述需求的同时,也要顾及像是噪声抑制、直流电压偏移校正、输入讯号范围等性能考虑。然而,要在这些性能指针之间做出取舍并不容易。直接数字化(direct digitization)的前端电路在靠近讯号源的那端直接将输入讯号进行,据研究显示,这很可能可以大幅减少所需尺寸,但功耗可能居高不下,在带宽或直流电压偏移校正方面,效能也有限。

此次发表的神经讯号读取芯片具备增强型数字化性能,与开发的Neuropixels探针相比,展现了更佳的抗躁、功耗与尺寸表现,同时利用交流耦合的差量三角积分调变器,增加讯号感测的动态范围(dynamic range)与直流电压的偏移容差。

imec人机接口电路(the Circuits for Neural Interfaces Team)研究计划主持人Carolina Mora Lopez表示,此次开发的电路设计成功整合了交流耦合与直接数字化技术,实现接近系统电压极限(rail-to-rail)的直流电压偏移校正功能,输入讯号范围也增加至43mVpp,胜过其他的交流耦合设计。这些性能至关重要,不仅能避免通道达到饱和,还能容许受到动作或刺激干扰而产生的讯号失真现象。在讯号输入端采用交流耦合设计还能进一步降低功耗,因为只有交流讯号会进行数字化,因此每通道的总功率仅有8.34μW。

差量三角积分架构还能实现数字讯号具备的多数功能,例如抗迭频失真的滤波功能。因此,利用22nmFD-SOI制程这类高度微缩化的技术,就可能把通道尺寸大幅微缩至0.005平方厘米(mm2),并提升讯号质量。

Carolina Mora Lopez总结,此次发表的最新电路设计具备微缩化与高度数字化的特色,能够缩小芯片尺寸并减少功耗,也展现了同步撷取神经讯号的优异性能,为开发更小尺寸的多电极探针铺平道路,推进神经科学研究发展。




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