近日，集成电路学院（信息与电子工程学院）陈铭易副教授课题组在精密传感接口芯片领域取得重要进展，提出了适用于脑机接口、水声信号检测等各类精密传感接口的片上伪电阻精密自动校准技术，成功解决了一项关键技术难题，为可精确调谐的片上超高阻值电阻的规模化量产奠定了基础，相关成果以“A 25.8% 3σ/µ-Accuracy, 0.12%/℃ Temperature Drift Sigma-Delta Modulation Calibrated Pseudo-Resistor with GΩ to TΩ Tuning Range”（一种具有25.8% 3σ/µ精度、0.12%/℃温漂、GΩ至TΩ量级调节范围的ΣΔ调制校准型伪电阻）为题发表于《IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）》上。

研究背景

在以脑机接口为代表的各类精密传感接口电路中，超高阻值电阻（>100GΩ）是完成精密信号调理的重要部件之一。当前实现超高阻值片上电阻的主流技术路线有伪电阻、占空比电阻、开关电容电阻等三种方式，然而面临精度低、温漂高、工艺鲁棒性和线性度差等一系列技术挑战。因此，如何实现高性能、低成本、可量产的超高阻值片上电阻，是困扰业界多年的共性关键技术难题之一。

研究内容

该研究创新提出一种基于Σ∆调制环路的主从校准架构，利用闭环反馈对片上伪电阻进行精密自动校准。校准后的伪电阻具有“自举”栅源电压，其阻值受时钟频率精确调控，并达到开关电容参考电阻值的40倍，从而成功实现了相对精度高、温漂低、线性度好、调谐范围宽的低成本超高阻值片上电阻，进而基于该校准伪电阻，实现了可精确调谐高通频率的高线性度低噪声电容耦合仪表放大器，广泛适用于脑机接口、水声信号检测等精密传感接口领域。

研究成果

芯片采用180nm 标准CMOS工艺流片，片上伪电阻自动校准电路功耗和面积分别仅为1.1μW 和0.028mm²。测试结果表明，校准伪电阻的阻值可在1.5GΩ至2.5TΩ范围内精确调谐。在-40℃至80℃温区内，平均温漂为0.12%/℃，相比未校准伪电阻减小二个数量级，与片上多晶硅电阻相当。室温下阻值相对精度（3σ/μ）为25.8%，相比未校准伪电阻提升超一个数量级。电容耦合仪表放大器可实现精确调谐的0.13~217Hz高通截止频率，总谐波失真仅为0.0093%，线性输出摆幅高达3.93VPP，0.5~200Hz带宽内输入参考噪声为2.4μVrms。研究成果广泛适用于脑机接口、水声信号检测等各类精密传感接口领域，成功解决了领域内一大共性关键技术难题，为可精确调谐的片上超高阻值电阻的规模化量产奠定了基础。

论文信息

论文第一作者为集成电路学院（信息与电子工程学院）2021级博士研究生郝禹植，通讯作者为陈铭易副教授，共同作者为电子科技大学樊华教授、约克大学连勇教授。该研究受到国家自然科学基金项目资助。

陈铭易，欧洲微电子研究中心(IMEC)博士后，现集成电路学院（信息与电子工程学院）长聘教轨副教授。近三年主持国家自然科学基金面上项目、十四五国家重点研发计划课题、中国电子学会专项，以及企业委托开发等项目十余项。在IEEE JSSC、SSC-L、TIE、TPE、TIM、TBCAS、VLSI Symposium等国际期刊和会议发表论文50余篇，申请发明专利20余项。指导研究生获创“芯”大赛全国一等奖3项，企业杯赛一等奖1项。研究成果获欧盟 “玛丽-居里”卓越奖、第七届华人芯片设计技术研讨会最佳报告奖等。课题组融合传感芯片实验室聚焦与各类传感器深度融合的高性能模拟与混合信号集成电路设计研究，重点研究领域包括精密传感接口芯片、超高分辨率模数转换器芯片、微能量采集和电源管理芯片等。应用领域涵盖脑机接口、人形机器人、精密测量等工业、消费和医疗场景。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11184842

期刊信息

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